Standardmodell ist eine moderne, immer wieder experimentell verifizierte Theorie über den Aufbau und die Wechselwirkungen von Elementarteilchen. Diese Theorie basiert auf einer sehr kleinen Anzahl von Postulaten und ermöglicht es Ihnen, die Eigenschaften von Tausenden verschiedener Prozesse in der Welt der Elementarteilchen theoretisch vorherzusagen. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle werden diese Vorhersagen durch Experimente bestätigt, manchmal mit außergewöhnlich hoher Genauigkeit, und die seltenen Fälle, in denen die Vorhersagen des Standardmodells nicht mit den Erfahrungen übereinstimmen, werden Gegenstand heftiger Debatten.

Das Standardmodell ist die Grenze, die in der Welt der Elementarteilchen das zuverlässig Bekannte vom Hypothetischen trennt. Trotz seines beeindruckenden Erfolgs bei der Beschreibung von Experimenten kann das Standardmodell nicht als die ultimative Theorie der Elementarteilchen angesehen werden. Davon sind die Physiker überzeugt es muss Teil einer tiefergehenden Theorie der Struktur der Mikrowelt sein. Um was für eine Theorie es sich dabei handelt, ist noch nicht sicher bekannt. Theoretiker haben sich entwickelt große Nummer Kandidaten für eine solche Theorie, aber nur ein Experiment sollte zeigen, welcher von ihnen der realen Situation entspricht, die sich in unserem Universum entwickelt hat. Deshalb suchen Physiker beharrlich nach Abweichungen vom Standardmodell, nach Teilchen, Kräften oder Effekten, die das Standardmodell nicht vorhersagt. Wissenschaftler nennen all diese Phänomene gemeinsam „Neue Physik“; exakt Suche neue Physik und bildet die Hauptaufgabe des Large Hadron Collider.

Hauptkomponenten des Standardmodells

Das Arbeitsinstrument des Standardmodells ist die Quantenfeldtheorie – eine Theorie, die die Quantenmechanik bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ersetzt. Die Schlüsselobjekte darin sind nicht Teilchen, wie in der klassischen Mechanik, und nicht "Teilchenwellen", wie in der Quantenmechanik, sondern Quantenfelder: elektronisch, Myon, elektromagnetisch, Quark usw. - eines für jede Art von "Entitäten der Mikrowelt".

Sowohl Vakuum als auch das, was wir als separate Partikel wahrnehmen, und komplexere Formationen, die nicht auf separate Partikel reduziert werden können - all dies wird als unterschiedliche Feldzustände beschrieben. Wenn Physiker das Wort „Teilchen“ verwenden, meinen sie eigentlich diese Zustände der Felder und nicht einzelne Punktobjekte.

Das Standardmodell umfasst die folgenden Hauptbestandteile:

• Eine Reihe grundlegender "Bausteine" der Materie - sechs Arten von Leptonen und sechs Arten von Quarks. Alle diese Teilchen sind Spin-1/2-Fermionen und organisieren sich ganz natürlich in drei Generationen. Zahlreiche Hadronen – zusammengesetzte Teilchen, die an der starken Wechselwirkung beteiligt sind – bestehen aus Quarks in verschiedenen Kombinationen.
• Drei Arten von Kräften Wirken zwischen fundamentalen Fermionen - elektromagnetisch, schwach und stark. Schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen sind zwei Seiten derselben elektroschwache Wechselwirkung. Die starke Kraft steht abseits, und es ist diese Kraft, die Quarks zu Hadronen bindet.
• Alle diese Kräfte werden anhand von beschrieben Gauge-Prinzip- sie werden nicht „gewaltsam“ in die Theorie eingeführt, sondern scheinen sich von selbst zu ergeben, als Ergebnis der Forderung, dass die Theorie hinsichtlich bestimmter Transformationen symmetrisch sein muss. Unterschiedliche Arten von Symmetrie führen zu starken und elektroschwachen Wechselwirkungen.
• Trotz der Tatsache, dass es in der Theorie selbst eine elektroschwache Symmetrie gibt, wird sie in unserer Welt spontan verletzt. Spontaner Bruch der elektroschwachen Symmetrie- ein notwendiges Element der Theorie, und im Rahmen des Standardmodells tritt die Verletzung aufgrund des Higgs-Mechanismus auf.
• Numerische Werte für etwa zwei Dutzend Konstanten: das sind die Massen der fundamentalen Fermionen, Zahlenwerte Kopplungskonstanten von Wechselwirkungen, die ihre Stärke charakterisieren, und einige andere Größen. Alle sind ein für allemal aus Erfahrungsvergleichen extrahiert und werden in weiteren Berechnungen nicht mehr angepasst.

Darüber hinaus ist das Standardmodell eine renormierbare Theorie, das heißt, alle diese Elemente werden so in sich selbst konsistent eingeführt, dass Berechnungen im Prinzip mit der erforderlichen Genauigkeit durchgeführt werden können. Allerdings erweisen sich Berechnungen mit der gewünschten Genauigkeit oft als unerträglich komplex, was aber kein Problem der Theorie selbst ist, sondern unserer Rechenfähigkeiten.

Was das Standardmodell kann und was nicht

Das Standardmodell ist in vielerlei Hinsicht eine deskriptive Theorie. Auf viele Fragen, die mit dem „Warum“ beginnen, gibt es keine Antworten: Warum gibt es so viele Teilchen und genau diese? woher kamen diese Wechselwirkungen und genau mit solchen Eigenschaften? Warum musste die Natur drei Generationen von Fermionen erschaffen? Warum sind die Zahlenwerte der Parameter genau gleich? Darüber hinaus ist das Standardmodell nicht in der Lage, einige der in der Natur beobachteten Phänomene zu beschreiben. Insbesondere hat es keinen Platz für Neutrinomassen und Teilchen der Dunklen Materie. Das Standardmodell berücksichtigt die Schwerkraft nicht, und es ist nicht bekannt, was mit dieser Theorie auf der Planck-Energieskala passiert, wenn die Schwerkraft extrem wichtig wird.

Wird das Standardmodell jedoch bestimmungsgemäß eingesetzt, um die Ergebnisse von Kollisionen von Elementarteilchen vorherzusagen, so erlaubt es, je nach konkretem Verfahren, Berechnungen mit durchzuführen unterschiedliche Grade Richtigkeit.

• Zum Elektromagnetische Phänomene(Elektronenstreuung, Energieniveaus) Genauigkeit kann Teile pro Million erreichen oder sogar noch besser. Den Rekord hält hier das anomale magnetische Moment des Elektrons, das mit einer Genauigkeit von besser als einem Milliardstel berechnet wird.
• Viele hochenergetische Prozesse, die aufgrund elektroschwacher Wechselwirkungen ablaufen, werden mit einer Genauigkeit besser als ein Prozent berechnet.
• Am schlimmsten ist die starke Wechselwirkung bei nicht zu hohen Energien. Die Genauigkeit der Berechnung solcher Prozesse ist sehr unterschiedlich: In einigen Fällen kann sie Prozent erreichen, in anderen Fällen ist sie anders. theoretische Ansätze kann Antworten geben, die sich um ein Vielfaches unterscheiden.

Es muss betont werden, dass die Tatsache, dass einige Prozesse schwierig mit der erforderlichen Genauigkeit zu berechnen sind, nicht bedeutet, dass die „Theorie schlecht“ ist. Es ist nur sehr kompliziert, und die derzeitigen mathematischen Techniken reichen noch nicht aus, um alle seine Konsequenzen zu verfolgen. Insbesondere betrifft eines der berühmten mathematischen Millenniumsprobleme das Problem der Eingrenzung in der Quantentheorie mit nicht-abelscher Eichwechselwirkung.

Weiterführende Literatur:

• Grundlegende Informationen zum Higgs-Mechanismus finden sich in den Büchern von L. B. Okun „Physik der Elementarteilchen“ (auf der Ebene von Worten und Bildern) und „Leptonen und Quarks“ (auf einer ernsthaften, aber zugänglichen Ebene).

Auf Abb. 11.1 haben wir alle bekannten Partikel aufgelistet. Dies sind die Bausteine ​​des Universums, zumindest ist das der Standpunkt zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels, aber wir erwarten, noch ein paar mehr zu entdecken – vielleicht sehen wir das Higgs-Boson oder ein neues Teilchen, das mit der mysteriösen Dunklen Materie assoziiert ist ist in Hülle und Fülle vorhanden, was wahrscheinlich für Beschreibungen des gesamten Universums notwendig ist. Oder vielleicht erwarten wir supersymmetrische Teilchen, die von der Stringtheorie vorhergesagt werden, oder Kaluza-Klein-Anregungen, die charakteristisch für zusätzliche Raumdimensionen sind, oder Tech-Quarks, oder Lepto-Quarks, oder ... es gibt viele theoretische Argumente, und es liegt in der Verantwortung von diejenigen, die Experimente am LHC durchführen, um das Suchfeld einzugrenzen, falsche Theorien auszuschließen und den Weg in die Zukunft zu weisen.

Reis. 11.1. Teilchen der Natur

Alles, was man sehen und anfassen kann; jede unbelebte Maschine, jede Lebewesen, jeder Stein, jede Person auf dem Planeten Erde, jeder Planet und jeder Stern in jeder der 350 Milliarden Galaxien im beobachtbaren Universum besteht aus Teilchen der ersten Säule. Sie selbst bestehen aus einer Kombination von nur drei Teilchen - Up- und Down-Quarks und einem Elektron. Quarks bilden den Atomkern, und Elektronen sind, wie wir gesehen haben, für chemische Prozesse verantwortlich. Das verbleibende Teilchen aus der ersten Säule, das Neutrino, ist Ihnen vielleicht weniger bekannt, aber die Sonne durchbohrt jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers jede Sekunde mit 60 Milliarden dieser Teilchen. Sie durchziehen dich und die ganze Erde meist ohne Verzögerung - deshalb hast du sie nie bemerkt und ihre Anwesenheit nicht gespürt. Aber sie spielen, wie wir gleich sehen werden, eine Schlüsselrolle in den Prozessen, die die Energie der Sonne liefern und damit unser Leben erst möglich machen.

Diese vier Teilchen bilden die sogenannte erste Generation von Materie – zusammen mit den vier grundlegenden natürlichen Wechselwirkungen ist dies offenbar alles, was zur Erschaffung des Universums benötigt wird. Aus Gründen, die noch nicht vollständig geklärt sind, hat die Natur jedoch beschlossen, uns zwei weitere Generationen zur Verfügung zu stellen - Klone der ersten, nur diese Partikel sind massiver. Sie sind in der zweiten und dritten Spalte von Abb. 11.1. Insbesondere das Top-Quark ist anderen Elementarteilchen massemäßig überlegen. Es wurde an einem Beschleuniger des National Accelerator Laboratory entdeckt. Enrico Fermi in der Nähe von Chicago im Jahr 1995 und es wurde die über 180-fache Masse eines Protons gemessen. Warum sich das Top-Quark als ein solches Ungetüm entpuppte, das einem Punkt so ähnlich ist wie einem Elektron, ist noch immer ein Rätsel. Obwohl all diese zusätzlichen Materiegenerationen keine direkte Rolle in den normalen Angelegenheiten des Universums spielen, waren sie wahrscheinlich unmittelbar nach dem Urknall eine Schlüsselfigur ... Aber das ist eine andere Geschichte.

Auf Abb. 11.1 zeigt die rechte Spalte auch Wechselwirkungsträgerteilchen. Die Schwerkraft ist in der Tabelle nicht dargestellt. Der Versuch, die Berechnungen des Standardmodells auf die Gravitationstheorie zu übertragen, stößt auf gewisse Schwierigkeiten. Das Fehlen einiger wichtiger Eigenschaften, die für das Standardmodell charakteristisch sind, in der Quantentheorie der Gravitation erlaubt es nicht, dieselben Methoden dort anzuwenden. Wir behaupten nicht, dass es überhaupt nicht existiert; Die Stringtheorie ist ein Versuch, die Schwerkraft zu berücksichtigen, aber bisher war der Erfolg dieses Versuchs begrenzt. Da die Gravitation sehr schwach ist, spielt sie in Experimenten der Teilchenphysik keine nennenswerte Rolle, und aus diesem sehr pragmatischen Grund werden wir nicht mehr darüber sprechen. Im letzten Kapitel haben wir festgestellt, dass das Photon als Vermittler bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen dient und dieses Verhalten durch die neue Streuregel bestimmt wird. Partikel W Und Z Machen Sie dasselbe für die schwache Kraft, und Gluonen tragen die starke Kraft. Die Hauptunterschiede zwischen den Quantenbeschreibungen von Kräften sind darauf zurückzuführen, dass die Streuregeln unterschiedlich sind. Ja, so einfach ist (fast) alles, und einige der neuen Streuregeln haben wir in Abb. 11.2. Die Ähnlichkeit mit der Quantenelektrodynamik macht es einfach, die Funktionsweise der starken und schwachen Wechselwirkungen zu verstehen; wir müssen nur verstehen, was die Streuregeln für sie sind, danach können wir dieselben Feynman-Diagramme zeichnen, die wir im letzten Kapitel für die Quantenelektrodynamik angegeben haben. Glücklicherweise ist die Änderung der Streuregeln für die physische Welt sehr wichtig.

Reis. 11.2. Einige Streuregeln für starke und schwache Wechselwirkungen

Wenn wir ein Lehrbuch der Quantenphysik schreiben würden, könnten wir mit der Herleitung der Streuregeln für jede der in Abb. 11.2-Prozesse und für viele andere. Diese Regeln sind als Feynman-Regeln bekannt und würden Ihnen später – oder einem Computerprogramm – helfen, die Wahrscheinlichkeit dieses oder jenes Prozesses zu berechnen, wie wir es im Kapitel über Quantenelektrodynamik getan haben.

Diese Regeln spiegeln etwas sehr Wichtiges über unsere Welt wider, und es ist ein großes Glück, dass sie auf eine Reihe einfacher Bilder und Positionen reduziert werden können. Aber wir schreiben nicht wirklich ein Lehrbuch über Quantenphysik, also konzentrieren wir uns stattdessen auf das Diagramm oben rechts: es ist Streuregel besonders wichtig für das Leben auf der Erde. Es zeigt, wie ein Up-Quark in ein Down-Quark übergeht und emittiert W-Teilchen, und dieses Verhalten führt zu grandiosen Ergebnissen im Kern der Sonne.

Die Sonne ist ein gasförmiges Meer aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen mit einem Volumen von einer Million Erden. Dieses Meer bricht unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen. Eine unglaubliche Kompression erhitzt den Solarkern auf 15.000.000 ℃, und bei dieser Temperatur beginnen Protonen zu verschmelzen, um Heliumkerne zu bilden. Dadurch wird Energie freigesetzt, die den Druck auf die äußeren Ebenen des Sterns erhöht und die innere Schwerkraft ausgleicht.

Wir werden uns diesen prekären Gleichgewichtsabstand im Epilog genauer ansehen, aber jetzt wollen wir nur verstehen, was es bedeutet, „Protonen beginnen miteinander zu verschmelzen“. Es scheint einfach genug, aber der genaue Mechanismus einer solchen Verschmelzung im Sonnenkern war in den 1920er und 1930er Jahren eine Quelle ständiger wissenschaftlicher Debatten. Der britische Wissenschaftler Arthur Eddington schlug als erster vor, dass die Energiequelle der Sonne die Kernfusion sei, aber es wurde schnell entdeckt, dass die Temperatur zu niedrig zu sein schien, um diesen Prozess in Übereinstimmung mit den damals bekannten Gesetzen der Physik zu starten. Eddington behauptete sich jedoch. Seine Bemerkung ist bekannt: „Das Helium, mit dem wir es zu tun haben, muss irgendwann irgendwo entstanden sein. Wir argumentieren mit dem Kritiker nicht, dass die Sterne für diesen Prozess nicht heiß genug sind; Wir schlagen vor, dass er sich einen wärmeren Ort sucht.“

Das Problem ist, dass sich zwei sich schnell bewegende Protonen im Kern der Sonne durch elektromagnetische Wechselwirkung (oder in der Sprache der Quantenelektrodynamik durch den Austausch von Photonen) abstoßen, wenn sie sich annähern. Um zu verschmelzen, müssen sie bis zu einer fast vollständigen Überlappung konvergieren, und die Sonnenprotonen bewegen sich, wie Eddington und seine Kollegen sehr wohl wussten, nicht schnell genug (weil die Sonne nicht heiß genug ist), um die gegenseitige elektromagnetische Abstoßung zu überwinden. Der Rebus wird wie folgt aufgelöst: tritt in den Vordergrund W-Partikel und speichert die Situation. Bei einer Kollision kann sich eines der Protonen in ein Neutron verwandeln und eines seiner up-Quarks in ein down-Quark verwandeln, wie in der Abbildung der Streuregel in Abb. 11.2. Nun können das neu gebildete Neutron und das verbleibende Proton sehr eng zusammenkommen, da das Neutron keine elektrische Ladung trägt. In der Sprache der Quantenfeldtheorie bedeutet dies, dass der Austausch von Photonen, bei dem sich Neutron und Proton abstoßen würden, nicht stattfindet. Von der elektromagnetischen Abstoßung befreit, können Proton und Neutron (durch die starke Wechselwirkung) zu einem Deuteron verschmelzen, was schnell zur Bildung von Helium führt, das die Energie freisetzt, die einem Stern Leben verleiht. Dieser Vorgang ist in Abb. 11.3 und spiegelt die Tatsache wider, dass W-Teilchen nicht lange lebt und in ein Positron und ein Neutrino zerfällt - dies ist die Quelle der Neutrinos, die in solchen Mengen durch Ihren Körper fliegen. Eddingtons militante Verteidigung der Fusion als Quelle der Sonnenenergie war gerechtfertigt, obwohl er keine fertige Lösung hatte. W-ein Teilchen, das erklärt, was passiert, wurde am CERN mit entdeckt Z- Teilchen in den 1980er Jahren.

