Более четверти Нобелевских премий по физике прошлого века являются прямым вкладом или прямым результатом Стандартной модели. И это не казалось бы, странным, если бы она носила название вроде "Идеальная теорию почти всего". И, без лишнего преувеличения, это именно то, что на самом деле представляет собой Стандартная модель.
Многие помнят волнение ученых и СМИ по поводу открытия в 2012 году бозона Хиггса. Но это широко разрекламированное событие не появилось на ровном месте — оно завершило пятидесятилетнюю серию побед Стандартной модели. Фактически, это достижение было следствием всех попыток опровергнуть ее, чтобы продемонстрировать в лаборатории, что она должна быть существенно переработана, — а их было много за последние 50 лет — потерпели неудачу.
Короче говоря, Стандартная модель отвечает на вопрос: "Из чего все сделано и как оно держится вместе?"
Строительные блоки
Вы, конечно, знаете, что мир вокруг нас состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Химик Дмитрий Менделеев придумал в 1860-х годах, как организовать все атомы, то есть элементы, в периодическую таблицу, которую вы, вероятно, изучали в средней школе. Физики любят простые вещи. Как и многие другие ученые, они стремятся свести все к сути, к нескольким основным строительным блокам. Более ста химических элементов — не просто. Древние считали, что все состоит всего из пяти элементов – земли, воды, огня, воздуха и эфира. Пять намного проще, чем 118, но тоже неправильно.
К 1932 году ученые знали, что все эти атомы состоят всего из трех частиц — нейтронов, протонов и электронов. Нейтроны и протоны тесно связаны в ядре. Электроны, в тысячи раз легче, вращаются вокруг ядра со скоростью, приближающейся к скорости света. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и их друзья изобрели новую науку — квантовую механику — для объяснения этого движения.
Это было бы удовлетворительное место для остановки. Всего три частицы. Три даже проще, чем пять. Но почему они держаться вместе? Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны связаны электромагнетизмом. Но все протоны сбиваются в кучу в ядре, и их положительные заряды должны их отталкивать и нейтральные нейтроны не могут это компенсировать.
Что связывает эти протоны и нейтроны вместе? Божественное вмешательство? Но даже для божественного существа эта работенка видится сложной — следить за каждым из неисчислимого числа протонов и нейтронов вселенной и подчинять их своей воле.
Тем временем природа отказалась ограничить свой зоопарк частиц всего тремя. На самом деле четыре, потому что мы должны считать фотон, частицу света, описанную Эйнштейном. Четыре выросли до пяти, когда Андерсон измерил количество электронов с положительным зарядом — позитронов — ударившихся о Землю из космоса. По крайней мере, Дирак предсказал эти первые частицы антиматерии. Пять превратились в шесть, когда был найден пион, который, как предсказывал Юкава, должен был скрепить ядро. Затем появился мюон — в 200 раз тяжелее электрона, но в остальном близнец. В итоге вместо трех уже семь. Все сложнее и сложнее.
К 1960-м годам существовали сотни "фундаментальных" частиц. Вместо хорошо организованной периодической таблицы были только длинные списки барионов (тяжелых частиц, таких как протоны и нейтроны), мезонов (таких как пионы) и лептонов (легких частиц, таких как электрон, и неуловимых нейтрино) – без какой-то организации и руководящих принципов.
В эту брешь вклинилась Стандартная модель. Это не было случайным открытием. Ни один Архимед не выпрыгивал из ванны с криком "Эврика!". Вместо этого в середине 1960-х годов несколько ключевых специалистов сделали серию важных открытий, которые превратили это суп из частиц в простую теорию, а затем последовали пять десятилетий экспериментальной проверки и теоретической разработки.
Их снова трое, и все они одно
Итого, мы имеем три больших группы элементарных частиц. Кварки — они бывают шести разновидностей, которые физики называем вкусами. И так, в меню у нас: верх, низ, странность, очарование, пол и потолок. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг дали нам рецепт: смешайте и сопоставьте любые три кварка, чтобы получить барион. Протоны — это два верхних и один нижний кварк, связанные вместе; нейтроны два вниз и вверх. Выберите один кварк и один антикварк, чтобы получить мезон. Пион — это верхний или нижний кварк, связанный с анти-верхним или анти-нижним. Весь материал нашей повседневной жизни состоит только из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.
Силы (иногда именуются как "простые"). Все частицы так тесно связаны друг с другом, что вы никогда не найдете кварк или антикварк сами по себе. Теория этого связывания и ответственных за него частиц, называемых глюонами (смех), называется квантовой хромодинамикой. Это важная часть Стандартной модели, но математически сложная, даже представляющая собой нерешенную проблему базовой математики.
Другой аспект Стандартной модели — Модель лептонов. Так называется знаменательная статья 1967 года Стивена Вайнберга, которая объединила квантовую механику с жизненно важными знаниями о том, как взаимодействуют частицы, и организовала их в единую теорию. Он включал в себя знакомый электромагнетизм, соединял его с тем, что физики называли "слабым взаимодействием", вызывающим определенные виды радиоактивного распада, и объяснял, что это разные аспекты одной и той же силы. Он включал механизм Хиггса для придания массы фундаментальным частицам.
С тех пор Стандартная модель предсказывала результаты эксперимента за экспериментом, включая открытие нескольких разновидностей кварков и бозонов W и Z — тяжелых частиц, которые для слабых взаимодействий являются тем же, чем фотон для электромагнетизма. Возможность того, что нейтрино не являются безмассовыми, упускалась из виду в 1960-х годах, но легко проскользнула в Стандартную модель в 1990-х, опоздав на несколько десятилетий.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году, давно предсказанное Стандартной моделью и подтверждение его существования поставило решительную точку в оспаривании этой теории. Равно как и сторонников у альтернтаивных идей, вроде Теории струн, резко поубавилось.
К сожалению, по крайней мере для их сторонников, теории, выходящие за рамки Стандартной модели, еще не предсказали каких-либо новых экспериментальных явлений или каких-либо экспериментальных расхождений со Стандартной моделью. Так что вот она — теория всего, о которой вы теперь знаете немного больше!