Standardní model. Jaké hloupé jméno pro nejpřesnější vědeckou teorii známou lidstvu. Více než čtvrtina Nobelových cen za fyziku minulého století byla udělena za práce, které se přímo či nepřímo týkaly standardního modelu. Její jméno je samozřejmě takové, jako kdybyste si mohli koupit vylepšení za pár stovek rublů. Každý teoretický fyzik by upřednostnil „úžasnou teorii téměř všeho“, což ve skutečnosti je.
Mnozí si vzpomínají na vzrušení mezi vědci a médii nad objevem Higgsova bosonu v roce 2012. Jeho objev však nepřekvapil a nevynikl z ničeho - znamenalo 50. výročí vítězného pruhu standardního modelu. Zahrnuje všechny základní síly kromě gravitace. Jakýkoli pokus vyvrátit to a ukázat v laboratoři, že je třeba úplně přepracovat - a bylo jich mnoho - selhal.
Stručně řečeno, standardní model odpovídá na tuto otázku: z čeho je vše vyrobeno a jak všechno zapadá dohromady?
Nejmenší stavební kameny
Fyzici milují jednoduché věci. Chtějí rozbít všechno na své jádro, najít nejzákladnější stavební kameny. To není tak snadné dělat za přítomnosti stovek chemických prvků. Naši předkové věřili, že všechno se skládá z pěti prvků - země, voda, oheň, vzduch a éter. Pět je mnohem jednodušší než sto osmnáct. A také špatně. Určitě víte, že svět kolem nás je vyroben z molekul a molekuly jsou vyrobeny z atomů. Chemik Dmitrij Mendeleev na to přišel v 60. letech 20. století a představil atomy v tabulce prvků, která je dnes studována ve škole. Ale těchto chemických prvků je 118. Antimon, arsen, hliník, selen … a 114 dalších.
V roce 1932 vědci věděli, že všechny tyto atomy jsou tvořeny pouze třemi částicemi - neutrony, protony a elektrony. Neutrony a protony jsou v jádru navzájem úzce spjaty. Elektrony, tisícekrát lehčí než oni, krouží kolem jádra rychlostí blízkou světlu. Fyzici Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg a další zavedli novou vědu - kvantovou mechaniku - aby vysvětlili toto hnutí.
Bylo by skvělé tam zastavit. Pouze tři částice. Je to ještě jednodušší než pět. Ale jak se drží spolu? Negativně nabité elektrony a pozitivně nabité protony jsou drženy pohromadě silami elektromagnetismu. Protony však v jádru poskakují a jejich kladné náboje by je měly vytlačit pryč. Ani neutrální neutrony nepomohou.
Propagační video:
Co spojuje tyto protony a neutrony dohromady? "Boží zásah"? Ale i božská bytost by měla potíže sledovat každý z 1080 protonů a neutronů ve vesmíru a držet je pomocí vůle.
Rozšíření zoo částic
Mezitím příroda zoufale odmítá uložit ve své zoo pouze tři částice. Dokonce i čtyři, protože musíme odpovídat za foton, částice světla popsané Einsteinem. Čtyři se změnili na pět, když Anderson změřil pozitivně nabité elektrony - pozitrony - které zasáhly Zemi z vesmíru. Pět se stalo šesti, když byla objevena pivoňka, která držela jádro jako celek a předpovídala Yukawa.
Pak se objevil muon - 200krát těžší než elektron, ale jinak jeho dvojče. Je to už sedm. Není to tak snadné.
V 60. letech existovaly stovky „základních“částic. Místo dobře organizované periodické tabulky existovaly pouze dlouhé seznamy baryonů (těžké částice jako protony a neutrony), mezony (jako yukawské piony) a leptony (lehké částice jako elektrony a nepolapitelné neutriny), bez jakékoli organizace nebo konstrukčních principů.
A v této propasti se zrodil Standardní model. Nebyl žádný náhled. Archimedes nevyskočil z koupelny a křičel "Eureka!" Ne, namísto toho v polovině šedesátých let několik chytrých lidí učinilo důležité předpoklady, které proměňovaly tuto quagmiru, nejprve na jednoduchou teorii, a poté na padesát let experimentálního testování a teoretického vývoje.
Kvarky. Měli šest možností, které nazýváme příchutěmi. Jako květiny, prostě ne tak chutně vonící. Místo růží, lilií a levandule jsme se dostali nahoru a dolů, podivné a okouzlující, krásné a pravdivé kvarky. V roce 1964 nás Gell-Mann a Zweig učili, jak smíchat tři kvarky, abychom vytvořili baryon. Proton jsou dva kvarky nahoru a dolů; neutron - dva dolní a jeden horní. Vezměte jeden kvark a jeden antiquark - získejte mezon. Pivoňka je kvark nahoru nebo dolů spojený s nahoru nebo dolů antiquark. Všechny záležitosti, se kterými se zabýváme, sestávají z kvarků nahoru a dolů, antikvarků a elektronů.
Jednoduchost. Ne tak docela jednoduchost, protože udržování vázaných kvarků není snadné. Spojí se tak pevně, že už nikdy nenajdete kvark nebo antiquark putování samo o sobě. Teorie tohoto spojení a částice, které se na něm podílejí, jmenovitě gluony, se nazývají kvantová chromodynamika. To je důležitá součást standardního modelu, matematicky složitá a na některých místech dokonce neřešitelná pro základní matematiku. Fyzici se snaží dělat výpočty, ale někdy není matematický aparát dostatečně vyvinut.
Dalším aspektem standardního modelu je „leptonský model“. Toto je titul mezníkového dokumentu z roku 1967 od Stephena Weinberga, který kombinoval kvantovou mechaniku se základními znalostmi o tom, jak částice interagují a organizují je do jednotné teorie. Zapnul elektromagnetismus, spojil jej se „slabou silou“, která vede k určitým radioaktivním rozpadům, a vysvětlil, že se jedná o různé projevy stejné síly. V tomto modelu byl zahrnut Higgsův mechanismus, který dával hmotu základním částicím.
Od té doby standardní model předpovídal výsledky experimentů po výsledcích, včetně objevu několika druhů kvarků a W a Z bosonů - těžkých částic, které při slabých interakcích hrají stejnou roli jako foton v elektromagnetismu. Možnost, že neutrina mají hmotnost, byla vynechána v 60. letech 20. století, ale byla potvrzena standardním modelem v 90. letech, o několik desetiletí později.
Objev Higgsova bosonu v roce 2012, dlouho předvídaný standardním modelem a dlouho očekávaný, však nepřekvapil. Ale to bylo další velké vítězství standardního modelu nad temnými silami, které fyzici částic pravidelně očekávají na obzoru. Fyzikům se nelíbí, že standardní model neodpovídá jejich představám o jednoduchém, obávají se jeho matematické nekonzistence a také hledají způsoby, jak do rovnice zahrnout gravitaci. To se zjevně promítá do různých teorií fyziky, které mohou být podle standardního modelu. Takto vznikly velké sjednocující teorie, supersymetrie, technocolor a teorie strun.
Bohužel teorie mimo standardní model nenalezly úspěšné experimentální důkazy a žádné zásadní nedostatky ve standardním modelu. O padesát let později se jedná o standardní model, který je nejblíže teorii všeho. Úžasná teorie téměř všeho.
Ilya Khel