Reis. 11.3. Die Umwandlung eines Protons in ein Neutron im Rahmen der schwachen Wechselwirkung unter Emission eines Positrons und eines Neutrinos. Ohne diesen Prozess könnte die Sonne nicht scheinen

Wenden wir uns zum Abschluss unseres kurzen Rückblicks auf das Standardmodell der starken Kraft zu. Die Streuregeln sind so, dass nur Quarks in Gluonen übergehen können. Darüber hinaus ist es wahrscheinlicher, dass sie genau das tun als alles andere. Die Neigung zur Emission von Gluonen ist genau der Grund, warum die starke Kraft ihren Namen erhielt und warum die Streuung von Gluonen die elektromagnetische Abstoßungskraft überwinden kann, die ein positiv geladenes Proton dazu bringen würde, sich selbst zu zerstören. Glücklicherweise erstreckt sich die starke Kernkraft nur über eine kurze Distanz. Gluonen legen eine Strecke von maximal 1 Femtometer (10–15 m) zurück und zerfallen wieder. Der Grund, warum der Einfluss von Gluonen so begrenzt ist, insbesondere im Vergleich zu Photonen, die durch das gesamte Universum reisen können, liegt darin, dass Gluonen in andere Gluonen umgewandelt werden können, wie in den letzten beiden Diagrammen von Abb. 11.2. Dieser Trick der Gluonen unterscheidet im Wesentlichen die starke Wechselwirkung von der elektromagnetischen und beschränkt ihr Wirkungsfeld auf den Inhalt des Atomkerns. Photonen haben diese Art von Selbstübergang nicht, was gut ist, denn sonst könnten Sie nicht sehen, was vor Ihnen passiert, weil die Photonen, die auf Sie zufliegen, von denen abgestoßen würden, die sich entlang Ihrer Linie bewegen Sicht. Die Tatsache, dass wir überhaupt sehen können, ist eines der Wunder der Natur, das auch als deutliche Erinnerung daran dient, dass Photonen überhaupt kaum interagieren.

Wir haben weder erklärt, woher all diese neuen Regeln kommen, noch warum das Universum eine solche Gruppe von Teilchen enthält. Und dafür gibt es Gründe: Tatsächlich wissen wir auf keine dieser Fragen eine Antwort. Die Teilchen, aus denen unser Universum besteht – Elektronen, Neutrinos und Quarks – sind die Hauptakteure in dem kosmischen Drama, das sich vor unseren Augen abspielt, aber bisher haben wir keine überzeugenden Erklärungen dafür, warum die Besetzung so sein sollte.

Es ist jedoch wahr, dass wir bei einer gegebenen Liste von Teilchen teilweise vorhersagen können, wie sie miteinander interagieren, was durch die Streuregeln vorgeschrieben ist. Physiker haben die Streuregeln nicht aus dem Nichts aufgeschnappt: In allen Fällen werden sie auf der Grundlage vorhergesagt, dass die Theorie, die die Wechselwirkungen von Teilchen beschreibt, eine Quantenfeldtheorie mit einem Zusatz namens Eichinvarianz sein muss.

Eine Erörterung des Ursprungs der Streuregeln würde uns zu weit von der Hauptrichtung des Buches wegführen – aber wir wollen noch einmal wiederholen, dass die Grundgesetze sehr einfach sind: Das Universum besteht aus Teilchen, die sich bewegen und nach a Satz von Übergangs- und Streuregeln. Wir können diese Regeln verwenden, wenn wir die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass "etwas" los, das Addieren von Reihen von Ziffernblättern, wobei jedes Ziffernblatt auf jede Art und Weise entspricht, dass "etwas" könnte passieren .

Ursprung der Masse

Indem wir sagen, dass Teilchen sowohl von Punkt zu Punkt springen als auch streuen können, betreten wir den Bereich der Quantenfeldtheorie. Übergang und Zerstreuung ist praktisch alles, was sie tut. Allerdings haben wir die Masse bisher nicht erwähnt, weil wir beschlossen haben, das Interessanteste zum Schluss aufzuheben.

Die moderne Teilchenphysik ist aufgerufen, die Frage nach dem Ursprung der Masse zu beantworten und gibt ihr mit Hilfe eines schönen und erstaunlichen Zweiges der Physik ein neues Teilchen. Darüber hinaus ist es nicht nur in dem Sinne neu, dass wir ihm auf den Seiten dieses Buches noch nicht begegnet sind, sondern auch, weil ihm tatsächlich noch niemand auf der Erde „von Angesicht zu Angesicht“ begegnet ist. Dieses Teilchen wird Higgs-Boson genannt, und der LHC steht kurz davor, es zu finden. Im September 2011, als wir dieses Buch schreiben, wurde am LHC ein seltsames Objekt beobachtet, das dem Higgs-Boson ähnelt, aber bisher sind nicht genügend Ereignisse eingetreten, um zu entscheiden, ob dies der Fall ist oder nicht. Vielleicht waren dies nur interessante Signale, die bei weiterer Untersuchung verschwanden. Die Frage nach dem Ursprung der Masse ist insofern besonders bemerkenswert, als die Antwort darauf wertvoller ist als unser offensichtlicher Wunsch zu wissen, was Masse ist. Lassen Sie uns versuchen, diesen ziemlich mysteriösen und seltsam konstruierten Satz näher zu erklären.

Als wir über Photonen und Elektronen in der Quantenelektrodynamik gesprochen haben, haben wir für jedes von ihnen eine Übergangsregel eingeführt und festgestellt, dass diese Regeln unterschiedlich sind: für ein Elektron, das mit dem Übergang von einem Punkt verbunden ist ABER exakt IN Wir haben das Symbol verwendet P(A,B), und für die entsprechende Regel, die einem Photon zugeordnet ist, das Symbol L (A, B). Es ist an der Zeit zu überlegen, wie sehr sich die Regeln in diesen beiden Fällen unterscheiden. Der Unterschied besteht zum Beispiel darin, dass Elektronen in zwei Arten unterteilt werden (wie wir wissen, „drehen“ sie sich auf eine von zwei verschiedenen Arten) und Photonen in drei unterteilt werden, aber diese Unterscheidung wird uns jetzt nicht interessieren. Wir werden auf etwas anderes achten: Das Elektron hat Masse, aber das Photon nicht. Das werden wir erforschen.

Auf Abb. 11.4 zeigt eine der Möglichkeiten, wie wir die Ausbreitung eines Teilchens mit Masse darstellen können. Das Teilchen in der Abbildung springt von einem Punkt aus ABER exakt INüber mehrere Stufen. Sie geht von der Stelle ABER zu Punkt 1, von Punkt 1 zu Punkt 2 und so weiter, bis es schließlich von Punkt 6 zu Punkt kommt IN. Es ist jedoch interessant, dass in dieser Form die Regel für jeden Sprung die Regel für ein Teilchen mit Nullmasse ist, aber mit einer wichtigen Einschränkung: Jedes Mal, wenn das Teilchen die Richtung ändert, müssen wir eine neue Regel zum Verkürzen der Uhr anwenden, und der Betrag der Abnahme ist umgekehrt proportional zur Masse der beschriebenen Partikel. Das bedeutet, dass bei jedem Uhrenwechsel die Uhren der schweren Teilchen weniger stark abnehmen als die Uhren der leichteren Teilchen. Es ist wichtig zu betonen, dass diese Regel systemisch ist.

Reis. 11.4. Massives Teilchen, das sich von einem Punkt aus bewegt ABER exakt IN

Sowohl der Zickzack als auch das Schrumpfen der Uhr folgen ohne weitere Annahmen direkt aus Feynmans Regeln für die Ausbreitung eines massiven Teilchens. Auf Abb. 11.4 zeigt nur eine Möglichkeit für ein Teilchen, von einem Punkt aus zu treffen ABER exakt IN– nach sechs Drehungen und sechs Reduktionen. Um das endgültige Zifferblatt zu erhalten, das mit einem massiven Teilchen verbunden ist, das von einem Punkt ausgeht ABER exakt IN, müssen wir wie immer eine unendliche Anzahl von Zifferblättern zusammenzählen, die mit allen möglichen Wegen verbunden sind, auf denen das Teilchen von dem Punkt aus seine Zickzackbahn machen kann ABER exakt IN. Der einfachste Weg ist ein gerader Weg ohne Kurven, aber Sie müssen auch Routen mit vielen Kurven berücksichtigen.

Für masselose Teilchen ist der mit jeder Drehung verbundene Reduktionsfaktor tödlich, weil er unendlich ist. Mit anderen Worten, nach der ersten Umdrehung reduzieren wir das Zifferblatt auf Null. Für Teilchen ohne Masse zählt also nur der direkte Weg – andere Bahnen entsprechen einfach keinem Zifferblatt. Genau das haben wir erwartet: Für Teilchen ohne Masse können wir die Sprungregel anwenden. Für Partikel mit einer Masse ungleich Null sind Drehungen jedoch erlaubt, obwohl, wenn das Partikel sehr leicht ist, der Reduktionsfaktor Bahnen mit vielen Drehungen ein strenges Veto auferlegt.

Daher enthalten die wahrscheinlichsten Routen wenige Kurven. Umgekehrt sind schwere Partikel beim Wenden nicht mit einem zu großen Reduktionsfaktor konfrontiert, sodass sie häufiger durch Zickzackpfade beschrieben werden. Daher können wir davon ausgehen, dass schwere Teilchen als masselose Teilchen betrachtet werden können, die sich von einem Punkt aus bewegen ABER exakt IN Zickzack. Die Anzahl der Zickzacks ist das, was wir "Masse" nennen.

Das ist alles großartig, denn jetzt haben wir eine neue Art, massive Teilchen darzustellen. Auf Abb. 11.5 zeigt die Ausbreitung dreier verschiedener Teilchen mit zunehmender Masse von einem Punkt aus ABER exakt IN. In allen Fällen ist die mit jedem "Zickzack" ihres Weges verbundene Regel die gleiche wie die Regel für ein Teilchen ohne Masse, und für jede Umdrehung müssen Sie mit einer Abnahme des Zifferblatts bezahlen. Aber seien Sie nicht zu aufgeregt: Wir haben noch nichts Grundlegendes erklärt. Bisher wurde lediglich das Wort "Masse" durch die Worte "Tendenz zum Zickzack" ersetzt. Dies wäre möglich, weil beide Optionen mathematisch äquivalente Beschreibungen der Ausbreitung eines massiven Teilchens sind. Aber selbst mit solchen Einschränkungen erscheinen unsere Schlussfolgerungen interessant, und jetzt lernen wir, dass dies, wie sich herausstellt, nicht nur eine mathematische Kuriosität ist.

Reis. 11.5. Teilchen mit zunehmender Masse bewegen sich von einem Punkt aus ABER exakt IN. Je massiver das Teilchen ist, desto mehr Zickzackbewegungen hat es

Schneller Vorlauf zum Bereich der Spekulation – obwohl die Theorie bereits bestätigt sein könnte, wenn Sie dieses Buch lesen.

Derzeit finden am LHC Kollisionen von Protonen mit einer Gesamtenergie von 7 TeV statt. TeV ist Teraelektronenvolt, was der Energie entspricht, die ein Elektron hätte, wenn es eine Potentialdifferenz von 7.000.000 Millionen Volt durchdringen würde. Beachten Sie zum Vergleich, dass dies ungefähr die Energie ist, die subatomare Teilchen eine Billionstel Sekunde nach dem Urknall hatten, und diese Energie ausreicht, um direkt aus der Luft eine Masse zu erzeugen, die der Masse von 7000 Protonen entspricht (gemäß Einsteins Formel E=mc²). Und das ist nur die Hälfte der berechneten Energie: Bei Bedarf kann der LHC noch höhere Geschwindigkeiten einschalten.

Einer der Hauptgründe, warum sich 85 Länder auf der ganzen Welt zusammengeschlossen haben, um dieses gigantische, kühne Experiment zu schaffen und durchzuführen, ist der Wunsch, den Mechanismus zu finden, der für die Entstehung der Masse der Elementarteilchen verantwortlich ist. Die häufigste Vorstellung vom Ursprung der Masse ist in ihrer Verbindung mit Zickzackbewegungen und begründet ein neues Grundteilchen, an dem andere Teilchen bei ihrer Bewegung durch das Universum „anstoßen“. Dieses Teilchen ist das Higgs-Boson. Ohne das Higgs-Boson würden laut Standardmodell die Elementarteilchen ohne Zickzackbewegungen von Ort zu Ort springen, und das Universum wäre ganz anders. Aber wenn wir den leeren Raum mit Higgs-Partikeln füllen, können sie Partikel ablenken, wodurch sie im Zickzack laufen, was, wie wir bereits festgestellt haben, zum Auftreten von "Masse" führt. Es ist ein bisschen so, als würde man durch eine überfüllte Bar gehen: Man wird von links nach rechts geschoben und man läuft praktisch im Zickzack zur Bar.

Der Higgs-Mechanismus hat seinen Namen von dem Edinburgher Theoretiker Peter Higgs; Dieses Konzept wurde 1964 in die Teilchenphysik eingeführt. Die Idee lag offensichtlich in der Luft, denn sie wurde gleichzeitig von mehreren Personen geäußert: zum einen natürlich von Higgs selbst, sowie Robert Braut und Francois Engler, die in Brüssel tätig waren, und den Londonern Gerald Guralnik, Carl Hagan und Tom Kibble. Ihre Arbeit wiederum basierte auf den früheren Arbeiten vieler Vorgänger, darunter Werner Heisenberg, Yoichiro Nambu, Geoffrey Goldstone, Philip Anderson und Steven Weinberg. Volles Verständnis für diese Idee, für die 1979 Sheldon Glashow, Abdus Salam und Weinberg erhielten Nobelpreis, ist nichts anderes als das Standardmodell der Teilchenphysik. Die Idee selbst ist ganz einfach: Ein leerer Raum ist nicht wirklich leer, was zu einer Zickzackbewegung und dem Auftreten von Masse führt. Aber wir haben natürlich noch viel zu erklären. Wie kam es dazu, dass sich der leere Raum plötzlich mit Higgs-Teilchen füllte – hätten wir das nicht früher bemerkt? Und wie kam es überhaupt zu diesem merkwürdigen Zustand? Der Vorschlag erscheint in der Tat ziemlich extravagant. Außerdem haben wir nicht erklärt, warum einige Teilchen (zum Beispiel Photonen) keine Masse haben, während andere ( W Bosonen und Top-Quarks) haben eine Masse, die mit der eines Silber- oder Goldatoms vergleichbar ist.

Die zweite Frage ist zumindest auf den ersten Blick einfacher zu beantworten als die erste. Teilchen interagieren nur nach der Streuregel; Higgs-Partikel sind in dieser Hinsicht nicht anders. Die Streuregel für ein Top-Quark impliziert die Wahrscheinlichkeit, dass es mit einem Higgs-Teilchen verschmilzt, und die entsprechende Abnahme des Zifferblatts (denken Sie daran, dass es unter allen Streuregeln einen abnehmenden Faktor gibt) wird viel weniger signifikant sein als im Fall von leichter Quarks. Deshalb ist das Top-Quark so viel massiver als das Top-Quark. Dies erklärt jedoch natürlich nicht, warum die Streuregel genau das ist. IN moderne Wissenschaft Die Antwort auf diese Frage ist entmutigend: „Weil.“ Diese Frage ähnelt anderen: „Warum genau drei Generationen von Teilchen?“ und "Warum ist die Schwerkraft so schwach?" Ebenso gibt es keine Streuregel für Photonen, die es ihnen erlauben würden, sich mit Higgs-Teilchen zu paaren, und infolgedessen interagieren sie nicht mit ihnen. Dies wiederum führt dazu, dass sie nicht im Zickzack laufen und keine Masse haben. Obwohl wir sagen können, dass wir uns von der Verantwortung befreit haben, ist dies immer noch eine Erklärung. Und wenn der LHC helfen kann, Higgs-Bosonen zu entdecken und zu bestätigen, dass sie sich tatsächlich auf diese Weise mit anderen Teilchen paaren, dann können wir mit Sicherheit sagen, dass wir mit Sicherheit sagen können, dass wir einen erstaunlichen Weg gefunden haben, einen Blick in die Funktionsweise der Natur zu werfen.

Die erste unserer Fragen ist etwas schwieriger zu beantworten. Erinnern Sie sich, dass wir uns gefragt haben: Wie kam es, dass der leere Raum mit Higgs-Teilchen gefüllt war? Sagen wir zum Aufwärmen: Die Quantenphysik sagt, dass es keinen leeren Raum gibt. Was wir so nennen, ist ein brodelnder Strudel aus subatomaren Teilchen, aus dem es keine Möglichkeit gibt, sie loszuwerden. Vor diesem Hintergrund fühlen wir uns viel wohler mit der Vorstellung, dass der leere Raum voller Higgs-Teilchen sein könnte. Aber der Reihe nach.

