Стандартна модель- це сучасна теоріябудови та взаємодій елементарних частинок, багаторазово перевірена експериментально. Ця теорія базується на дуже не велику кількістьпостулатів і дозволяє теоретично пророкувати властивості тисяч різних процесів у світі елементарних частинок. У переважній більшості випадків ці прогнози підтверджуються експериментом, іноді з виключно високою точністю, а ті рідкісні випадки, коли передбачення Стандартної моделі розходяться з досвідом, стають предметом спекотних суперечок.

Стандартна модель - це межа, яка відокремлює достовірно відоме від гіпотетичного у світі елементарних частинок. Незважаючи на вражаючий успіх в описі експериментів, Стандартна модель не може вважатися остаточною теорієюелементарних частинок. Фізики впевнені, що вона повинна бути частиною деякої глибшої теорії будови мікросвіту. Що це за теорія - достеменно поки що невідомо. Теоретики розробили велике числокандидатів на таку теорію, але тільки експеримент повинен показати, що з них відповідає реальній ситуації, що склалася у нашому Всесвіті. Саме тому фізики наполегливо шукають будь-які відхилення від Стандартної моделі, будь-які частинки, сили чи ефекти, які Стандартною моделлю не передбачаються. Всі ці явища вчені узагальнено називають "Нова фізика"; саме пошук Нової фізикиі складає головне завдання Великого адронного колайдера.

Основні компоненти стандартної моделі

Робочим інструментом Стандартної моделі є квантова теоріяполя – теорія, яка приходить на зміну квантової механіки при швидкостях, близьких до швидкості світла. Ключові об'єкти в ній не частки, як у класичній механіці, і не «частки-хвилі», як у квантовій механіці, а квантові поля: електронне, мюонне, електромагнітне, кваркове і т. д. - по одному для кожного сорту «сутностей мікросвіту».

І вакуум, і те, що ми сприймаємо як окремі частинки, і складніші освіти, які не можна звести до окремих частинок, - все це описується як різні станиполів. Коли фізики вживають слово «частка», вони мають на увазі саме ці стани полів, а чи не окремі точкові об'єкти.

Стандартна модель включає наступні основні інгредієнти:

• Набір фундаментальних «цеглинок» матерії - шість сортів лептонів та шість сортів кварків. Всі ці частинки є ферміонами зі спином 1/2 і дуже природно організовуються в три покоління. Численні адрони – складові частинки, що беруть участь у сильній взаємодії, – складені з кварків у різних комбінаціях.
• Три типи сил, що діють між фундаментальними ферміонами, - електромагнітні, слабкі та сильні. Слабка та електромагнітна взаємодії є двома сторонами єдиного електрослабкої взаємодії. Сильна взаємодія стоїть окремо, і саме вона пов'язує кварки в адрони.
• Всі ці сили описуються на основі калібрувального принципу- вони не вводяться в теорію «насильно», а немов виникають самі собою внаслідок вимоги симетричності теорії щодо певних перетворень. Окремі види симетричності породжують сильну та електрослабку взаємодії.
• Незважаючи на те, що в самій теорії є електрослабка симетрія, в нашому світі вона мимоволі порушується. Спонтанне порушення електрослабкої симетрії- Необхідний елемент теорії, і в рамках Стандартної моделі порушення відбувається за рахунок хіггсовського механізму.
• Чисельні значення для приблизно двох десятків констант: це маси фундаментальних ферміонів, чисельні значенняконстант зв'язку взаємодій, що характеризують їх силу, та деякі інші величини. Всі вони раз і назавжди витягуються з порівняння з досвідом і за подальших обчислень вже не підганяються.

Крім того, Стандартна модель - теорія, що перенормується, тобто всі ці елементи вводяться в неї таким самоузгодженим способом, який, в принципі, дозволяє проводити обчислення з потрібним ступенем точності. Втім, найчастіше обчислення з бажаним ступенем точністю виявляються непідйомно складними, але це проблема не самої теорії, а швидше наших обчислювальних здібностей.

