Štandardný model. Aké hlúpe meno pre najpresnejšiu vedeckú teóriu, ktorú ľudstvo pozná. Viac ako štvrtina Nobelových cien za fyziku minulého storočia bola udelená za diela, ktoré priamo alebo nepriamo súviseli so štandardným modelom. Jej meno je samozrejme také, akoby ste si mohli kúpiť vylepšenie za pár stoviek rubľov. Každý teoretický fyzik by uprednostnil „úžasnú teóriu takmer všetkého“, čo skutočne je.
Mnohí si pamätajú vzrušenie vedcov a médií z objavu Higgsovho bozónu v roku 2012. Jeho objav však nebol prekvapením a ani z ničoho nič - znamenal 50. výročie víťazného pruhu štandardného modelu. Zahŕňa každú základnú silu okrem gravitácie. Akýkoľvek pokus vyvrátiť to a preukázať v laboratóriu, že je potrebné úplne prepracovať - a bolo ich veľa - zlyhal.
Stručne povedané, štandardný model odpovedá na túto otázku: z čoho je všetko vyrobené a ako všetko zapadá do seba?
Najmenšie stavebné kamene
Fyzici milujú jednoduché veci. Chcú rozbiť všetko na svoje jadro, nájsť najzákladnejšie stavebné kamene. Nie je také ľahké to urobiť v prítomnosti stoviek chemických prvkov. Naši predkovia verili, že všetko pozostáva z piatich prvkov - zeme, vody, ohňa, vzduchu a éteru. Päť je omnoho jednoduchšie ako sto osemnásť. A tiež zle. Určite viete, že svet okolo nás je vyrobený z molekúl a molekuly sú vyrobené z atómov. Chemik Dmitrij Mendeleev prišiel na to v 60. rokoch 20. storočia a predstavil atómy v tabuľke prvkov, ktorá sa dnes študuje v škole. Ale týchto chemických prvkov je 118. Antimón, arzén, hliník, selén … a 114 ďalších.
V roku 1932 vedci vedeli, že všetky tieto atómy sú tvorené iba tromi časticami - neutrónmi, protónmi a elektrónmi. Neutróny a protóny sú v jadre navzájom úzko spojené. Elektróny, tisíckrát ľahšie ako oni, krúžia okolo jadra rýchlosťou blízkou svetlu. Fyzici Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg a iní zaviedli novú vedu - kvantovú mechaniku - na vysvetlenie tohto hnutia.
Bolo by skvelé sa tam zastaviť. Iba tri častice. Je to ešte jednoduchšie ako päť. Ale ako sa držia spolu? Záporne nabité elektróny a pozitívne nabité protóny sú držané pohromade silami elektromagnetizmu. Protóny však skáče v jadre a ich pozitívne náboje by ich mali vytlačiť preč. Ani neutrálne neutróny nepomôžu.
Propagačné video:
Čo spája tieto protóny a neutróny dohromady? „Božský zásah“? Ale aj božská bytosť by mala ťažkosti so sledovaním každého z 1080 protónov a neutrónov vo vesmíre, pričom by ich držala vôli.
Rozšírenie zoo častíc
Medzitým príroda zúfalo odmieta uchovávať v zoo iba tri častice. Dokonca aj štyri, pretože musíme zodpovedať za fotón, časticu svetla opísanú Einsteinom. Štyri sa zmenili na päť, keď Anderson meral pozitívne nabité elektróny - pozitróny - ktoré zasiahli Zem z vesmíru. Päť sa stalo šiestimi, keď bola objavená pivónia držiaca jadro ako celok a predpovedaná Yukawou.
Potom sa objavil mión - 200-krát ťažší ako elektrón, ale inak jeho dvojča. Je to už sedem. Nie je to také ľahké.
V 60. rokoch existovali stovky „základných“častíc. Namiesto prehľadnej periodickej tabuľky existovali iba dlhé zoznamy baryónov (ťažké častice ako protóny a neutróny), mezóny (ako yukawské pióny) a leptóny (ľahké častice ako elektróny a nepolapiteľné neutrína), bez akejkoľvek organizácie alebo princípov dizajnu.