Stellen Sie sich ein kleines Stück interstellaren Raum vor, eine einsame Ecke des Universums, Millionen von Lichtjahren von der nächsten Galaxie entfernt. Im Laufe der Zeit stellt sich heraus, dass Partikel ständig aus dem Nichts auftauchen und ins Nirgendwo verschwinden. Warum? Tatsache ist, dass die Regeln den Prozess der Erzeugung und Vernichtung eines Antiteilchen-Teilchens erlauben. Ein Beispiel finden Sie im unteren Diagramm von Abb. 10.5: Stellen Sie sich vor, dass darauf nichts als eine elektronische Schleife ist. Nun entspricht das Diagramm dem plötzlichen Erscheinen und anschließenden Verschwinden eines Elektron-Positron-Paares. Da das Ziehen der Schleife gegen keine der Regeln der Quantenelektrodynamik verstößt, müssen wir erkennen, dass dies eine reale Möglichkeit ist: Denken Sie daran, dass alles, was passieren kann, passiert. Diese besondere Gelegenheit ist nur eine davon eine unendliche Zahl Optionen für das wilde Leben im leeren Weltraum, und da wir in einem Quantenuniversum leben, ist es richtig, all diese Wahrscheinlichkeiten zusammenzufassen. Mit anderen Worten, die Struktur des Vakuums ist unglaublich reich und besteht aus allen möglichen Arten, wie Teilchen erscheinen und verschwinden.

Im letzten Absatz haben wir erwähnt, dass das Vakuum nicht so leer ist, aber das Bild seiner Existenz sieht ziemlich demokratisch aus: Alle Elementarteilchen spielen ihre Rolle. Was macht das Higgs-Boson so besonders? Wäre das Vakuum nur ein brodelnder Nährboden für die Entstehung und Vernichtung von Antimaterie-Materie-Paaren, dann hätten alle Elementarteilchen weiterhin Nullmasse: Quantenschleifen selbst erzeugen keine Masse. Nein, Sie müssen das Vakuum mit etwas anderem füllen, und da kommt eine ganze Wagenladung Higgs-Teilchen ins Spiel. Peter Higgs ging einfach davon aus, dass der leere Raum voller Teilchen ist, ohne sich gezwungen zu fühlen, in tiefe Erklärungen zu gehen, warum das so ist. Higgs-Partikel in einem Vakuum erzeugen einen Zickzack-Mechanismus und interagieren ständig ohne Pause mit jedem massiven Partikel im Universum, verlangsamen selektiv ihre Bewegung und erzeugen Masse. Das Gesamtergebnis der Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und einem mit Higgs-Teilchen gefüllten Vakuum ist, dass die formlose Welt vielfältig und großartig wird, bewohnt von Sternen, Galaxien und Menschen.

Natürlich stellt sich eine neue Frage: Woher kamen die Higgs-Bosonen überhaupt? Die Antwort ist noch unbekannt, aber es wird angenommen, dass es sich um die Überreste des sogenannten Phasenübergangs handelt, der kurz nach dem Urknall stattfand. Wenn Sie an einem Winterabend, wenn es kälter wird, lange genug auf eine Fensterscheibe starren, sehen Sie die strukturierte Perfektion von Eiskristallen wie von Zauberhand aus dem Wasserdampf der Nachtluft aufsteigen. Der Übergang von Wasserdampf zu Eis auf kaltem Glas ist ein Phasenübergang, bei dem sich die Wassermoleküle in Eiskristalle umwandeln; Dies ist ein spontaner Bruch der Symmetrie einer formlosen Dampfwolke aufgrund einer Temperaturabnahme. Eiskristalle bilden sich, weil es energetisch günstig ist. Wie ein Ball einen Berg hinunterrollt, um darunter einen niedrigeren Energiezustand zu erreichen, wie sich Elektronen um Atomkerne neu anordnen, um die Bindungen zu bilden, die Moleküle zusammenhalten, so ist die gemeißelte Schönheit einer Schneeflocke eine energieärmere Konfiguration von Wassermolekülen als eine formlose Dampfwolke.

Wir glauben, dass etwas Ähnliches am Anfang der Geschichte des Universums passiert ist. Das neugeborene Universum bestand zunächst aus heißen Gasteilchen, dann expandierte und kühlte es ab, und es stellte sich heraus, dass sich das Vakuum ohne Higgs-Bosonen als energetisch ungünstig herausstellte und der Vakuumzustand voller Higgs-Teilchen natürlich wurde. Dieser Vorgang ähnelt in der Tat der Kondensation von Wasser zu Tropfen oder Eis auf kaltem Glas. Die spontane Bildung von Wassertropfen, die auf kaltem Glas kondensieren, erwecken den Eindruck, als wären sie einfach „aus dem Nichts“ entstanden. So ist es auch mit den Higgs-Bosonen: In den heißen Stadien unmittelbar nach dem Urknall brodelte das Vakuum mit flüchtigen Quantenfluktuationen (dargestellt durch Schleifen in unseren Feynman-Diagrammen): Teilchen und Antiteilchen tauchten aus dem Nichts auf und verschwanden wieder ins Nichts. Doch dann, als das Universum abkühlte, passierte etwas Drastisches: Plötzlich, wie aus dem Nichts, wie ein Wassertropfen auf Glas, verband sich ein „Kondensat“ aus Higgs-Teilchen, die zunächst durch Wechselwirkung zusammengehalten wurden, zu einem kurzlebigen Teilchen Suspension, durch die sich andere Partikel ausbreiteten.

Die Idee, dass das Vakuum mit Materie gefüllt ist, legt nahe, dass wir, wie alles andere im Universum, in einem riesigen Kondensat leben, das beim Abkühlen des Universums entstanden ist, so wie es der Morgentau in der Morgendämmerung tut. Damit wir nicht glauben, dass das Vakuum nur durch die Kondensation von Higgs-Bosonen Inhalt bekommen hat, weisen wir darauf hin, dass es nicht nur sie im Vakuum gibt. Als das Universum weiter abkühlte, kondensierten auch Quarks und Gluonen, und es stellte sich nicht überraschend heraus, dass Quarks und Gluonen kondensierten. Die Existenz dieser beiden ist experimentell gut belegt, und sie spielen eine sehr wichtige Rolle für unser Verständnis der starken Kernkraft. Tatsächlich entstand aufgrund dieser Kondensation der größte Teil der Masse an Protonen und Neutronen. Das Higgs-Vakuum hat also letztendlich die Massen von Elementarteilchen erzeugt, die wir beobachten - Quarks, Elektronen, Tau, W- Und Z-Partikel. Quarkkondensat kommt ins Spiel, wenn es darum geht zu erklären, was passiert, wenn sich viele Quarks zu einem Proton oder Neutron verbinden. Interessanterweise ist der Higgs-Mechanismus für die Erklärung der Massen von Protonen, Neutronen und schweren Atomkernen von relativ geringem Wert, für die Erklärung der Massen W- Und Z-Partikel ist es sehr wichtig. Für sie würden Quark- und Gluon-Kondensate in Abwesenheit des Higgs-Teilchens eine Masse von etwa 1 GeV erzeugen, aber die experimentell erhaltenen Massen dieser Teilchen sind etwa 100-mal höher. LHC wurde für den Betrieb in der Energiezone entwickelt W- Und Z-Teilchen, um herauszufinden, welcher Mechanismus für ihre relativ große Masse verantwortlich ist. Um was für einen Mechanismus es sich handelt – das lang erwartete Higgs-Boson oder etwas, an das niemand hätte denken können – erst die Zeit und Teilchenkollisionen werden zeigen.

Lassen Sie uns die Argumentation mit einigen erstaunlichen Zahlen verwässern: Die Energie, die in 1 m3 leerem Raum als Ergebnis der Kondensation von Quarks und Gluonen enthalten ist, beträgt unglaubliche 1035 Joule, und die Energie, die sich aus der Kondensation von Higgs-Teilchen ergibt, ist noch einmal 100-mal höher. Zusammen entsprechen sie der Energiemenge, die unsere Sonne in 1000 Jahren produziert. Genauer gesagt handelt es sich um eine „negative“ Energie, da sich das Vakuum in einem niedrigeren Bereich befindet Energiezustand als das Universum, das keine Teilchen enthält. Negative Energie ist die Bindungsenergie, die mit der Bildung von Kondensaten einhergeht und an sich keineswegs mysteriös ist. Es ist nicht überraschender als die Tatsache, dass es Energie kostet, Wasser zu kochen (und den Phasenübergang von Dampf zu Flüssigkeit umzukehren).

Aber es gibt noch ein Rätsel: Eine so hohe negative Energiedichte pro Quadratmeter leeren Raums sollte eigentlich eine solche Verwüstung über das Universum bringen, dass weder Sterne noch Menschen erscheinen würden. Kurz nach dem Urknall würde das Universum buchstäblich auseinanderfliegen. Das würde passieren, wenn wir die Vorhersagen der Vakuumkondensation aus der Teilchenphysik nehmen und sie direkt zu Einsteins Gravitationsgleichungen hinzufügen und sie auf das gesamte Universum anwenden würden. Dieses fiese Rätsel ist als das Problem der kosmologischen Konstante bekannt. Tatsächlich ist dies eines der zentralen Probleme der Grundlagenphysik. Sie erinnert uns daran, dass man sehr vorsichtig sein muss, wenn man behauptet, ein vollständiges Verständnis der Natur des Vakuums und/oder der Schwerkraft zu haben. Bis wir etwas sehr Grundlegendes verstehen.

Mit diesem Satz beenden wir die Geschichte, weil wir die Grenzen unseres Wissens erreicht haben. Die Zone des Bekannten ist nicht das, womit der Forscher arbeitet. Die Quantentheorie hat, wie wir am Anfang des Buches bemerkten, den Ruf, kompliziert und ehrlich gesagt seltsam zu sein, weil sie fast jedes Verhalten materieller Teilchen zulässt. Aber alles, was wir beschrieben haben, mit Ausnahme dieses letzten Kapitels, ist bekannt und gut verstanden. Folgen nicht gesunder Menschenverstand, und Beweise, kamen wir zu einer Theorie, die beschreiben kann große Menge Phänomene - von der Strahlung heißer Atome bis zur Kernfusion in Sternen. Praktischer Nutzen Diese Theorie führte zum wichtigsten technologischen Durchbruch des 20. Jahrhunderts - dem Aufkommen des Transistors, und die Funktionsweise dieses Geräts wäre ohne einen Quantenansatz für die Welt völlig unverständlich.

Aber die Quantentheorie ist viel mehr als nur ein Triumph der Erklärung. Als Ergebnis der Zwangsheirat zwischen Quantentheorie und Relativitätstheorie erschien Antimaterie als theoretische Notwendigkeit, die dann tatsächlich entdeckt wurde. Der Spin, die grundlegende Eigenschaft subatomarer Teilchen, die der Stabilität von Atomen zugrunde liegt, war ursprünglich auch eine theoretische Vorhersage, die für die Stabilität der Theorie erforderlich war. Und jetzt, im zweiten Quantenjahrhundert, macht sich der Large Hadron Collider auf den Weg ins Unbekannte, um das Vakuum selbst zu erforschen. Das ist es wissenschaftlicher Fortschritt: die ständige und sorgfältige Erstellung einer Reihe von Erklärungen und Vorhersagen, die letztendlich unser Leben verändern. Das unterscheidet die Wissenschaft von allem anderen. Wissenschaft ist nicht nur eine andere Sichtweise, sie spiegelt eine Realität wider, die selbst mit der verdrehtesten und surrealsten Vorstellungskraft schwer vorstellbar wäre. Wissenschaft ist das Studium der Realität, und wenn die Realität surreal ist, dann ist sie es. Die Quantentheorie ist das beste Beispiel für die Macht der wissenschaftlichen Methode. Niemand hätte ohne die sorgfältigsten und detailliertesten Experimente darauf kommen können, und die theoretischen Physiker, die es geschaffen haben, waren in der Lage, ihre tief sitzenden bequemen Vorstellungen über die Welt beiseite zu legen, um die ihnen vorliegenden Beweise zu erklären. Vielleicht ist das Mysterium der Vakuumenergie ein Aufruf zu einer neuen Quantenreise; vielleicht liefert der LHC neue und unerklärliche Daten; Vielleicht stellt sich heraus, dass alles, was in diesem Buch enthalten ist, nur eine Annäherung an ein viel tieferes Bild ist - eine erstaunliche Reise zum Verständnis unseres Quantenuniversums geht weiter.

Als wir gerade über dieses Buch nachgedacht haben, haben wir eine Weile darüber gestritten, wie wir es fertigstellen sollen. Ich wollte ein Spiegelbild der intellektuellen und praktischen Kraft der Quantentheorie finden, das selbst den skeptischsten Leser davon überzeugen würde, dass die Wissenschaft wirklich bis ins kleinste Detail widerspiegelt, was in der Welt passiert. Wir waren uns beide einig, dass eine solche Reflexion existiert, obwohl sie ein gewisses Verständnis der Algebra erfordert. Wir haben unser Bestes versucht, zu argumentieren, ohne die Gleichungen sorgfältig zu berücksichtigen, aber es gibt hier keine Möglichkeit, dies zu vermeiden, also geben wir zumindest eine Warnung. Unser Buch endet hier also, auch wenn Sie sich wünschen, Sie hätten mehr. Im Epilog - die unserer Meinung nach überzeugendste Demonstration der Macht der Quantentheorie. Viel Glück - und allzeit gute Fahrt.

Epilog: Tod der Sterne

Wenn sie sterben, enden viele Sterne als superdichte Kugeln aus nuklearer Materie, die mit vielen Elektronen verschlungen ist. Das sind die sogenannten Weißen Zwerge. Dies wird das Schicksal unserer Sonne sein, wenn ihr in etwa 5 Milliarden Jahren der Kernbrennstoff ausgeht, und das Schicksal von sogar mehr als 95 % der Sterne in unserer Galaxie. Mit nur Stift, Papier und etwas Kopf kann man die größtmögliche Masse solcher Sterne berechnen. Diese Berechnungen, die erstmals 1930 von Subramanyan Chandrasekhar unter Verwendung von Quantentheorie und Relativitätstheorie durchgeführt wurden, machten zwei klare Vorhersagen. Erstens war es eine Vorhersage der Existenz von Weißen Zwergen – Materiekugeln, die nach dem Pauli-Prinzip durch die Kraft ihrer eigenen Schwerkraft vor der Zerstörung bewahrt werden. Zweitens, wenn wir von einem Blatt Papier mit allerlei theoretischem Gekritzel wegsehen und in den Nachthimmel blicken, wir noch nie Wir werden keinen Weißen Zwerg mit einer Masse sehen, die mehr als das 1,4-fache der Masse unserer Sonne wäre. Beide Annahmen sind unglaublich gewagt.

Heute haben Astronomen bereits etwa 10.000 Weiße Zwerge katalogisiert. Die meisten von ihnen haben eine Masse von ungefähr 0,6 Sonnenmassen, und die größte aufgezeichnete ist ein bisschen weniger 1,4 Sonnenmassen. Diese Zahl, 1,4, zeugt vom Siegeszug der wissenschaftlichen Methode. Es stützt sich auf ein Verständnis der Kernphysik, Quantenphysik und Einsteins spezielle Relativitätstheorie - drei Säulen der Physik des 20. Jahrhunderts. Ihre Berechnung erfordert auch die fundamentalen Naturkonstanten, denen wir in diesem Buch bereits begegnet sind. Am Ende des Epilogs werden wir feststellen, dass die maximale Masse durch das Verhältnis bestimmt wird

Schauen Sie sich genau an, was wir geschrieben haben: Das Ergebnis hängt davon ab Plancksche Konstante, Lichtgeschwindigkeit, Newtons Gravitationskonstante und Protonenmasse. Es ist erstaunlich, dass wir die größte Masse eines sterbenden Sterns mithilfe einer Kombination von Fundamentalkonstanten vorhersagen können. Die in der Gleichung ( hc/G)½ wird als Planck-Masse bezeichnet, und wenn man die Zahlen einsetzt, stellt sich heraus, dass sie etwa 55 μg entspricht, also der Masse eines Sandkorns. Seltsamerweise wird die Chandrasekhar-Grenze daher mit zwei Massen berechnet - einem Sandkorn und einem Proton. Aus solchen vernachlässigbaren Größen wird eine neue Grundeinheit der Masse des Universums gebildet - die Masse eines sterbenden Sterns. Wir können ausführlich erklären, wie die Chandrasekhar-Grenze erhalten wird, aber stattdessen werden wir etwas weiter gehen: Wir werden die eigentlichen Berechnungen beschreiben, da sie den faszinierendsten Teil des Prozesses darstellen. Wir werden kein genaues Ergebnis erhalten (1,4 Sonnenmassen), aber wir werden uns ihm nähern und sehen, wie professionelle Physiker durch eine Abfolge sorgfältig überlegter logischer Schritte tiefgreifende Schlussfolgerungen ziehen, wobei sie sich ständig auf wohlbekannte physikalische Prinzipien beziehen. Zu keinem Zeitpunkt müssen Sie uns beim Wort nehmen. Mit kühlem Kopf nähern wir uns langsam und unaufhaltsam erstaunlichen Schlussfolgerungen.

Beginnen wir mit der Frage: Was ist ein Stern? Das kann man fast fehlerfrei sagen sichtbares Universum besteht aus Wasserstoff und Helium, die beiden am meisten einfache Elemente entstand in den ersten Minuten nach dem Urknall. Nach etwa einer halben Milliarde Jahren Expansion ist das Universum so kalt geworden, dass dichtere Regionen in Gaswolken beginnen, sich unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzuballen. Dies waren die ersten Ansätze von Galaxien, und in ihnen, um die kleineren "Klumpen", begannen sich die ersten Sterne zu bilden.