Що може і чого не може? Стандартна модель

Стандартна модель - це багато в чому описова теорія. Вона не дає відповіді на багато питань, що починаються з «чому»: чому частинок саме стільки і таких? звідки взялися саме ці взаємодії та саме з такими властивостями? навіщо природі знадобилося створювати три покоління ферміонів? Чому чисельні значення параметрів саме такі? З іншого боку, Стандартна модель неспроможна описати деякі явища, які у природі. Зокрема, в ній немає місця масам нейтрино та частинкам темної матерії. Стандартна модель не враховує гравітації і невідомо, що з цією теорією відбувається на планківському масштабі енергій, коли гравітація стає надзвичайно важливою.

Якщо ж використовувати Стандартну модель за своїм призначенням, для передбачення результатів зіткнень елементарних частинок, то вона дозволяє, залежно від конкретного процесу, виконувати обчислення різним ступенемточності.

• Для електромагнітних явищ(розсіювання електронів, енергетичні рівні) точність може досягати мільйонних часток і навіть краще. Рекорд тут містить аномальний магнітний момент електрона, який обчислений з точністю краще однієї мільярдної.
• Багато високоенергетичних процесів, які протікають за рахунок електрослабких взаємодій, обчислюються з точністю краще відсотка.
• Найгірше піддається розрахунку сильна взаємодія при не дуже високих енергіях. Точність розрахунку таких процесів сильно варіюється: в одних випадках вона може досягати відсотків, в інших випадках різні теоретичні підходиможуть давати відповіді, які різняться у кілька разів.

Варто наголосити, що той факт, що деякі процеси важко розрахувати з потрібною точністю, не означає, що «теорія погана». Просто вона дуже складна, і сучасних математичних прийомів поки не вистачає, щоб простежити всі її наслідки. Зокрема, одне із знаменитих математичних Задач тисячоліття стосується проблеми конфайнменту в квантовій теорії з неабельною калібрувальною взаємодією.

Додаткова література:

• Базові відомості про хіггсівський механізм можна знайти в книзі Л. Б. Окуня «Фізика елементарних частинок» (на рівні слів і картинок) та «Лептони та кварки» (на серйозному, але доступному рівні).

На рис. 11.1 ми перерахували всі відомі частки. Це будівельна цеглина Всесвіту, принаймні така точка зору на момент написання цієї книги, але ми очікуємо виявити ще кілька - можливо, ми побачимо бозон Хіггса або нову частинку, пов'язану з загадковою темною матерією, що існує у великій кількості, яка, ймовірно, необхідна для описи всього Всесвіту. Або, можливо, на нас чекають суперсиметричні частинки, передбачені теорією струн, або збудження Калуци – Клейна, характерні для додаткових вимірювань простору, або технікварки, або лептокварки, або… теоретичних міркувань безліч, і обов'язок тих, хто проводить експерименти на ВАК, у тому, щоб звузити поле пошуку, виключити невірні теорії та вказати шлях уперед.

Мал. 11.1. Частинки природи

Все, що можна побачити і доторкнутися; будь-яка нежива машина, будь-яке жива істота, будь-яка скеля, будь-яка людина на планеті Земля, будь-яка планета і будь-яка зірка в кожній з 350 мільярдів галактик у Всесвіті, що спостерігається, складається з частинок з першого стовпця. Ви самі складається з поєднання всього трьох частинок – верхнього та нижнього кварків та електрона. Кварки становлять атомне ядро, а електрони, як ми бачили, відповідають за хімічні процеси. Частка, що залишилася з першого стовпця - нейтрино - можливо, знайома вам менше, але Сонце пронизує кожен квадратний сантиметр вашого тіла 60 мільярдами таких частинок щомиті. Вони переважно без затримки проходять через вас і всю Землю – тому ви ніколи їх не помічали і не відчували їхньої присутності. Але вони, як ми незабаром побачимо, відіграють ключову роль у процесах, які дають енергію Сонця, а отже, уможливлюють саме наше життя.