A v tejto priepasti sa zrodil Štandardný model. Neexistoval žiadny prehľad. Archimedes nevyskočil z kúpeľne a kričal „Eureka!“Namiesto toho v polovici šesťdesiatych rokov niekoľko inteligentných ľudí urobilo dôležité predpoklady, vďaka ktorým sa tento mráz stal najskôr jednoduchou teóriou a potom päťdesiatimi rokmi experimentálneho testovania a teoretického rozvoja.
Kvarky. Dostali šesť možností, ktoré nazývame príchute. Rovnako ako kvety, len nie tak chutne vonia. Namiesto ruží, ľalií a levandule sme sa dostali hore a dole, zvláštnymi a očarujúcimi, krásnymi a pravdivými kvarkmi. V roku 1964 nás Gell-Mann a Zweig naučili, ako zmiešať tri kvarky na výrobu baryónu. Protón sú dva kvarky hore a jeden dole; neutrón - dva dolné a jeden horný. Vezmite jeden kvark a jeden antikvark - získajte mezón. Pivoňka je kvark nahor alebo nadol spojený s antikvarkom nahor alebo nadol. Všetky záležitosti, s ktorými sa zaoberáme, pozostávajú z kvarkov hore a dole, antikvarkov a elektrónov.
Jednoduchosť. Nie je to však celkom jednoduchosť, pretože udržiavanie viazaných kvarkov nie je ľahké. Spájajú sa tak pevne, že už nikdy nenájdete kvarkové alebo antikvarkové putovania samy o sebe. Teória tohto spojenia a častice, ktoré sa na ňom podieľajú, menovite gluóny, sa nazývajú kvantová chromodynamika. Je to dôležitá súčasť štandardného modelu, matematicky zložitá a na niektorých miestach neriešiteľná pre základnú matematiku. Fyzici sa snažia robiť výpočty, ale niekedy nie je matematický aparát dostatočne vyvinutý.
Ďalším aspektom štandardného modelu je „leptonský model“. Toto je názov medzníkového dokumentu z roku 1967 Stevena Weinberga, ktorý kombinoval kvantovú mechaniku so základnými znalosťami toho, ako častice interagujú a usporiadajú ich do zjednotenej teórie. Zapol elektromagnetizmus, spojil ho so „slabou silou“, ktorá vedie k určitým rádioaktívnym rozpadom, a vysvetlil, že ide o rôzne prejavy tej istej sily. V tomto modeli bol zahrnutý Higgsov mechanizmus, ktorý dal hmotu základným časticiam.
Odvtedy štandardný model predpovedal výsledky experimentov po výsledkoch vrátane objavenia niekoľkých druhov kvarkov a bozónov W a Z - ťažkých častíc, ktoré pri slabých interakciách hrajú rovnakú úlohu ako fotón v elektromagnetizme. Možnosť, že neutrína sa hromadia, bola vynechaná v 60. rokoch 20. storočia, štandardný model ju však potvrdil v 90. rokoch, o niekoľko desaťročí neskôr.
Objav Hosgsovho bozónu v roku 2012, dlho predvídaný štandardným modelom a dlho očakávaný, však nepriniesol prekvapenie. Ale to bolo ďalšie veľké víťazstvo štandardného modelu nad temnými silami, ktoré fyzici častíc pravidelne očakávajú na obzore. Fyzikom sa nepáči, že štandardný model nezodpovedá ich predstavám o jednoduchom, obávajú sa jeho matematickej nekonzistentnosti a hľadajú tiež spôsoby, ako do rovnice zahrnúť gravitáciu. To sa samozrejme premieta do rôznych teórií fyziky, ktoré môžu nasledovať po štandardnom modeli. Takto vznikli veľké teórie zjednotenia, supersymetrie, technocolor a teória strún.
Bohužiaľ, teórie mimo štandardného modelu nenašli úspešné experimentálne dôkazy a žiadne zásadné nedostatky v štandardnom modeli. O päťdesiat rokov neskôr sa k teórii všetkého priblíži štandardný model. Úžasná teória takmer všetkého.
Ilja Khel