Das Gas in diesen Prototypsternen wurde heißer, als sie zusammenbrachen, wie jeder mit einer Fahrradpumpe weiß: Gas erwärmt sich, wenn es komprimiert wird. Wenn das Gas eine Temperatur von etwa 100.000℃ erreicht, können die Elektronen nicht mehr in Umlaufbahnen um Wasserstoff- und Heliumkerne gehalten werden, und die Atome zerfallen und bilden ein heißes Plasma aus Kernen und Elektronen. Das heiße Gas versucht sich auszudehnen und widersteht einem weiteren Zusammenbruch, aber mit genügend Masse übernimmt die Schwerkraft.

Da Protonen eine positive elektrische Ladung haben, stoßen sie sich gegenseitig ab. Aber der Gravitationskollaps gewinnt an Dynamik, die Temperatur steigt weiter und die Protonen beginnen, sich immer schneller zu bewegen. Im Laufe der Zeit werden sich die Protonen bei einer Temperatur von mehreren Millionen Grad so schnell wie möglich bewegen und sich so annähern, dass die schwache Kernkraft überwiegt. Dabei können die beiden Protonen miteinander reagieren: Eines von ihnen wird spontan zu einem Neutron, das gleichzeitig ein Positron und ein Neutrino emittiert (genau wie in Abb. 11.3). Von der elektrischen Abstoßungskraft befreit, verschmelzen Proton und Neutron durch eine starke Kernwechselwirkung zu einem Deuteron. Dabei wird enorm viel Energie freigesetzt, denn wie bei der Bildung eines Wasserstoffmoleküls setzt auch die Bindung von etwas Energie frei.

Eine einzelne Protonenfusion setzt nach alltäglichen Maßstäben sehr wenig Energie frei. Eine Million Protonenpaare verschmelzen miteinander, um in einer Nanosekunde eine Energie zu erzeugen, die der kinetischen Energie einer fliegenden Mücke oder der Energie einer 100-Watt-Glühbirne entspricht. Aber auf atomarer Ebene ist das eine gigantische Menge; Denken Sie auch daran, dass wir über den dichten Kern einer kollabierenden Gaswolke sprechen, in der die Anzahl der Protonen pro 1 cm³ 1026 erreicht. Wenn alle Protonen in einem Kubikzentimeter zu Deuteronen verschmelzen, werden 10¹³ Joule Energie freigesetzt - genug um den jährlichen Bedarf einer kleinen Stadt zu decken.

Die Verschmelzung zweier Protonen zu einem Deuteron ist der Beginn der ungezügeltsten Verschmelzung. Dieses Deuteron selbst versucht, mit einem dritten Proton zu fusionieren, wodurch ein leichteres Isotop von Helium (Helium-3) gebildet wird und ein Photon emittiert wird, und diese Heliumkerne paaren sich dann und verschmelzen unter Emission von zwei Protonen zu gewöhnlichem Helium (Helium-4). . In jeder Stufe der Synthese wird mehr und mehr Energie freigesetzt. Darüber hinaus verschmilzt das Positron, das ganz am Anfang der Transformationskette auftaucht, auch schnell mit einem Elektron im umgebenden Plasma und bildet ein Photonenpaar. All diese freigesetzte Energie wird in ein heißes Gas aus Photonen, Elektronen und Kernen geleitet, das der Kompression der Materie widersteht und den Gravitationskollaps stoppt. Das ist der Stern: Kernfusion verbrennt den Kernbrennstoff im Inneren und erzeugt einen äußeren Druck, der den Stern stabilisiert und verhindert, dass es zu einem Gravitationskollaps kommt.

Natürlich, sobald der Brennstoff Wasserstoff zur Neige geht, denn seine Menge ist endlich. Wenn die Energie nicht mehr freigesetzt wird, hört der äußere Druck auf, die Schwerkraft kommt wieder zur Geltung und der Stern setzt seinen verzögerten Kollaps fort. Wenn ein Stern massereich genug ist, kann sich sein Kern auf etwa 100.000.000℃ erwärmen. In diesem Stadium entzündet sich Helium – ein Nebenprodukt der Wasserstoffverbrennung – und beginnt mit seiner Fusion, wodurch Kohlenstoff und Sauerstoff entstehen, und der Gravitationskollaps hört wieder auf.

Aber was passiert, wenn der Stern nicht massereich genug ist, um die Heliumfusion zu starten? Bei Sternen, die weniger als die Hälfte der Masse unserer Sonne haben, passiert etwas sehr Überraschendes. Wenn sich der Stern zusammenzieht, erwärmt er sich, aber noch bevor der Kern 100.000.000℃ erreicht, stoppt etwas den Kollaps. Dieses Etwas ist der Druck von Elektronen, die das Pauli-Prinzip respektieren. Wie wir bereits wissen, ist das Pauli-Prinzip von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie Atome stabil bleiben. Es liegt den Eigenschaften der Materie zugrunde. Und hier ist ein weiterer Vorteil davon: Es erklärt die Existenz kompakter Sterne, die weiter existieren, obwohl sie bereits den gesamten Kernbrennstoff ausgearbeitet haben. Wie funktioniert es?

Wenn sich ein Stern zusammenzieht, beginnen die Elektronen darin, ein kleineres Volumen einzunehmen. Wir können das Elektron eines Sterns durch seinen Impuls darstellen P, wodurch es mit der de Broglie-Wellenlänge in Verbindung gebracht wird, h/p. Denken Sie daran, dass ein Teilchen nur durch ein Wellenpaket beschrieben werden kann, das mindestens so groß ist wie die ihm zugeordnete Wellenlänge. Das heißt, wenn der Stern ausreichend dicht ist, müssen sich die Elektronen überlappen, dh sie können nicht als durch isolierte Wellenpakete beschrieben angesehen werden. Das wiederum bedeutet, dass die Effekte der Quantenmechanik, insbesondere das Pauli-Prinzip, für die Beschreibung von Elektronen wichtig sind. Die Elektronen kondensieren, bis zwei Elektronen vorgeben, dieselbe Position einzunehmen, und das Pauli-Prinzip besagt, dass Elektronen dies nicht können. So und hinein sterbender Stern Elektronen vermeiden einander, was dazu beiträgt, einen weiteren Gravitationskollaps zu beseitigen.

Das ist das Schicksal leichterer Sterne. Und was passiert mit der Sonne und anderen Sternen ähnlicher Masse? Wir haben sie vor ein paar Absätzen verlassen, als wir Helium in Kohlenstoff und Wasserstoff verbrannt haben. Was passiert, wenn auch das Helium ausgeht? Auch sie müssen unter der Wirkung ihrer eigenen Schwerkraft zu schrumpfen beginnen, dh die Elektronen werden kondensiert. Und das Pauli-Prinzip wird, wie bei leichteren Sternen, schließlich eingreifen und den Kollaps stoppen. Aber für die massereichsten Sterne ist selbst das Pauli-Prinzip nicht allmächtig. Wenn sich der Stern zusammenzieht und die Elektronen kondensieren, erwärmt sich der Kern und die Elektronen beginnen, sich immer schneller zu bewegen. In ausreichend schweren Sternen nähern sich Elektronen der Lichtgeschwindigkeit, woraufhin etwas Neues passiert. Wenn die Elektronen anfangen, sich mit einer solchen Geschwindigkeit zu bewegen, nimmt der Druck ab, den die Elektronen entwickeln können, um der Schwerkraft zu widerstehen, und sie können dieses Problem nicht mehr lösen. Sie können einfach nicht mehr gegen die Schwerkraft ankämpfen und den Kollaps stoppen. Unsere Aufgabe in diesem Kapitel ist es, zu berechnen, wann dies geschehen wird, und wir haben bereits die interessantesten behandelt. Wenn die Masse des Sterns 1,4-mal oder mehr größer ist als die Masse der Sonne, werden die Elektronen besiegt und die Schwerkraft gewinnt.

Damit endet die Überprüfung, die als Grundlage unserer Berechnungen dienen wird. Jetzt können wir weitermachen und die Kernfusion vergessen, denn brennende Sterne liegen außerhalb des Bereichs unserer Interessen. Wir werden versuchen zu verstehen, was in den toten Sternen vor sich geht. Wir werden versuchen zu verstehen, wie der Quantendruck kondensierter Elektronen die Schwerkraft ausgleicht und wie dieser Druck abnimmt, wenn sich die Elektronen zu schnell bewegen. Daher ist die Essenz unserer Forschung die Konfrontation zwischen Gravitation und Quantendruck.

Auch wenn das alles für spätere Berechnungen nicht so wichtig ist, können wir nicht alles bei uns lassen. interessanter Ort. Wenn ein massereicher Stern kollabiert, bleiben ihm zwei Szenarien. Wenn es nicht zu schwer ist, komprimiert es weiterhin Protonen und Elektronen, bis sie zu Neutronen synthetisiert werden. So verwandeln sich ein Proton und ein Elektron spontan in ein Neutron unter Emission eines Neutrinos, wiederum aufgrund der schwachen Kernkraft. Auf ähnliche Weise verwandelt sich der Stern unaufhaltsam in eine kleine Neutronenkugel. Laut dem russischen Physiker Lev Landau wird der Stern zu „einem riesigen Kern“. Landau schrieb dies 1932 in seinem Aufsatz On the Theory of Stars, der im selben Monat gedruckt wurde, in dem James Chadwick das Neutron entdeckte. Es wäre wahrscheinlich zu kühn zu sagen, dass Landau die Existenz von Neutronensternen vorhergesagt hat, aber er hat sicherlich etwas Ähnliches vorausgesehen, und zwar mit großer Voraussicht. Vielleicht sollte Walter Baade und Fritz Zwicky Priorität eingeräumt werden, die 1933 schrieben: „Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass Supernovae einen Übergang von gewöhnlichen Sternen zu Neutronensterne, die im Endstadium ihrer Existenz aus extrem dicht gepackten Neutronen bestehen.

Diese Idee erschien so lächerlich, dass sie in der Los Angeles Times parodiert wurde (siehe Abbildung 12.1), und Neutronensterne blieben bis Mitte der 1960er Jahre eine theoretische Kuriosität.

1965 fanden Anthony Hewish und Samuel Okoye "Beweise für eine ungewöhnliche Quelle von Hochtemperatur-Radiohelligkeit im Krebsnebel", obwohl sie die Quelle nicht als Neutronenstern identifizieren konnten. Die Identifizierung erfolgte 1967 dank Iosif Shklovsky und bald, nach eingehenderer Recherche, dank Jocelyn Bell und demselben Hewish. Das erste Beispiel für eines der exotischsten Objekte im Universum heißt Hewish-Pulsar - Okoye. Interessanterweise wurde dieselbe Supernova, die den Hewish-Okoye-Pulsar hervorbrachte, 1000 Jahre zuvor von Astronomen gesehen. Die Große Supernova von 1054, die hellste in der aufgezeichneten Geschichte, wurde von chinesischen Astronomen und, wie aus der berühmten Felsmalerei bekannt ist, von den Bewohnern des Chaco Canyon im Südwesten der Vereinigten Staaten beobachtet.

Wir haben noch nicht darüber gesprochen, wie diese Neutronen es schaffen, der Schwerkraft zu widerstehen und einen weiteren Zusammenbruch zu verhindern, aber vielleicht können Sie selbst erraten, warum dies geschieht. Neutronen (wie Elektronen) sind Sklaven des Pauli-Prinzips. Auch sie können den Kollaps aufhalten, und Neutronensterne sind wie Weiße Zwerge eine der Optionen für das Lebensende eines Sterns. Neutronensterne, eigentlich ein Exkurs von unserer Geschichte, aber wir kommen nicht umhin anzumerken, dass dies ganz besondere Objekte in unserem großartigen Universum sind: Sie sind stadtgroße Sterne, so dicht, dass ein Teelöffel ihrer Substanz wie ein irdischer Berg wiegt, und das tun sie nicht nur aufgrund der natürlichen "Feindlichkeit" von Teilchen gleichen Spins zueinander zerfallen.

Für die massereichsten Sterne im Universum gibt es nur eine Möglichkeit. In diesen Sternen bewegen sich sogar Neutronen mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit. Solchen Sternen droht eine Katastrophe, weil Neutronen nicht genug Druck aufbauen können, um der Schwerkraft zu widerstehen. Bis der physikalische Mechanismus bekannt ist, der verhindert, dass der Kern eines Sterns, der etwa die dreifache Masse der Sonne hat, auf sich selbst fällt, und das Ergebnis ein Schwarzes Loch ist: ein Ort, an dem alle uns bekannten Gesetze der Physik gelten sind storniert. Es wird davon ausgegangen, dass die Naturgesetze weiterhin gelten, aber um das Innenleben eines Schwarzen Lochs vollständig zu verstehen, bedarf es einer Quantentheorie der Gravitation, die es noch nicht gibt.

Es ist jedoch an der Zeit, zum Kern der Sache zurückzukehren und uns auf unseren doppelten Zweck zu konzentrieren, die Existenz von Weißen Zwergen zu beweisen und die Chandrasekhar-Grenze zu berechnen. Wir wissen, was zu tun ist: Es ist notwendig, die Schwerkraft und den Druck der Elektronen auszugleichen. Solche Berechnungen können nicht im Kopf durchgeführt werden, daher lohnt es sich, einen Aktionsplan aufzustellen. Also hier ist der Plan; Es ist ziemlich lang, weil wir zuerst einige kleinere Details klären und die Bühne für die eigentlichen Berechnungen bereiten wollen.

Schritt 1: Wir müssen den Druck innerhalb des Sterns bestimmen, der von hochkomprimierten Elektronen ausgeübt wird. Sie fragen sich vielleicht, warum wir anderen Teilchen innerhalb eines Sterns keine Aufmerksamkeit schenken: Was ist mit Kernen und Photonen? Photonen gehorchen nicht dem Pauli-Prinzip, also werden sie den Stern mit der Zeit trotzdem verlassen. Im Kampf gegen die Schwerkraft sind sie keine Helfer. Was Kerne betrifft, gehorchen Kerne mit halbzahligem Spin dem Pauli-Prinzip, aber (wie wir sehen werden) üben sie, weil sie mehr Masse haben, weniger Druck aus als Elektronen, und ihr Beitrag zum Kampf gegen die Schwerkraft kann getrost ignoriert werden. Das vereinfacht die Aufgabe enorm: Alles, was wir brauchen, ist der Elektronendruck. Beruhigen wir uns darauf.

Schritt 2: Nachdem wir den Elektronendruck berechnet haben, müssen wir uns mit Fragen des Gleichgewichts befassen. Es ist möglicherweise nicht klar, was als nächstes zu tun ist. Es ist eine Sache zu sagen, dass „die Schwerkraft drückt, und Elektronen widerstehen diesem Druck“, es ist eine ganz andere, mit Zahlen zu operieren. Der Druck im Inneren des Sterns variiert: Er wird in der Mitte größer und an der Oberfläche geringer sein. Das Vorhandensein von Druckabfällen ist sehr wichtig. Stellen Sie sich einen Würfel aus Sternmaterie vor, der sich irgendwo im Inneren des Sterns befindet, wie in Abb. 12.2. Die Schwerkraft wird den Würfel zum Zentrum des Sterns schieben, und wir müssen herausfinden, wie der Elektronendruck dem entgegenwirken wird. Der Druck der Elektronen im Gas übt eine Wirkung auf jede der sechs Flächen des Würfels aus, und diese Wirkung ist gleich dem Druck auf die Fläche multipliziert mit der Fläche dieser Fläche. Diese Aussage ist zutreffend. Vorher haben wir das Wort „Druck“ verwendet, vorausgesetzt wir haben ein ausreichendes intuitives Verständnis dafür, dass das Gas an hoher Druck"drückt" mehr als bei niedrig. Eigentlich kennt das jeder, der schon einmal einen geplatzten Autoreifen mit einer Pumpe aufgepumpt hat.

Reis. 12.2. Ein kleiner Würfel irgendwo in der Mitte des Sterns. Die Pfeile zeigen die Kraft, die von den Elektronen im Stern auf den Würfel wirkt

Da wir die Natur des Drucks richtig verstehen müssen, machen wir einen kurzen Streifzug in vertrauteres Gebiet. Nehmen wir das Beispiel eines Reifens. Ein Physiker würde sagen, der Reifen hat Luft verloren, weil der Luftdruck im Inneren nicht ausreicht, um das Gewicht des Autos zu tragen, ohne den Reifen zu verformen, weshalb wir Physiker geschätzt werden. Wir können darüber hinausgehen und berechnen, wie hoch der Reifendruck für ein Auto mit einer Masse von 1500 kg sein sollte, wenn 5 cm des Reifens ständig Kontakt mit der Oberfläche haben müssen, wie in Abb. 12.3: Wieder heißt es Tafel, Kreide und Lappen.

Wenn der Reifen 20 cm breit ist und die Aufstandslänge 5 cm beträgt, beträgt die Oberfläche des Reifens in direktem Kontakt mit dem Boden 20 × 5 = 100 cm³. Wir kennen den erforderlichen Reifendruck noch nicht - wir müssen ihn berechnen, also bezeichnen wir ihn mit dem Symbol R. Außerdem müssen wir die Kraft kennen, die die Luft im Reifen auf die Straße ausübt. Er ist gleich dem Druck mal der Kontaktfläche des Reifens mit der Fahrbahn, d.h. P× 100 cm². Wir müssen dies noch mit 4 multiplizieren, da das Auto bekanntermaßen vier Reifen hat: P× 400 cm². Dies ist die Gesamtkraft der Luft in den Reifen, die auf die Fahrbahnoberfläche wirkt. Stellen Sie sich das so vor: Die Luftmoleküle im Inneren des Reifens werden auf den Boden geschleudert (genauer gesagt schlagen sie auf das Gummi des Reifens, das den Boden berührt, aber das ist nicht so wichtig).