Ці чотири частинки утворюють так зване перше покоління матерії – разом із чотирма фундаментальними природними взаємодіями це все, що, зважаючи на все, потрібно для створення Всесвіту. Однак з причин, які поки що до кінця не зрозумілі, природа вважала за краще забезпечити нас ще двома поколіннями - клонами першого, тільки ці частинки більш масивні. Вони представлені у другому та третьому стовпцях рис. 11.1. Топ-кварк особливо перевершує масою інші фундаментальні частки. Він був відкритий на прискорювачі Національної прискорювальної лабораторії ім. Енріко Фермі під Чикаго в 1995 році, і його маса, згідно з вимірами, більш ніж у 180 разів перевищує масу протона. Чому топ-кварк виявився таким монстром, тому що він так само схожий на точку, як і електрон, поки загадка. Хоча всі ці додаткові покоління матерії не відіграють безпосередньої ролі у звичайних справах Всесвіту, вони, ймовірно, були ключовими гравцями одразу після Великого вибуху… Але це зовсім інша історія.

На рис. 11.1 у правому стовпці показані також частинки-переносники взаємодії. Гравітація у таблиці не представлена. Спроба перенести обчислення стандартної моделі на теорію гравітації наштовхуються на певні складнощі. Відсутність у квантовій теорії гравітації деяких важливих властивостей, характерних для Стандартної моделі, не дозволяє застосовувати там самі методи. Ми не стверджуємо, що її не існує; теорія струн – це спроба взяти гравітацію до уваги, але поки що успіхи цієї спроби обмежені. Так як гравітація дуже слабка, вона не відіграє значної ролі в експериментах з фізики частинок, і з цієї прагматичної причини ми більше не про неї говоритимемо. Минулого розділу ми встановили, що фотон служить посередником у поширенні електромагнітної взаємодії між електрично зарядженими частинками, і така поведінка визначається новим правилом розсіювання. Частинки Wі Zроблять те саме для слабкої взаємодії, а глюони переносять сильну взаємодію. Основні різницю між квантовими описами сил пов'язані з тим, що правила розсіювання різні. Так, все (майже) так просто, і деякі нові правила розсіювання ми привели на рис. 11.2. Подібність із квантовою електродинамікою дозволяє легко зрозуміти функціонування сильної та слабкої взаємодій; нам потрібно лише розуміти, які правила розсіювання для них, після чого можна накреслити такі ж діаграми Фейнмана, які ми наводили для квантової електродинаміки у минулому розділі. На щастя, зміна правил розсіювання – це дуже важливе для фізичного світу.

Мал. 11.2. Деякі правила розсіювання для сильної та слабкої взаємодій

Якби ми писали підручник з квантової фізики, можна було б перейти до висновку правил розсіювання для кожного з показаних на рис. 11.2 процесів, а також для багатьох інших. Ці правила відомі як правила Фейнмана, і вони згодом допомогли б вам – чи комп'ютерній програмі – розрахувати ймовірність того чи іншого процесу, як ми робили це на чолі про квантову електродинаміку.

Ці правила відображають щось дуже важливе про наш світ, і дуже вдало, що їх можна звести до набору простих картинок та положень. Але ми взагалі не пишемо підручник з квантової фізики, тому замість цього зосередимося на діаграмі праворуч вгорі: це правило розсіюванняособливо важливо для життя на Землі. Воно показує, як верхній кварк перетворюється на нижній, випускаючи W‑частинку, і ця поведінка призводить до грандіозних результатів у ядрі Сонця.

Сонце - це газоподібне море протонів, нейтронів, електронів і фотонів обсягом мільйон земних куль. Це море колапсує під своєю силою тяжкості. Стиснення неймовірної сили розігріває сонячне ядро ​​до 15 000 000 ℃, і за такої температури протони починають зливатися, формуючи ядра гелію. При цьому вивільняється енергія, яка збільшує тиск на зовнішні рівні зірки, врівноважуючи внутрішню силу тяжкості.

Докладніше ми розглянемо цю відстань хисткої рівноваги в епілозі, а зараз просто хочемо зрозуміти, що означає «протони починають зливатися один з одним». Здається, все досить просто, але точний механізм такого злиття в сонячному ядрі був джерелом постійних наукових суперечок у 1920–1930-ті роки. Британський вчений Артур Еддінгтон першим припустив, що джерело енергії Сонця - ядерний синтез, але швидко виявилося, що температура начебто занадто мала для запуску цього процесу відповідно до відомих на той момент законів фізики. Однак Еддінгтон дотримувався своєї думки. Добре відомо його зауваження: «Гелій, з яким ми маємо справу, мав утворитися в якийсь час у якомусь місці. Ми не сперечаємося з критиком, який заявляє, що зірки недостатньо гарячі для цього процесу; ми пропонуємо йому знайти місце гарячіше».