Die Erde kollabiert normalerweise nicht, das heißt, sie reagiert mit einer gleichen, aber entgegengesetzten Kraft (Hurra, wir brauchten endlich Newtons drittes Gesetz). Das Auto wird von der Erde angehoben und durch die Schwerkraft abgesenkt, und da es nicht auf den Boden fällt und in die Luft aufsteigt, verstehen wir, dass diese beiden Kräfte einander ausgleichen müssen. Somit können wir davon ausgehen, dass die Macht P× 400 cm² wird durch die nach unten gerichtete Schwerkraft ausgeglichen. Diese Kraft ist gleich dem Gewicht des Autos, und wir wissen, wie man sie mit dem zweiten Newtonschen Gesetz berechnet. F=ma, wo ein- Beschleunigung des freien Falls auf der Erdoberfläche, die 9,81 m / s² entspricht. Das Gewicht beträgt also 1500 kg × 9,8 m/s² = 14.700 N (Newton: 1 Newton entspricht ungefähr 1 kg m/s², was ungefähr dem Gewicht eines Apfels entspricht). Da die beiden Kräfte also gleich sind

P × 400 cm² = 14.700 N.

Das Lösen dieser Gleichung ist einfach: P\u003d (14 700 / 400) N / cm² \u003d 36,75 N / cm². Ein Druck von 36,75 H/cm² ist vielleicht eine nicht sehr vertraute Art, den Reifendruck auszudrücken, aber er kann leicht in geläufigere „Bars“ umgerechnet werden.

Reis. 12.3. Der Reifen verformt sich leicht unter dem Gewicht des Fahrzeugs.

Ein bar ist der Standardluftdruck, der 101.000 N pro m² entspricht. 1 m² hat 10.000 cm², also sind 101.000 N pro m² 10,1 N pro cm². Unser gewünschter Reifendruck beträgt also 36,75 / 10,1 = 3,6 bar (oder 52 psi - das können Sie selbst herausfinden). Anhand unserer Gleichung können wir auch nachvollziehen, dass wir bei einem Abfall des Reifendrucks um 50 % auf 1,8 bar die Kontaktfläche des Reifens mit der Fahrbahn verdoppeln, d. h. der Reifen verliert etwas Luft. Mit diesem erfrischenden Exkurs in die Berechnung des Drucks sind wir bereit, zu dem in Abb. 12.2.

Wenn die Unterseite des Würfels näher an der Mitte des Sterns liegt, sollte der Druck darauf etwas größer sein als der Druck auf der Oberseite. Dieser Druckunterschied erzeugt eine auf den Würfel wirkende Kraft, die ihn tendenziell vom Zentrum des Sterns wegdrückt („oben“ in der Abbildung), was wir erreichen wollen, weil der Würfel gleichzeitig gedrückt wird durch die Schwerkraft zum Mittelpunkt des Sterns (in der Abbildung „unten“) . Wenn wir verstehen könnten, wie man diese beiden Kräfte kombiniert, würden wir unser Verständnis des Sterns verbessern. Aber das ist leichter gesagt als getan, denn obwohl Schritt 1 uns den Druck der Elektronen auf den Würfel verstehen lässt, müssen wir noch berechnen, wie viel Gravitationsdruck in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Übrigens muss der Druck auf die Seitenflächen des Würfels nicht berücksichtigt werden, da sie von der Mitte des Sterns gleich weit entfernt sind, sodass der Druck auf der linken Seite den Druck auf der rechten Seite ausgleicht Der Würfel bewegt sich weder nach rechts noch nach links.

Um herauszufinden, wie viel Kraft die Gravitation auf den Würfel wirkt, müssen wir auf das Newtonsche Anziehungsgesetz zurückgreifen, das besagt, dass jedes Stück Sternmaterie auf unseren Würfel mit einer Kraft wirkt, die mit zunehmender Entfernung, also weiter entfernten Materiestücken, abnimmt drücken Sie weniger als enge. . Es scheint, dass die Tatsache, dass der Gravitationsdruck auf unseren Würfel für verschiedene Teile der Sternmaterie je nach Entfernung unterschiedlich ist, ein schwieriges Problem ist, aber wir werden sehen, wie wir diesen Punkt zumindest im Prinzip umgehen können: Wir schneiden den Stern hinein Stücke und dann berechnen wir die Kraft, die jedes solche Stück auf unseren Würfel ausübt. Glücklicherweise ist es nicht nötig, den kulinarischen Schnitt des Stars einzuführen, da eine großartige Problemumgehung verwendet werden kann. Das Gesetz von Gauß (benannt nach dem legendären deutschen Mathematiker Karl Gauß) besagt, dass: a) man die Anziehungskraft aller Teile, die weiter vom Zentrum des Sterns entfernt sind als unser Würfel, völlig ignorieren kann; b) Der gesamte Gravitationsdruck aller Stücke, die näher am Zentrum liegen, ist genau gleich dem Druck, den diese Stücke ausüben würden, wenn sie genau im Zentrum des Sterns wären. Unter Verwendung des Gaußschen Gesetzes und des Newtonschen Anziehungsgesetzes können wir schlussfolgern, dass eine Kraft auf den Würfel ausgeübt wird, die ihn in Richtung des Zentrums des Sterns drückt, und dass diese Kraft gleich ist

wo Mindest ist die Masse des Sterns innerhalb der Kugel, deren Radius ist gleich der Distanz von der Mitte zum Würfel, Mcube ist die Masse des Würfels, und R ist der Abstand vom Würfel zum Mittelpunkt des Sterns ( g ist die Newtonsche Konstante). Wenn sich der Würfel beispielsweise auf der Oberfläche eines Sterns befindet, dann Mindest ist die Gesamtmasse des Sterns. Für alle anderen Standorte Mindest wird weniger sein.

Wir hatten einige Erfolge, denn um die Auswirkungen auf den Würfel auszugleichen (erinnern Sie sich, das bedeutet, dass sich der Würfel nicht bewegt und der Stern nicht explodiert oder zusammenbricht), ist dies erforderlich

wo Punten Und Zapfwelle sind der Druck von Gaselektronen auf der unteren bzw. oberen Fläche des Würfels und ABER ist die Fläche jeder Seite des Würfels (denken Sie daran, dass die durch Druck ausgeübte Kraft gleich dem Druck mal der Fläche ist). Wir haben diese Gleichung mit der Nummer (1) gekennzeichnet, weil sie sehr wichtig ist und wir später darauf zurückkommen werden.

Schritt 3: Machen Sie sich einen Tee und genießen Sie es, denn durch das Zubereiten Schritt 1, wir haben die Drücke berechnet Punten Und Zapfwelle, und dann Schritt 2 es wurde klar, wie man die Kräfte ausbalanciert. Die Hauptarbeit steht jedoch noch bevor, denn wir müssen fertig werden Schritt 1 und bestimme die Druckdifferenz, die auf der linken Seite von Gleichung (1) erscheint. Das wird unsere nächste Aufgabe sein.

Stellen Sie sich einen Stern vor, der mit Elektronen und anderen Teilchen gefüllt ist. Wie werden diese Elektronen gestreut? Achten wir auf das "typische" Elektron. Wir wissen, dass Elektronen dem Pauli-Prinzip gehorchen, das heißt, zwei Elektronen können nicht im selben Raumbereich sein. Was bedeutet das für das Elektronenmeer, das wir in unserem Stern „Gaselektronen“ nennen? Da es offensichtlich ist, dass die Elektronen voneinander getrennt sind, kann angenommen werden, dass sich jedes in einem eigenen imaginären Miniaturwürfel innerhalb des Sterns befindet. Eigentlich ist dies nicht ganz richtig, denn wir wissen, dass Elektronen in zwei Arten unterteilt werden - „mit Spin nach oben“ und „mit Spin nach unten“, und das Pauli-Prinzip verbietet eine nur zu enge Anordnung identischer Teilchen, dh theoretisch sie kann in einem Würfel und zwei Elektronen sein. Dies steht im Gegensatz zu der Situation, die entstehen würde, wenn die Elektronen dem Pauli-Prinzip nicht gehorchen würden. In diesem Fall würden sie nicht zu zweit in den „virtuellen Containern“ sitzen. Sie würden sich ausbreiten und einen viel größeren Lebensraum genießen. In der Tat, wenn es möglich wäre, zu ignorieren verschiedene Wege Wechselwirkungen der Elektronen untereinander und mit anderen Teilchen im Stern gäbe es keine Begrenzung ihres Lebensraums. Wir wissen, was passiert, wenn wir ein Quantenteilchen einschränken: Es springt gemäß der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation, und je mehr es eingeschränkt wird, desto mehr springt es. Das heißt, wenn unser Weißer Zwerg kollabiert, werden die Elektronen immer mehr eingeschlossen und immer mehr angeregt. Es ist der durch ihre Erregung verursachte Druck, der den Gravitationskollaps stoppt.

Wir können sogar noch weiter gehen, weil wir die Heisenbergsche Unschärferelation anwenden können, um den typischen Impuls eines Elektrons zu berechnen. Zum Beispiel, wenn wir ein Elektron auf einen Größenbereich beschränken Δx, springt er mit typischem Schwung P ~ h / Δx. Tatsächlich nähert sich das Momentum, wie wir in Kapitel 4 besprochen haben, der Obergrenze, und ein typisches Momentum liegt zwischen Null und diesem Wert; Merken Sie sich diese Informationen, wir werden sie später brauchen. Wenn Sie das Momentum kennen, können Sie sofort zwei weitere Dinge wissen. Erstens, wenn die Elektronen nicht dem Pauli-Prinzip gehorchen, werden sie auf einen Bereich ohne Größe beschränkt Δx, aber viel größer. Dies wiederum bedeutet viel weniger Vibration, und je weniger Vibration, desto weniger Druck. Offensichtlich kommt also das Pauli-Prinzip ins Spiel; sie drückt so stark auf die Elektronen, dass sie gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation übermäßige Schwingungen aufweisen. Nach einer Weile werden wir die Idee der übermäßigen Schwankungen in eine Druckformel umwandeln, aber zuerst werden wir herausfinden, was die „Zweite“ sein wird. Seit dem Schwung p=mw, dann ist die Schwingungsrate auch umgekehrt proportional zur Masse, sodass die Elektronen viel schneller hin und her springen als die schwereren Kerne, die ebenfalls Teil des Sterns sind. Deshalb ist der Druck von Atomkernen vernachlässigbar.

Wie kann man also, wenn man den Impuls eines Elektrons kennt, den Druck berechnen, den ein aus diesen Elektronen bestehendes Gas ausübt? Zuerst müssen Sie herausfinden, welche Größe die Blöcke mit Elektronenpaaren haben sollten. Unsere kleinen Blöcke haben Volumen ( Δx)³, und da wir alle Elektronen in den Stern stecken müssen, kann dies als Anzahl der Elektronen im Stern ausgedrückt werden ( n) dividiert durch das Volumen des Sterns ( v). Um alle Elektronen unterzubringen, braucht man genau n/ 2 Behälter, weil jeder Behälter zwei Elektronen aufnehmen kann. Das bedeutet, dass jeder Container ein Volumen belegt v geteilt durch n/ 2, also 2( V/N). Wir brauchen immer wieder die Menge N/V(die Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit im Inneren des Sterns), also geben wir ihm ein eigenes Symbol n. Jetzt können wir aufschreiben, wie groß das Volumen der Behälter sein sollte, damit alle Elektronen in den Stern passen, also ( Δx)³ = 2 / n. Das Ziehen der Kubikwurzel von der rechten Seite der Gleichung macht es möglich, dies abzuleiten

Nun können wir dies auf unseren aus der Unschärferelation abgeleiteten Ausdruck beziehen und den typischen Impuls der Elektronen gemäß ihrer Quantenschwingung berechnen:

p~ h(n/ 2)⅓, (2)

wobei das Zeichen ~ "ungefähr gleich" bedeutet. Natürlich kann die Gleichung nicht exakt sein, denn es gibt keine Möglichkeit, dass alle Elektronen gleich schwingen: Manche bewegen sich schneller als der typische Wert, andere langsamer. Die Heisenbergsche Unschärferelation kann nicht genau sagen, wie viele Elektronen sich mit einer Geschwindigkeit bewegen und wie viele mit einer anderen. Es ermöglicht eine ungefährere Aussage: Wenn Sie beispielsweise den Bereich eines Elektrons stauchen, dann schwingt es mit einem Impuls von ungefähr gleich h / Δx. Wir nehmen diesen typischen Impuls und setzen ihn für alle Elektronen gleich. Wir werden also ein wenig an Genauigkeit der Berechnungen verlieren, aber wir werden erheblich an Einfachheit gewinnen, und die Physik des Phänomens wird definitiv dieselbe bleiben.

Jetzt kennen wir die Geschwindigkeit der Elektronen, was genügend Informationen liefert, um den Druck zu bestimmen, den sie auf unseren Würfel ausüben. Um dies zu sehen, stellen Sie sich eine ganze Flotte von Elektronen vor, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegen ( v) zum Direktspiegel. Sie treffen auf den Spiegel und prallen ab, bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit, aber diesmal in die entgegengesetzte Richtung. Berechnen wir die Kraft, mit der die Elektronen auf den Spiegel wirken. Danach können Sie zu realistischeren Berechnungen für Fälle übergehen, in denen sich die Elektronen in unterschiedliche Richtungen bewegen. Diese Methodik ist in der Physik sehr verbreitet: Sie sollten sich zunächst eine einfachere Version des Problems überlegen, das Sie lösen möchten. So können Sie die Physik des Phänomens mit weniger Problemen verstehen und Vertrauen gewinnen, um ein ernsteres Problem zu lösen.

Stellen Sie sich vor, dass die Flotte von Elektronen besteht aus n Partikel pro m³ und hat der Einfachheit halber eine Kreisfläche von 1 m², wie in Abb. 12.4. In einer Sekunde nv Elektronen treffen auf den Spiegel (ggf v gemessen in Metern pro Sekunde).

Reis. 12.4. Eine Flotte von Elektronen (kleine Punkte), die sich in die gleiche Richtung bewegen. Alle Elektronen in einer Röhre dieser Größe treffen jede Sekunde auf den Spiegel.

„Wir fragen uns, warum eine Gruppe talentierter und engagierter Menschen ihr Leben der Jagd nach Objekten widmet, die so winzig sind, dass sie nicht einmal gesehen werden können? Tatsächlich manifestiert sich in den Klassen der Teilchenphysiker die menschliche Neugier und der Wunsch herauszufinden, wie die Welt, in der wir leben, funktioniert.“ Sean Carroll

Wenn Sie sich immer noch vor dem Begriff Quantenmechanik fürchten und immer noch nicht wissen, was das Standardmodell ist - willkommen bei cat. In meiner Publikation werde ich versuchen, die Grundlagen der Quantenwelt sowie der Elementarteilchenphysik möglichst einfach und anschaulich zu erklären. Wir werden versuchen herauszufinden, was die Hauptunterschiede zwischen Fermionen und Bosonen sind, warum Quarks so seltsame Namen haben und warum schließlich alle so begierig darauf waren, das Higgs-Boson zu finden.

Woraus sind wir gemacht?

Nun, wir beginnen unsere Reise in den Mikrokosmos mit einer einfachen Frage: Woraus bestehen die Objekte um uns herum? Unsere Welt besteht wie ein Haus aus vielen kleinen Bausteinen, die in besonderer Kombination etwas Neues schaffen, nicht nur in Aussehen, sondern auch in Bezug auf seine Eigenschaften. Wenn Sie sie genau betrachten, werden Sie feststellen, dass es nicht so viele verschiedene Arten von Blöcken gibt, sondern dass sie jedes Mal auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sind und neue Formen und Phänomene bilden. Jeder Block ist ein unteilbares Elementarteilchen, das in meiner Geschichte besprochen wird.

Nehmen wir zum Beispiel eine Substanz, sei es das zweite Element Periodensystem Mendelejew, Inertgas, Helium. Wie andere Substanzen im Universum besteht Helium aus Molekülen, die wiederum durch Bindungen zwischen Atomen gebildet werden. Aber in diesem Fall ist Helium für uns etwas Besonderes, weil es nur ein Atom ist.

Woraus besteht ein Atom?

Das Heliumatom wiederum besteht aus zwei Neutronen und zwei Protonen, die den Atomkern bilden, um den zwei Elektronen kreisen. Das Interessanteste ist, dass das hier nur absolut unteilbar ist Elektron.

Ein interessanter Moment der Quantenwelt

Wie weniger die Masse eines Elementarteilchens, die mehr sie nimmt Platz ein. Aus diesem Grund nehmen Elektronen, die 2000-mal leichter sind als ein Proton, viel mehr Platz ein als der Kern eines Atoms.

Neutronen und Protonen gehören zur Gruppe der sogenannten Hadronen(Teilchen, die einer starken Wechselwirkung unterliegen), und um noch genauer zu sein, Baryonen.

Hadronen können in Gruppen eingeteilt werden

• Baryonen, die aus drei Quarks bestehen
• Mesonen, die aus einem Paar bestehen: Teilchen-Antiteilchen

Das Neutron ist, wie der Name schon sagt, neutral geladen und kann in zwei Down-Quarks und ein Up-Quark unterteilt werden. Das Proton, ein positiv geladenes Teilchen, ist in ein Down-Quark und zwei Up-Quarks unterteilt.

Ja, ja, ich scherze nicht, sie heißen wirklich obere und untere. Es scheint, dass wir mit der Entdeckung des Top- und Bottom-Quarks und sogar des Elektrons in der Lage wären, das gesamte Universum mit ihrer Hilfe zu beschreiben. Aber diese Aussage wäre sehr weit von der Wahrheit entfernt.

Das Hauptproblem besteht darin, dass die Teilchen irgendwie miteinander interagieren müssen. Wenn die Welt nur aus dieser Dreieinigkeit (Neutron, Proton und Elektron) bestünde, dann würden die Teilchen einfach durch die Weiten des Weltalls fliegen und sich niemals wie Hadronen zu größeren Formationen versammeln.

Fermionen und Bosonen

Vor langer Zeit haben Wissenschaftler eine praktische und prägnante Form der Darstellung von Elementarteilchen erfunden, das sogenannte Standardmodell. Es stellt sich heraus, dass alle Elementarteilchen in unterteilt sind Fermionen, aus dem alle Materie besteht, und Bosonen, die verschiedene Arten von Wechselwirkungen zwischen Fermionen tragen.

Der Unterschied zwischen diesen Gruppen ist sehr deutlich. Tatsache ist, dass Fermionen nach den Gesetzen der Quantenwelt etwas Platz brauchen, um zu überleben, während ihre Gegenstücke, Bosonen, problemlos zu Billionen übereinander leben können.

Fermionen

Eine Gruppe von Fermionen erzeugt, wie bereits erwähnt, sichtbare Materie um uns herum. Was immer wir sehen, wo auch immer, wird von Fermionen erzeugt. Fermionen werden unterteilt in Quarks, die stark miteinander interagieren und in komplexeren Teilchen wie Hadronen gefangen sind, und Leptonen, die unabhängig von ihren Gegenstücken frei im Raum existieren.

Quarks werden in zwei Gruppen eingeteilt.

• Top Typ. Zu den Up-Quarks mit einer Ladung von +23 gehören: Up-, Charm- und True-Quarks
• Niedriger Typ. Quarks vom Down-Typ mit einer Ladung von -13 umfassen: Down-, Strange- und Charm-Quarks

True und Lovely sind die größten Quarks, während up und down die kleinsten sind. Warum Quarks so ungewöhnliche Namen erhielten, genauer gesagt „Flavours“, ist unter Wissenschaftlern immer noch umstritten.

Leptonen werden ebenfalls in zwei Gruppen eingeteilt.

• Die erste Gruppe mit einer Ladung von "-1" umfasst: ein Elektron, ein Myon (schwereres Teilchen) und ein Tau-Teilchen (das massereichste)
• Die zweite Gruppe mit neutraler Ladung enthält: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino

Neutrino ist ein kleines Materieteilchen, das fast unmöglich zu entdecken ist. Seine Ladung ist immer 0.

Es stellt sich die Frage, ob Physiker noch mehrere Generationen von Teilchen finden werden, die noch massereicher sein werden als die vorherigen. Es ist schwer zu beantworten, aber Theoretiker glauben, dass die Generationen von Leptonen und Quarks auf drei begrenzt sind.

Finden Sie keine Gemeinsamkeiten? Sowohl Quarks als auch Leptonen werden in zwei Gruppen eingeteilt, die sich in der Ladung pro Einheit voneinander unterscheiden? Aber dazu später mehr...

Bosonen

Ohne sie würden Fermionen in einem kontinuierlichen Strom durch das Universum fliegen. Aber durch den Austausch von Bosonen teilen sich Fermionen eine Art Wechselwirkung mit. Die Bosonen selbst interagieren nicht miteinander.

Die von Bosonen übertragene Wechselwirkung ist:

• elektromagnetisch, Teilchen - Photonen. Diese masselosen Teilchen lassen Licht durch.
• stark nuklear, Teilchen sind Gluonen. Mit ihrer Hilfe zerfallen Quarks aus dem Kern eines Atoms nicht in einzelne Teilchen.
• Schwacher Kern, Teilchen - W- und Z-Bosonen. Mit ihrer Hilfe werden Fermionen durch Masse, Energie übertragen und können sich ineinander verwandeln.
• Gravitation , Partikel - Gravitonen. Eine extrem schwache Kraft im Maßstab des Mikrokosmos. Wird nur auf supermassereichen Körpern sichtbar.

Ein Vorbehalt bezüglich der Gravitationswechselwirkung.
Die Existenz von Gravitonen wurde noch nicht experimentell bestätigt. Sie existieren nur in Form einer theoretischen Version. Im Standardmodell werden sie in den meisten Fällen nicht berücksichtigt.

Das war's, das Standardmodell ist zusammengebaut.

Der Ärger hat gerade erst begonnen

Trotz der sehr schönen Darstellung der Teilchen im Diagramm bleiben zwei Fragen offen. Woher bekommen Teilchen ihre Masse und was ist Higgs-Boson, das sich von den übrigen Bosonen abhebt.

Um die Idee der Verwendung des Higgs-Bosons zu verstehen, müssen wir uns der Quantenfeldtheorie zuwenden. reden einfache Sprache, kann argumentiert werden, dass die ganze Welt, das ganze Universum, nicht aus kleinsten Teilchen besteht, sondern aus vielen verschiedenen Feldern: Gluon, Quark, Elektronik, Elektromagnetik usw. In all diesen Bereichen treten ständig leichte Schwankungen auf. Die stärksten davon nehmen wir aber als Elementarteilchen wahr. Ja, und diese These ist höchst umstritten. Aus Sicht des Korpuskular-Wellen-Dualismus verhält sich dasselbe Objekt des Mikrokosmos in verschiedenen Situationen wie eine Welle, manchmal wie ein Elementarteilchen, es hängt nur davon ab, wie es für einen Physiker, der den Prozess beobachtet, bequemer ist, die Situation zu modellieren .

Higgs-Feld

Es stellt sich heraus, dass es ein sogenanntes Higgs-Feld gibt, dessen Mittelwert nicht auf Null gehen will. Infolgedessen versucht dieses Feld, im gesamten Universum einen konstanten Wert ungleich Null anzunehmen. Das Feld bildet den allgegenwärtigen und konstanten Hintergrund, wodurch das Higgs-Boson durch starke Schwankungen auftritt.
Und es ist dem Higgs-Feld zu verdanken, dass Teilchen mit Masse ausgestattet sind.
Die Masse eines Elementarteilchens hängt davon ab, wie stark es mit dem Higgs-Feld wechselwirkt ständig darin herumfliegen.
Und wegen des Higgs-Bosons, genauer gesagt wegen seines Feldes, hat das Standardmodell so viele ähnliche Teilchengruppen. Das Higgs-Feld erzwang die Entstehung vieler zusätzlicher Teilchen wie Neutrinos.

Ergebnisse

Was mir gesagt wurde, ist das oberflächlichste Verständnis der Natur des Standardmodells und warum wir das Higgs-Boson brauchen. Einige Wissenschaftler hoffen immer noch, dass ein 2012 gefundenes Teilchen, das wie das Higgs-Boson am LHC aussieht, nur ein statistischer Fehler war. Schließlich bricht das Higgs-Feld viele der schönen Symmetrien der Natur, was die Berechnungen der Physiker noch verwirrender macht.
Einige glauben sogar, dass das Standardmodell sein Leben lebt. letzten Jahren wegen seiner Unvollkommenheit. Aber das ist experimentell nicht bewiesen worden, und das Standardmodell der Elementarteilchen bleibt ein gültiges Beispiel für die Genialität des menschlichen Denkens.

Es macht keinen Sinn, immer das Gleiche zu tun und andere Ergebnisse zu erwarten.

Albert Einstein

Standardmodell (Elementarteilchen)(Englisch) Standardmodell der Elementarteilchen) - eine theoretische Konstruktion, die nicht der Natur entspricht und eine der Komponenten elektromagnetischer Wechselwirkungen beschreibt, die künstlich in elektromagnetische Wechselwirkungen, imaginäre schwache und hypothetische starke Wechselwirkungen aller Elementarteilchen getrennt werden. Das Standardmodell beinhaltet keine Schwerkraft.

Zunächst ein kleiner Exkurs. Die im Rahmen der WISSENSCHAFT wirkende Feldtheorie der Elementarteilchen stützt sich auf eine von der PHYSIK bewiesene Grundlage:

• Klassische Elektrodynamik,
• Quantenmechanik,
• Erhaltungssätze sind die Grundgesetze der Physik.

Dies ist der grundlegende Unterschied zwischen dem wissenschaftlichen Ansatz der Feldtheorie der Elementarteilchen - Eine wahre Theorie muss strikt innerhalb der Naturgesetze operieren: Das ist es, worum es bei der WISSENSCHAFT geht.

Elementarteilchen verwenden, die in der Natur nicht existieren, grundlegende Wechselwirkungen erfinden, die in der Natur nicht existieren, oder die Wechselwirkungen, die in der Natur existieren, durch fabelhafte ersetzen, die Naturgesetze ignorieren, mathematische Manipulationen an ihnen vornehmen (das Erscheinungsbild von Wissenschaft schaffen) - das sind die vielen MÄRCHEN, die sich als Wissenschaft tarnen. Damit rutschte die Physik in die Welt mathematischer Märchen ab. Feenquarks mit sagenhaften Gluonen, sagenhafte Gravitonen und Märchen der „Quantentheorie“ (als Realität abgegeben) haben bereits Eingang in die Physiklehrbücher gefunden – sollen wir Kinder täuschen? Befürworter einer ehrlichen Neuen Physik versuchten, sich dagegen zu wehren, aber die Kräfte waren nicht gleich. Und so war es bis 2010 vor dem Aufkommen der Feldtheorie der Elementarteilchen, als sich der Kampf um die Wiederbelebung der PHYSIK-WISSENSCHAFT auf die Ebene der offenen Konfrontation zwischen einer echten wissenschaftlichen Theorie und mathematischen Märchen bewegte, die die Macht in der Physik ergriffen die Mikrowelt (und nicht nur).

Das Bild stammt aus der Wikipedia der Welt

Ursprünglich wurde das Quark-Modell der Hadronen 1964 unabhängig voneinander von Gellmann und Zweig vorgeschlagen und war auf nur drei hypothetische Quarks und ihre Antiteilchen beschränkt. Damit war es möglich, das damals bekannte Spektrum der Elementarteilchen korrekt zu beschreiben, ohne neben Quarks auch Leptonen zu berücksichtigen, die nicht in das vorgeschlagene Modell passten und daher als elementar erkannt wurden. Der Preis dafür war die Einführung von Teillasten, die in der Natur nicht vorkommen. Dann, mit der Entwicklung der Physik und dem Erhalt neuer experimenteller Daten, wuchs das Quark-Modell allmählich, transformierte sich, passte sich an neue experimentelle Daten an und wurde schließlich zum Standardmodell. - Es ist interessant, dass ich vier Jahre später, 1968, mit der Arbeit an einer Idee begann, die der Menschheit 2010 die Feldtheorie der Elementarteilchen und 2015 die Gravitationstheorie der Elementarteilchen bescherte und viele mathematische Geschichten über die Physik schickte zweite Hälfte zum Archiv der Entwicklungsgeschichte der Physik des 20. Jahrhunderts, einschließlich dieser.

1 Grundlegende Bestimmungen des Standardmodells der Elementarteilchen
2 Standardmodell und grundlegende Wechselwirkungen
3 Standardmodell und Eichbosonen
4 Standardmodell und Gluonen
5 Standardmodell und Energieerhaltungssatz
6 Standardmodell und Elektromagnetismus
7 Standardmodell und Feldtheorie der Elementarteilchen
8 Teilchen in der Physik durch die Augen der weltweiten Wikipedia Anfang 2017
9 Standardmodell und Anpassung an die Realität
10 Physik des 21. Jahrhunderts: Das Standardmodell – Zusammenfassung

1 Grundlegende Bestimmungen des Standardmodells der Elementarteilchen

Es wird angenommen, dass alle Materie aus 12 fundamentalen Fermion-Teilchen besteht: 6 Leptonen (Elektron, Myon, Tau-Lepton, Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino) und 6 Quarks (u, d, s, c, b, t) .

Es wird festgestellt, dass Quarks an starken, schwachen und elektromagnetischen (mit dem Verständnis der Quantentheorie) Wechselwirkungen teilnehmen; geladene Leptonen (Elektron, Myon, Tau-Lepton) - im Schwachen und Elektromagnetischen; Neutrino - nur bei schwacher Wechselwirkung.

Es wird postuliert, dass alle drei Arten von Wechselwirkungen als Folge der Tatsache entstehen, dass unsere Welt in Bezug auf drei Arten von Eichtransformationen symmetrisch ist.

Es wird festgestellt, dass die Partikel-Träger von Wechselwirkungen, die durch das Modell eingeführt werden, sind:

• 8 Gluonen für die hypothetische starke Wechselwirkung (Symmetriegruppe SU(3));
• 3 Heavy-Gauge-Bosonen (W ± -Bosonen, Z 0 -Boson) für die hypothetische schwache Wechselwirkung (Symmetriegruppe SU(2));
• 1 Photon für elektromagnetische Wechselwirkung (Symmetriegruppe U(1)).

Es wird argumentiert, dass die hypothetische schwache Kraft Fermionen verschiedener Generationen mischen kann, was zur Instabilität aller außer den leichtesten Teilchen sowie zu Effekten wie CP-Verletzung und hypothetischen Neutrino-Oszillationen führt.

2 Standardmodell und grundlegende Wechselwirkungen

In Wirklichkeit existieren in der Natur die folgenden Arten grundlegender Wechselwirkungen sowie die ihnen entsprechenden physikalischen Felder:

Das Vorhandensein anderer wirklich existierender grundlegender physikalischer Felder in der Natur, außer endlich fabelhaften Feldern (Felder der Quanten-"Theorie": Gluon, Higgs-Feld und an.), hat die Physik nicht festgestellt (aber in der Mathematik kann es so viele geben, wie Sie wollen ). Die Existenz einer von der Quantentheorie postulierten hypothetischen starken und hypothetischen schwachen Wechselwirkung in der Natur - nicht bewiesen, und wird nur durch die Wünsche des Standardmodells gerechtfertigt. Diese hypothetischen Wechselwirkungen sind nur Vermutungen. - In der Natur gibt es Kernkräfte, die auf (in der Natur wirklich vorhandene) elektromagnetische Wechselwirkungen von Nukleonen in Atomkernen reduziert werden, aber die Instabilität von Elementarteilchen wird durch das Vorhandensein von Zerfallskanälen und das Fehlen eines Verbots zum Teil bestimmt der Naturgesetze und hat nichts mit der fabelhaften schwachen Wechselwirkung zu tun.

Die Existenz der Schlüsselelemente des Standardmodells in der Natur: Quarks und Gluonen, wurde nicht bewiesen. Was in Experimenten von manchen Physikern als Spuren von Quarks gedeutet wird, lässt andere alternative Deutungen zu. Die Natur ist so eingerichtet, dass die Anzahl der hypothetischen Quarks mit der Anzahl der stehenden Wellen alternierenden Elektros übereinstimmt Magnetfeld im Inneren von Elementarteilchen. - Aber in der Natur gibt es keine gebrochene elektrische Ladung gleich der Ladung hypothetischer Quarks. Auch die Größe der elektrischen Dipolladung stimmt nicht mit der Größe der imaginären elektrischen Ladung von fiktiven Quarks überein. Und wie Sie verstehen Ohne Quarks kann das Standardmodell nicht existieren..

Aus der Tatsache, dass 1968 in Experimenten zur tiefinelastischen Streuung am Stanford Linear Accelerator (SLAC) bestätigt wurde, dass Protonen eine innere Struktur haben und aus drei Objekten bestehen (zwei u- und ein d-Quark - aber das ist NICHT bewiesen), die später Richard Feynman im Rahmen seines Parton-Modells (1969) Partons nannte, lässt sich noch eine Schlussfolgerung ziehen – in den Experimenten wurden stehende Wellen eines elektromagnetischen Wellenwechselfeldes beobachtet, deren Anzahl der Bäuche genau übereinstimmt mit der Anzahl fabelhafter Quarks (Partons) . Und die prahlerische Aussage der Welt-Wikipedia, dass "die Gesamtheit der aktuellen experimentellen Fakten die Gültigkeit des Modells nicht in Frage stellt", ist falsch.

3 Standardmodell und Eichbosonen

• Die Existenz von Eichbosonen in der Natur ist nicht bewiesen – das sind nur Annahmen der Quantentheorie. (W ± -Bosonen, Z 0 -Boson) sind gewöhnliche Vektormesonen, genau wie D-Mesonen.
• Die Quantentheorie brauchte Träger der von ihr postulierten Wechselwirkungen. Da es aber solche in der Natur nicht gab, wurden die geeignetsten Bosonen genommen und ihnen die Fähigkeit zugeschrieben, Träger der erforderlichen hypothetischen Wechselwirkung zu sein.

4 Standardmodell und Gluonen

Tatsache ist, dass sich das Standardmodell mit hypothetischen Gluonen als peinlich herausgestellt hat.