Проблема полягає в тому, що, коли два швидко протони, що швидко рухаються, в сонячному ядрі зближуються, в результаті електромагнітної взаємодії (або, мовою квантової електродинаміки, в результаті обміну фотонами) вони відштовхуються. Для злиття їм потрібно зійтися мало не до повного перекриття, а сонячні протони, як добре було відомо Еддінгтону та його колегам, рухаються недостатньо швидко (бо Сонце недостатньо гаряче) для подолання взаємного електромагнітного відштовхування. Ребус дозволяється так: на авансцену виходить W‑частка і рятує ситуацію. При зіткненні один із протонів може перетворитися на нейтрон, звернувши один із своїх верхніх кварків у нижній, як зазначено на ілюстрації до правила розсіювання на рис. 11.2. Тепер новостворений нейтрон і протон, що залишився, можуть зійтися дуже близько, оскільки нейтрон не несе ніякого електричного заряду. Мовою квантової теорії поля це означає, що обміну фотонами, при якому нейтрон і протон відштовхувалися б один від одного, не відбувається. Звільнившись від електромагнітного відштовхування, протон і нейтрон можуть злитися разом (внаслідок сильної взаємодії), утворюючи дейтрон, що швидко призводить до утворення гелію, що вивільняє енергію, яка дає зірці життя. Цей процес показано на рис. 11.3 та відображає той факт, що W‑Частина живе недовго, розпадаючись на позитрон і нейтрино, – це і є джерело тих самих нейтрино, які в таких кількостях пролітають через ваше тіло. Войовничий захист Еддінгтоном синтезу як джерела сонячної енергіїбула справедливою, хоча він не мав ні тіні готового рішення. W‑частка, яка пояснює те, що відбувається, була відкрита в ЦЕРН разом з Z‑часткою у 1980-ті роки.

Мал. 11.3. Перетворення протона на нейтрон у межах слабкої взаємодії з випромінюванням позитрона і нейтрино. Без цього процесу Сонце не могло б світити

На завершення короткого оглядуСтандартної моделі звернемося до сильної взаємодії. Правила розсіювання є такими, що тільки кварки можуть переходити в глюони. Більше того, вони з більшою ймовірністю зроблять саме це, ніж будь-що ще. Схильність до випускання глюонів - саме та причина, через яку сильна взаємодія отримала свою назву і через яку розсіювання глюонів здатне подолати електромагнітну силу відштовхування, яка могла б призвести позитивно заряджений протон до руйнування. На щастя, сильна ядерна взаємодія поширюється лише на невелику відстань. Глюони покривають відстань трохи більше 1 фемтометра (10–15 м) і знову розпадаються. Причина, через яку вплив глюонів настільки обмежений, особливо в порівнянні з фотонами, здатними подорожувати через весь Всесвіт, полягає в тому, що глюони можуть перетворюватися і на інші глюони, як показано на двох останніх діаграмах рис. 11.2. Цей прийом з боку глюонів істотно відрізняє сильну взаємодію від електромагнітного і обмежує поле його діяльності вмістом атомного ядра. У фотонів подібного самопереходу немає, і це добре, бо інакше ви не бачили б, що відбувається у вас перед носом, тому що фотони, що летять до вас, відштовхувалися б від тих, які рухаються вздовж вашої лінії зору. Те, що ми взагалі можемо бачити, – одне з чудес природи, яке до того ж є яскравим нагадуванням, що фотони взагалі рідко взаємодіють.

Ми не пояснили, ні звідки беруться всі ці нові правила, ні чому Всесвіт містить саме такий набір частинок. І на те є свої причини: насправді ми не знаємо відповіді на жодне з цих питань. Частинки, з яких складається наш Всесвіт - електрони, нейтрино і кварки, - це актори, що виконують головні ролі в космічній драмі, що розгортається на наших очах, але поки що у нас немає переконливих способів пояснення, чому склад акторів повинен бути саме таким.