Erinnern Sie sich, was ein Gluon ist – das sind hypothetische Elementarteilchen, die für die Wechselwirkungen hypothetischer Quarks verantwortlich sind. reden mathematische Sprache werden Gluonen Vektor-Eichbosonen genannt, die für die hypothetische starke Farbwechselwirkung zwischen hypothetischen Quarks in der Quantenchromodynamik verantwortlich sind. Dabei wird angenommen, dass die hypothetischen Gluonen selbst eine Farbladung tragen und somit nicht nur Träger hypothetischer starker Wechselwirkungen sind, sondern auch selbst daran teilnehmen. Ein hypothetisches Gluon ist ein Quant eines Vektorfeldes in der Quantenchromodynamik, hat keine Ruhemasse und einen Einheitsspin (wie ein Photon). Außerdem ist das hypothetische Gluon sein eigenes Antiteilchen.

Es wird also argumentiert, dass das Gluon einen Einheitsspin hat (wie ein Photon) und sein eigenes Antiteilchen ist. - Also: nach der Quantenmechanik und der klassischen Elektrodynamik (und der Feldtheorie der Elementarteilchen, die es geschafft hat, sie für ein gemeinsames Ergebnis zusammenzuarbeiten), die das Spektrum der Elementarteilchen in der Natur bestimmt haben - einen Einheitsspin (wie a Photon) und ein Antiteilchen zu sich selbst sein, nur ein Elementarteilchen in der Natur ist ein Photon, aber es ist bereits durch elektromagnetische Wechselwirkungen belegt. Alle anderen Elementarteilchen mit Einheitsspin sind Vektormesonen und ihre angeregten Zustände, aber das sind völlig andere Elementarteilchen, von denen jedes sein eigenes Antiteilchen hat.

Und wenn wir uns daran erinnern, dass alle Vektormesonen eine Ruhemasse ungleich Null haben (eine Folge des Nicht-Null-Wertes der Quantenzahl L der Feldtheorie), dann gilt keines der Vektormesonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin) als fabelhaft gluon wird auf jeden Fall passen. Nun, es gibt KEINE Elementarteilchen mehr mit Einheitsspin in der Natur. In der Natur kann es sein komplexe Systeme, bestehend aus einer geraden Anzahl von Leptonen oder Baryonen! Aber die Lebensdauer solcher Formationen von Elementarteilchen wird viel kürzer sein als die Lebensdauer des fabelhaften Higgs-Bosons - oder besser gesagt des Vektormesons. Daher können hypothetische Gluonen in der Natur nicht gefunden werden, egal wie intensiv nach ihnen gesucht wird und wie viele Milliarden Euro oder Dollar für die Suche nach sagenhaften Teilchen ausgegeben werden. Und wenn irgendwo eine Aussage über ihre Entdeckung zu hören ist, wird dies NICHT der Realität entsprechen.

Daher gibt es in der Natur keinen Platz für Gluonen.. Nachdem sie ein Märchen über die starke Wechselwirkung anstelle der tatsächlich in der Natur existierenden Kernkräfte in Analogie zur elektromagnetischen Wechselwirkung geschaffen hatten, trieben sich die "Quantentheorie" und das "Standardmodell" im Vertrauen auf ihre Unfehlbarkeit in den Tod Ende. - Vielleicht ist es also an der Zeit, aufzuhören und nicht mehr an mathematische MÄRCHEN zu glauben.

5 Standardmodell und Energieerhaltungssatz

Die Implementierung von Wechselwirkungen von Elementarteilchen durch den Austausch virtueller Teilchen verstößt direkt gegen den Energieerhaltungssatz und jegliche mathematische Manipulation der Naturgesetze in der Wissenschaft ist inakzeptabel. Die Natur und die virtuelle Welt der Mathematik sind zwei um die Welt: real und fiktiv - die Welt der mathematischen Märchen.

Gluonen - hypothetische Träger der hypothetischen starken Wechselwirkung hypothetischer Quarks, die eine fabelhafte Fähigkeit haben, neue Gluonen aus dem Nichts (aus dem Vakuum) zu erzeugen (siehe Artikelbeschränkung), ignorieren offen das Energieerhaltungsgesetz.

Auf diese Weise, Das Standardmodell widerspricht dem Energieerhaltungssatz.

6 Standardmodell und Elektromagnetismus.

Das Standardmodell war unwissentlich gezwungen, das Vorhandensein konstanter elektrischer Dipolfelder in Elementarteilchen anzuerkennen, deren Existenz durch die Feldtheorie der Elementarteilchen bestätigt wird. Mit der Behauptung, dass Elementarteilchen aus hypothetischen Quarks bestehen, die (nach dem Standardmodell) Träger elektrischer Ladung sind, erkannte das Standardmodell damit, dass innerhalb des Protons neben dem Bereich mit positiver elektrischer Ladung auch ein Bereich mit a vorhanden ist negative elektrische Ladung und das Vorhandensein eines Paares von Regionen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen und für ein elektrisch "neutrales" Neutron. Überraschenderweise stimmten die Größen der elektrischen Ladungen dieser Regionen fast mit den Größen der elektrischen Ladungen überein, die sich aus der Feldtheorie der Elementarteilchen ergeben.

Das Standardmodell war also in der Lage, das Innere zu beschreiben elektrische Aufladungen neutrale und positiv geladene Baryonen, aber bei negativ geladenen Baryonen kam es zu Fehlzündungen. Da die negativ geladenen hypothetischen Quarks eine Ladung von –e/3 haben, sind drei negativ geladene Quarks erforderlich, um eine Gesamtladung von –e zu erhalten, und ein elektrisches Dipolfeld analog zum elektrischen Feld eines Protons wird nicht funktionieren. Natürlich könnte man Anti-Quarks verwenden, aber dann würde man statt eines Baryons ein Anti-Baryon bekommen. Der "Erfolg" des Standardmodells bei der Beschreibung der elektrischen Felder von Baryonen beschränkte sich also nur auf neutrale und positiv geladene Baryonen.

Wenn Sie sich die hypothetische Quarkstruktur von Mesonen mit Nullspin ansehen, werden elektrische Dipolfelder nur für neutrale Mesonen erhalten, und für geladene Mesonen kann kein elektrisches Dipolfeld aus zwei hypothetischen Quarks erzeugt werden - Ladungen lassen dies NICHT zu. Bei der Beschreibung der elektrischen Felder von Mesonen mit Nullspin erhielt das Standardmodell also nur elektrische Felder von neutralen Mesonen. Auch hier stimmten die Beträge der elektrischen Ladungen der Dipolgebiete nahezu mit den Beträgen der elektrischen Ladungen überein, die sich aus der Feldtheorie der Elementarteilchen ergeben.

Aber es gibt noch eine andere Gruppierung von Elementarteilchen, die Vektormesonen genannt werden – das sind Mesonen mit Einheitsspin, bei denen jedes Teilchen notwendigerweise sein eigenes Antiteilchen hat. Experimentatoren haben bereits damit begonnen, sie in der Natur zu entdecken, aber das Standardmodell zieht es vor, einige von ihnen als Träger der von ihm erfundenen Wechselwirkungen zu bezeichnen, um sich nicht mit ihrer Struktur zu befassen (Spin gleich eins- was du brauchst). Hier erhielt das Standardmodell nur die elektrischen Felder neutraler Mesonen, da sich die Anzahl der Quarks nicht änderte (ihre Spins wurden einfach so gedreht, dass sie sich nicht subtrahieren, sondern addieren).
Fassen wir das Zwischenergebnis zusammen. Der Erfolg des Standardmodells bei der Beschreibung der Struktur der elektrischen Felder von Elementarteilchen erwies sich als halbherzig. Es ist verständlich: Die Anpassung an einer Stelle kroch mit einer Diskrepanz an einer anderen Stelle heraus.

Nun zu den Massen hypothetischer Quarks. Addiert man die Massen hypothetischer Quarks in Mesonen oder Baryonen, erhält man einen kleinen Prozentsatz der Ruhemasse eines Elementarteilchens. Folglich gibt es auch im Rahmen des Standardmodells innerhalb von Elementteilchen eine Masse von Nicht-Quark-Natur, die viel größer ist als der Gesamtwert der Massen aller ihrer hypothetischen Quarks. Daher ist die Aussage des Standardmodells, dass Elementarteilchen aus Quarks bestehen, NICHT wahr. Innerhalb von Elementarteilchen gibt es stärkere Faktoren als hypothetische Quarks, die den Hauptwert der Gravitations- und Trägheitsmasse von Elementarteilchen erzeugen. Die Feldtheorie der Elementarteilchen zusammen mit der Gravitationstheorie der Elementarteilchen stellte fest, dass hinter all dem ein wellenpolarisiertes elektromagnetisches Wechselfeld entsteht Welleneigenschaften Elementarteilchen, die ihr statistisches Verhalten und natürlich die Quantenmechanik bestimmen.

Noch einen Augenblick. Warum in einem gebundenen System aus zwei Teilchen (Quarks) mit halbzahligem Spin die Spins der Teilchen notwendigerweise antiparallel sein müssen (die Notwendigkeit dafür im Standardmodell, um den Spin von Mesonen zu erhalten, ist noch kein Gesetz von Natur). Die Spins der wechselwirkenden Teilchen können auch parallel sein, und dann erhält man ein Duplikat des Mesons, aber mit einem einzigen Spin und einer etwas anderen Ruhemasse, die die Natur natürlich nicht geschaffen hat - sie kümmert sich nicht um die Bedürfnisse des Standards Modell mit seinen Märchen. Die Physik kennt die Wechselwirkung, mit spinorientierter Abhängigkeit - das sind die Wechselwirkungen von Magnetfeldern, so ungeliebt von der Quanten-"Theorie". Das bedeutet, wenn hypothetische Quarks in der Natur existieren, dann sind ihre Wechselwirkungen magnetisch (natürlich erinnere ich mich nicht an fabelhafte Gluonen) - diese Wechselwirkungen erzeugen Anziehungskräfte für Teilchen mit antiparallelen magnetischen Momenten (und daher antiparallelen Spins, wenn die Vektoren des Magneten Moment und Spin sind parallel) und erlauben es nicht, einen gebundenen Zustand eines Teilchenpaares mit parallelen magnetischen Momenten (parallele Ausrichtung der Spins) zu erzeugen, weil dann die anziehenden Kräfte in die gleichen abstoßenden Kräfte umschlagen. Aber wenn die Bindungsenergie des Paares magnetische Momente ein bestimmter Wert ist (0,51 MeV für π ± und 0,35 MeV für π 0), dann gibt es in den Magnetfeldern der Teilchen selbst (ungefähr) eine Größenordnung mehr Energie und damit die ihr entsprechende Masse - die elektromagnetische Masse eines konstanten Magnetfeldes.

Nachdem das Vorhandensein von elektrischen Dipolfeldern in Elementarteilchen zugegeben wurde, vergaß das Standardmodell die Magnetfelder von Elementarteilchen, deren Existenz experimentell nachgewiesen wurde, und die Werte der magnetischen Momente von Elementarteilchen wurden mit a gemessen hohe Genauigkeit.

Widersprüche zwischen dem Standardmodell und dem Magnetismus werden am Beispiel der Pi-Mesonen deutlich. Hypothetische Quarks haben also elektrische Ladungen, also haben sie auch ein konstantes elektrisches Feld, und sie haben auch ein konstantes Magnetfeld. Nach den noch nicht aufgehobenen Gesetzen der klassischen Elektrodynamik haben diese Felder eine innere Energie und damit die dieser Energie entsprechende Masse. Die gesamte magnetische Masse konstanter Magnetfelder eines Paares hypothetischer Quarks geladener π ± -Mesonen beträgt also 5,1 MeV (von 7,6 MeV) und für π 0 -Mesonen 3,5 MeV (von 4 MeV). Fügen wir dieser Masse die elektrische Masse konstanter elektrischer Felder von Elementarteilchen hinzu, denn auch diese ist von Null verschieden. Wenn die linearen Abmessungen der Ladungen abnehmen, nimmt die Energie dieser Felder ständig zu, und sehr schnell kommt ein Moment, in dem alle 100% der inneren Energie eines hypothetischen Quarks in seinen konstanten elektromagnetischen Feldern konzentriert sind. Dann bleibt für das Quark selbst die Antwort: NICHTS, wie es die Feldtheorie der Elementarteilchen behauptet. Und die angeblich beobachteten "Spuren hypothetischer Quarks" werden zu Spuren stehender Wellen eines elektromagnetischen Wechselfeldes, die sie tatsächlich sind. Aber es gibt eine Besonderheit: Die stehenden Wellen des elektromagnetischen Wechselfelds, die das Standardmodell als "Quarks" ausgibt, können keine konstanten elektrischen und magnetischen Felder erzeugen, die Elementarteilchen haben). Wir kommen also zu dem Schluss, dass es in der Natur KEINE Quarks gibt und Elementarteilchen aus einem wellenpolarisierten elektromagnetischen Wechselfeld sowie damit verbundenen konstanten elektrischen und magnetischen Dipolfeldern bestehen, was die Feldtheorie der Elementarteilchen behauptet.

Mit Massenwerten hat das Standardmodell festgestellt, dass alle Pi-Mesonen eine innere Restenergie haben, die mit den Daten der Feldtheorie der Elementarteilchen über das im Innern der Elementarteilchen enthaltene elektromagnetische Wellenwechselfeld übereinstimmt. Wenn aber mehr als (95-97)% der inneren Energie von Elementarteilchen nicht Quarknatur sind und in einem elektromagnetischen Wellenwechselfeld konzentriert sind, und die restlichen (3-5)% hypothetischen Quarks zugeschrieben werden, (80 -90)% in konstanten elektrischen und magnetischen Feldern von Elementarteilchen konzentriert, dann sieht die unbegründete Behauptung, dass diese Elementarteilchen aus in der Natur nicht vorkommenden Quarks bestehen, selbst im Rahmen des Standardmodells LÄCHERLICH aus.

Noch bedauerlicher stellte sich die Quark-Zusammensetzung des Protons im Standardmodell heraus. Die Gesamtmasse von 2 u-Quarks und einem d-Quark beträgt 8,81 MeV, was weniger als 1 Prozent der Ruhemasse des Protons (938,2720 MeV) ist. Das heißt, 99 Prozent des Protons haben etwas, das seine Hauptgravitations- und Trägheitsmasse zusammen mit seinen Kernkräften erzeugt, und dies hat NICHT mit Quarks zu tun, aber uns wird mit Beharrlichkeit, die einer besseren Anwendung würdig ist, weiterhin die pseudowissenschaftliche Geschichte erzählt das Proton besteht angeblich aus Quarks, die trotz aller Anstrengungen und finanziellen Mittel nie in der Natur gefunden wurden, und sie wollen uns diesen Betrug glauben machen. - Die Mathematik kann jedes MÄRCHEN verfassen und als "höchste" Errungenschaft der "Wissenschaft" ausgeben. Nun, wenn Sie die Wissenschaft verwenden, dann enthält sein konstantes elektrisches Feld nach den Berechnungen der Felder des Protons mit der Feldtheorie eine Energie von 3,25 MeV, und der Rest der Energie für die Masse der hypothetischen Quarks wird von viel geliehen stärkeres konstantes Magnetfeld des Protons, das seine Kernkräfte erzeugt.

7 Standardmodell und Feldtheorie der Elementarteilchen

• Die Feldtheorie der Elementarteilchen leugnet die Existenz von Quarks und Gluonen, die nicht in der Natur vorkommen, leugnet die Existenz hypothetischer starker und schwacher Wechselwirkungen (postuliert von der Quantentheorie) und die Übereinstimmung der einheitlichen Symmetrie mit der Realität.
• Das Tau-Lepton ist der angeregte Zustand des Myons, und sein Neutrino ist der angeregte Zustand des Myon-Neutrinos.
• (W ± -Bosonen, Z 0 -Boson) sind gewöhnliche Vektormesonen und keine Träger von Wechselwirkungen, die mit dem Ignorieren des Energieerhaltungsgesetzes sowie anderer Naturgesetze verbunden sind.
• Ein Photon existiert in der Natur nur in einem realen Zustand. Der virtuelle Zustand von Elementarteilchen ist eine mathematische Manipulation der Naturgesetze.
• Kernkräfte werden hauptsächlich auf die Wechselwirkungen der Magnetfelder von Nukleonen in der Nahzone zurückgeführt.
• Die Gründe für den Zerfall instabiler Elementarteilchen beruhen auf dem Vorhandensein von Zerfallskanälen und den Naturgesetzen. Ein Elementarteilchen strebt wie ein Atom oder sein Kern einem Zustand mit der niedrigsten Energie zu – nur seine Möglichkeiten sind unterschiedlich.
• Die sogenannten "Neutrino-Oszillationen", oder besser gesagt Reaktionen, beruhen auf der Differenz ihrer Ruhemassen, die zum Zerfall eines schwereren Myon-Neutrinos führen. Im Allgemeinen widerspricht die fabelhafte Umwandlung eines Elementarteilchens in ein anderes den Gesetzen des Elektromagnetismus und dem Energieerhaltungssatz. - Verschiedene Arten von Neutrinos haben unterschiedliche Sätze von Quantenzahlen, wodurch sie elektromagnetische Felder unterscheiden sich, sie haben einen unterschiedlichen Wert der gesamten inneren Energie und dementsprechend einen unterschiedlichen Wert der Ruhemasse. Leider ist die mathematische Manipulation der Naturgesetze im 20. Jahrhundert zur Norm für märchenhafte Theorien und Modelle der Physik geworden.

8 Teilchen in der Physik durch die Augen der weltweiten Wikipedia Anfang 2017

So sehen Teilchen in der Physik aus Sicht der Welt-Wikipedia aus:

Ich habe dieses Bild, das als Realität ausgegeben wird, mit ein paar Farben überlagert, weil es Ergänzungen benötigt. Die grüne Farbe unterstreicht, was wahr ist. Es stellte sich ein wenig heraus, aber das ist ALLES, was als zuverlässig befunden wurde. Eine hellere Farbe hebt hervor, was auch in der Natur ist, aber sie versuchen, es als etwas anderes in uns einzublasen. Nun, alle farblosen Kreationen stammen aus der Welt der MÄRCHEN. Und nun die Ergänzungen selbst:

• Dass es KEINE Quarks in der Natur gibt – das wollen die Befürworter des Standardmodells selbst nicht wissen –, rutschen uns alle neuen MÄRCHEN zu, um die Unsichtbarkeit von Quarks in Experimenten zu „begründen“.
• Von den Grundzuständen der Leptonen kommt nach der Feldtheorie der Elementarteilchen in der Natur nur ein Elektron mit einem Myon mit den entsprechenden Neutrinos und Antiteilchen vor. Der Wert des Spins eines Tau-Leptons von 1/2 bedeutet noch nicht, dass dieses Teilchen zu den Grundzuständen von Leptonen gehört – sie haben einfach den gleichen Spin. Nun, die Anzahl der angeregten Zustände für jedes Elementarteilchen ist gleich unendlich - eine Folge der Feldtheorie der Elementarteilchen. Experimentatoren haben bereits begonnen, sie zu entdecken und viele angeregte Zustände anderer Elementarteilchen außer dem Tau-Lepton entdeckt, aber sie selbst haben dies noch nicht verstanden. Nun, die Tatsache, dass für einige die Feldtheorie der Elementarteilchen wie ein Knochen im Hals toleriert wird, und noch besser, wenn sie umlernen.
• In der Natur gibt es KEINE Eichbosonen - in der Natur gibt es nur Elementarteilchen mit Einheitsspin: das sind Photonen- und Vektormesonen (die sie gerne als Träger fabelhafter Wechselwirkungen ausgeben, zum Beispiel "schwache" Wechselwirkung) mit ihren angeregten Zuständen , sowie der erste angeregte Zustand von Mesonen.
• Die fabelhaften Higgs-Bosonen widersprechen der Gravitationstheorie der Elementarteilchen. Wir befinden uns unter dem Deckmantel des Higgs-Bosons, das versucht, Vektormeson zu sprengen.
• Elementarteilchen existieren NICHT in der Natur – nur Elementarteilchen existieren in der Natur.
• Superpartner stammen ebenso wie andere hypothetische Elementarteilchen aus der Welt der MÄRCHEN. Heute kann man nicht mehr blind an Märchen glauben, egal wie der Autor heißt. Sie können jedes Teilchen erfinden: Diracs "magnetischer Monopol", ein Planck-Teilchen, ein Parton, verschiedene Typen Quarks, Spirituosen, "sterile" Partikel, Graviton (Gravitino) ... - das sind nur NULL Beweise. - Achten Sie nicht auf pseudowissenschaftliche Dummys, die für die Errungenschaft der Wissenschaft ausgestellt wurden.
• Kompositpartikel in der Natur gibt es sie, aber das sind keine Baryonen, Hyperonen und Mesonen. - Das sind Atome. Atomkerne, Ionen und Moleküle baryonischer Materie sowie Verbindungen von Elektron-Neutrinos, die in gigantischen Mengen von Sternen emittiert werden.
• Nach der Feldtheorie der Elementarteilchen sollte es in der Natur Gruppierungen von Baryonen mit unterschiedlichen Werten des halbzahligen Spins geben: 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, .... Ich wünschte Experimentatoren Erfolg bei der Entdeckung von Baryonen mit großen Spins.
• Mesonen werden in einfache (mit Nullspin) mit ihren angeregten Zuständen (historisch als Resonanzen bezeichnet) und in Vektoren (mit ganzzahligem Spin) unterteilt. Die Physik hat bereits damit begonnen, Vektormesonen in der Natur zu entdecken, trotz des mangelnden merklichen Interesses der Experimentatoren an ihnen.
• Kurzlebige künstlich erzeugte exotische Atome, bei denen das Elektron durch ein anderes, massereicheres Elementarteilchen ersetzt wurde – das ist aus der Welt der „Spaßphysiker“. Und sie haben keinen Platz in der Megawelt.
• Es gibt keine exotischen Hadronen in der Natur, da es KEINE starke Wechselwirkung in der Natur gibt (aber es gibt einfach nukleare Kräfte, und das sind unterschiedliche Konzepte), und daher gibt es in der Natur keine Hadronen, einschließlich exotischer.

Sie können jedes Teilchen als Stütze für eine Pseudotheorie erfinden und es dann als Triumph der "Wissenschaft" ausgeben, nur die Natur kümmert sich nicht darum.

Heute ist das klar Es ist UNMÖGLICH, Informationen über Elementarteilchen zu vertrauen, die sich in der Welt-Wikipedia befinden. Zu den wirklich zuverlässigen experimentellen Informationen fügten sie unbegründete Aussagen abstrakter theoretischer Konstruktionen hinzu, die sich als die höchsten Errungenschaften der Wissenschaft ausgaben, aber in Wirklichkeit gewöhnliche mathematische MÄRCHEN waren. Die Wikipedia der Welt ist ausgebrannt aufgrund des blinden Vertrauens in die Informationen von Verlegern, die mit Wissenschaft Geld verdienen, Artikel zur Veröffentlichung für das Geld von Autoren annehmen – deshalb werden diejenigen veröffentlicht, die Geld haben, anstatt diejenigen, die Ideen haben, die die WISSENSCHAFT entwickeln. Das passiert, wenn Wissenschaftler in der globalen Wikipedia verdrängt werden und der Inhalt von Artikeln NICHT von Spezialisten kontrolliert wird. Anhänger mathematischer Märchen nennen den Kampf gegen ihre Dogmen verächtlich „Alternativismus“ und vergessen dabei, dass zu Beginn des 20. Jahrhunderts gerade die Physik des Mikrokosmos als Alternative zum damals vorherrschenden Wahn entstand. Beim Studium des Mikrokosmos hat die Physik viel Neues entdeckt, aber neben echten experimentellen Daten ist auch ein Strom abstrakter theoretischer Konstruktionen in die Physik eingedrungen, die etwas Eigenes studieren und sich als höchste Errungenschaft der Wissenschaft ausgeben. Vielleicht funktionieren in der von diesen theoretischen Konstruktionen geschaffenen virtuellen Welt die von ihnen erfundenen "Naturgesetze", aber die Physik studiert die Natur selbst und ihre Gesetze, und Mathematiker können so viel Spaß haben, wie sie wollen. Heute Die Physik des 21. Jahrhunderts versucht nur, sich von den Wahnvorstellungen und dem Schwindel des 20. Jahrhunderts zu reinigen.

9 Standardmodell und Anpassung an die Realität

Stringtheoretiker, die es mit dem Standardmodell vergleichen und sich für die Stringtheorie einsetzen, behaupten, dass das Standardmodell 19 freie Parameter hat, um experimentelle Daten anzupassen.

Ihnen fehlt etwas. Als das Standardmodell noch Quarkmodell hieß, reichten dafür nur 3 Quarks. Aber als es sich entwickelte, musste das Standardmodell die Anzahl der Quarks auf 6 erhöhen (lower, upper, strange, charmed, lovely, true), und jedes hypothetische Quark wurde auch mit drei Farben (r, g, b) ausgestattet – wir erhalten Sie 6 * 3 = 18 hypothetische Teilchen. Sie mussten auch 8 Gluonen hinzufügen, die mit einer einzigartigen Fähigkeit namens „Confinement“ ausgestattet werden mussten. 18 Feen-Quarks plus 8 Feen-Gluonen, für die auch in der Natur kein Platz war – das sind schon 26 fiktive Objekte, bis auf 19 freie Anpassungsparameter. – Das Modell wuchs mit neuen fiktiven Elementen, um es an neue experimentelle Daten anzupassen. Aber die Einführung von Farben für Feenquarks erwies sich als nicht genug, und einige haben bereits angefangen, darüber zu sprechen Komplexe Struktur Quarks.

Die Transformation des Quark-Modells in das Standardmodell ist ein Prozess der Anpassung an die Realität, um den unvermeidlichen Kollaps zu vermeiden, der zu einem exorbitanten Wachstum der Lagrange-Funktion führt:

Und egal wie das Standardmodell mit neuen "Fähigkeiten" aufgebaut wird, wissenschaftlich wird es daraus nicht - die Grundlage ist falsch.

10 Physik des 21. Jahrhunderts: Das Standardmodell - Zusammenfassung

Das Standardmodell (der Elementarteilchen) ist nur eine hypothetische Konstruktion, die nicht gut mit der Realität korreliert, egal wie angepasst sie ist:

• Die Symmetrie unserer Welt in Bezug auf die drei Arten von Eichtransformationen ist nicht bewiesen;
• Quarks kommen in der Natur bei keiner Energie vor - In der Natur gibt es KEINE Quarks;
• Gluonen können in der Natur überhaupt nicht existieren.;
• Die Existenz einer schwachen Wechselwirkung in der Natur ist nicht bewiesen, und die Natur braucht sie nicht;
• Die starke Kraft war erfunden anstelle von Nuklearkräften (tatsächlich in der Natur vorhanden);
• Virtuelle Teilchen widersprechen dem Energieerhaltungssatz- das fundamentale Naturgesetz;
• Die Existenz von Eichbosonen in der Natur ist nicht bewiesen – in der Natur gibt es einfach Bosonen.

Ich hoffe, Sie können deutlich sehen: auf welcher Grundlage das Standardmodell aufgebaut ist.

Nicht gefunden, nicht nachgewiesen usw. dies bedeutet nicht, dass es noch nicht gefunden und noch nicht bewiesen wurde – es bedeutet, dass es keinen Beweis für die Existenz der Schlüsselelemente des Standardmodells in der Natur gibt. Somit basiert das Standardmodell auf einer falschen Grundlage, die nicht der Natur entspricht. Daher ist das Standardmodell ein Trugschluss in der Physik. Die Befürworter des Standardmodells wollen, dass die Menschen weiterhin an die Geschichten des Standardmodells glauben, oder sie müssen es neu lernen. Sie ignorieren einfach die Kritik am Standardmodell und präsentieren ihre Meinung als Lösung der Wissenschaft. Aber wenn Missverständnisse in der Physik trotz ihrer von der Wissenschaft bewiesenen Widersprüchlichkeit weiterhin repliziert werden, verwandeln sich Missverständnisse in der Physik in einen Betrug in der Physik.

Der Hauptpatron des Standardmodells, eine Sammlung unbewiesener mathematischer Annahmen (einfach gesagt eine Sammlung mathematischer MÄRCHEN oder laut Einstein), kann auch auf Missverständnisse in der Physik zurückgeführt werden: eine Reihe verrückter Ideen, die aus unzusammenhängenden Gedankenfetzen zusammengebraut wurden") namens "Quantentheorie", die mit dem fundamentalen Naturgesetz - dem Energieerhaltungssatz - nicht rechnen will Errungenschaften werden kaum wissenschaftlichen zugeschrieben werden.Eine wissenschaftliche Theorie muss streng innerhalb der Naturgesetze operieren oder deren Ungenauigkeit nachweisen, sonst ist sie außerhalb der Grenzen der Wissenschaft.

Früher spielte das Standardmodell eine gewisse positive Rolle bei der Sammlung von experimentellen Daten über die Mikrowelt – aber diese Zeit ist vorbei. Nun, da die experimentellen Daten mit dem Standardmodell gewonnen wurden und weiterhin gewonnen werden, stellt sich die Frage nach ihrer Zuverlässigkeit. Die Quark-Zusammensetzung entdeckter Elementarteilchen hat nichts mit der Realität zu tun. - Daher müssen die mit dem Standardmodell erhaltenen experimentellen Daten außerhalb des Rahmens des Modells zusätzlich verifiziert werden.

Im zwanzigsten Jahrhundert wurden große Hoffnungen auf das Standardmodell gesetzt, es wurde als höchste Errungenschaft der Wissenschaft präsentiert, aber das zwanzigste Jahrhundert endete und damit die Zeit der Vorherrschaft in der Physik eines anderen mathematischen Märchens, das auf einem falschen Fundament aufgebaut war , genannt: "Das Standardmodell der Elementarteilchen". Heute wird der Trugschluss des Standardmodells NICHT von denen bemerkt, die es NICHT bemerken wollen.

Wladimir Gorunowitsch

Vorschriften

Das Standardmodell besteht aus folgenden Bestimmungen:

• Alle Materie besteht aus 24 fundamentalen Quantenfeldern mit Spin ½, deren Quanten fundamentale Teilchen sind - Fermionen, die zu drei Generationen von Fermionen kombiniert werden können: 6 Leptonen (Elektron, Myon, Tau-Lepton, Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino ), 6 Quarks (u, d, s, c, b, t) und 12 entsprechende Antiteilchen.
• Quarks nehmen an starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen teil; geladene Leptonen (Elektron, Myon, Tau-Lepton) - in schwach und elektromagnetisch; Neutrinos - nur bei schwachen Wechselwirkungen.
• Alle drei Arten von Wechselwirkungen entstehen als Folge des Postulats, dass unsere Welt in Bezug auf drei Arten von Eichtransformationen symmetrisch ist. Die Teilchenträger von Wechselwirkungen sind Bosonen:

8 Gluonen für starke Wechselwirkung (Symmetriegruppe SU(3)); 3 Heavy-Gauge-Bosonen (W + , W − , Z 0) für schwache Wechselwirkung (Symmetriegruppe SU(2)); ein Photon für elektromagnetische Wechselwirkung (Symmetriegruppe U(1)).

• Im Gegensatz zu elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen kann die schwache Wechselwirkung Fermionen verschiedener Generationen mischen, was zur Instabilität aller außer den leichtesten Teilchen und zu Effekten wie CP-Verletzung und Neutrinooszillationen führt.
• Die externen Parameter des Standardmodells sind:
  • die Massen von Leptonen (3 Parameter, Neutrinos werden als masselos angenommen) und Quarks (6 Parameter), interpretiert als Wechselwirkungskonstanten ihrer Felder mit dem Feld des Higgs-Bosons,
  • Parameter der CKM-Quark-Mischungsmatrix - drei Mischungswinkel und eine komplexe Phase, die die CP-Symmetrie bricht - Konstanten der Wechselwirkung von Quarks mit einem elektroschwachen Feld,
  • zwei Parameter des Higgs-Feldes, die eindeutig mit seinem Vakuum-Erwartungswert und der Masse des Higgs-Bosons zusammenhängen,
  • drei Wechselwirkungskonstanten, die den Eichgruppen U(1), SU(2) bzw. SU(3) zugeordnet sind und die relativen Intensitäten der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen charakterisieren.

Aufgrund der Entdeckung von Neutrino-Oszillationen benötigt das Standardmodell eine Erweiterung, die zusätzliche 3 Neutrinomassen und mindestens 4 Parameter der PMNS-Neutrino-Mischmatrix ähnlich der CKM-Quark-Mischmatrix einführt, und möglicherweise 2 weitere Mischparameter, wenn Neutrinos Majorana sind Partikel. Auch der Vakuumwinkel der Quantenchromodynamik gehört manchmal zu den Parametern des Standardmodells. Bemerkenswert ist das mathematisches Modell mit einem Satz von etwa 20 Zahlen kann die Ergebnisse von Millionen von Experimenten beschreiben, die bis heute in der Physik durchgeführt wurden.

Jenseits des Standardmodells

siehe auch

Anmerkungen

Literatur

• Emeljanow V. M. Das Standardmodell und seine Erweiterungen. - M.: Fizmatlit, 2007. - 584 S. - (Grundlagen und angewandte Physik). - ISBN 978-5-922108-30-0

Verknüpfungen

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was das "Standardmodell" ist:

STANDARDMODELL, ein Modell der ELEMENTARTEILCHEN und ihrer Wechselwirkungen, das ist das Beste Gesamte Beschreibung physikalische Phänomene im Zusammenhang mit Strom. Teilchen werden in HADRONEN unterteilt (die sich unter dem Einfluss von KERNKRÄFTEN in QUARKS verwandeln), ... ... Wissenschaftliches und technisches Lexikon

In der Elementarteilchenphysik wird der Theorie zufolge ein Schwarm grundlegender. (Grund-)Elementarteilchen sind Quarks und Leptonen. Die starke Wechselwirkung, durch die Quarks zu Hadronen binden, erfolgt durch den Austausch von Gluonen. Elektroschwach ... ... Naturwissenschaft. Enzyklopädisches Wörterbuch

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Eine Form der logisch-methodischen Analyse naturwissenschaftlicher Theorien, die unter dem maßgeblichen Einfluss der neopositivistischen Wissenschaftstheorie entwickelt wurde. Im Rahmen des gängigen Wissenschaftsbegriffs sind die Eigenschaften einer Theorie (interpretiert als eine Menge wissenschaftlich sinnvoller ... ... Philosophische Enzyklopädie

Bücher

• Teilchenphysik - 2013. Quantenelektrodynamik und das Standardmodell, O. M. Boyarkin, G. G. Boyarkina. Im zweiten Band eines zweibändigen Buches, das einen modernen Kurs in Elementarteilchenphysik enthält, wird die Quantenelektrodynamik als erstes Beispiel für die Theorie der realen Wechselwirkungen betrachtet. ...