Однак вірно, що, маючи список частинок, ми можемо частково передбачити спосіб їх взаємодії один з одним, який передбачає правила розсіювання. Правила розсіювання фізики взяли не з повітря: у всіх випадках вони передбачаються на тій підставі, що теорія, що описує взаємодії частинок, повинна бути квантовою теорією поля з деяким доповненням, яке отримало назву калібрувальної інваріантності.

Обговорення походження правил розсіювання завело б нас занадто далеко від основного напряму книги – але ми все ж таки хочемо повторити, що основні закони дуже прості: Всесвіт складається з частинок, які рухаються і взаємодіють відповідно до ряду правил переходу та розсіювання. Ми можемо користуватися цими правилами при обчисленні ймовірності того, що «щось» відбувається, Складаючи ряди циферблатів, причому кожен циферблат відповідає кожному способу, яким «щось» може трапитись .

Походження маси

Заявляючи, що частки можуть перескакувати з точки в крапку, так і розсіюватися, ми вступаємо в область квантової теорії поля. Перехід та розсіювання – це практично все, чим вона займається. Однак ми поки що майже не згадували масу, бо вирішили залишити найцікавіше наостанок.

Сучасна фізика часток покликана дати відповідь на питання про походження маси і дає його за допомогою чудового та дивовижного розділу фізики, пов'язаного з новою часткою. Причому нова вона не тільки в тому сенсі, що ми ще не зустрічали її на сторінках цієї книги, а й тому, що насправді ніхто на Землі ще не зустрічався з нею «віч-на-віч». Ця частка називається бозоном Хіггса, і ВАК вже близький до її виявлення. До вересня 2011 року, коли ми пишемо цю книгу, на ВАК спостерігався цікавий об'єкт, подібний до бозона Хіггса, але поки що сталося недостатньо подій, щоб вирішити, він це чи ні. Можливо, це були лише цікаві сигнали, які з подальшим розглядом зникли. Питання про походження маси особливо чудове тим, що на нього цінний і крім нашого очевидного бажання дізнатися, що таке маса. Спробуємо пояснити цю досить загадкову і дивним чином сконструйовану пропозицію докладніше.

Коли ми говорили про фотони та електрони у квантовій електродинаміці, ввели правило переходу для кожного з них і зазначили, що ці правила відрізняються: для пов'язаного з переходом електрона з точки Ав точку Уми використовували символ P(A, B), а для відповідного правила, пов'язаного з фотоном, – символ L(A, B).Настав час розглянути, наскільки сильно відрізняються правила цих двох випадках. Різниця полягає, наприклад, у тому, що електрони діляться на два типи (як ми знаємо, вони «крутяться» одним із двох різних способів), а фотони – на три, але ця відмінність нас зараз цікавити не буде. Ми звернемо увагу на інше: електрон має масу, а фотон – ні. Саме це ми і дослідитимемо.

На рис. 11.4 показаний один з варіантів, як ми можемо уявити поширення частки, що володіє масою. Частка на малюнку перескакує з точки Ав точку Уза кілька стадій. Вона переходить із точки Ав точку 1, з точки 1 в точку 2 і так далі, поки, нарешті, не потрапляє з точки 6 у точку У. Цікаво, однак, що в такому вигляді правило для кожного стрибка – це правило для частки з нульовою масою, але з одним важливим застереженням: щоразу, коли частка змінює напрямок, ми повинні застосувати нове правило зменшення циферблату, причому величина зменшення обернено пропорційна масі описуваної частки. Це означає, що з кожному перекладі годин циферблати, пов'язані з важкими частинками, зменшуються менш різко, ніж циферблати, що з більш легкими частинками. Важливо наголосити, що це правило системне.

Мал. 11.4. Масивна частка, що рухається з точки Ав точку У

І зигзагоподібний рух, і зменшення циферблату безпосередньо випливають із правил Фейнмана для поширення масивної частки без якихось інших припущень. На рис. 11.4 показаний лише один спосіб попадання частинки з точки Ав точку У– після шести поворотів та шести зменшення. Щоб отримати підсумковий циферблат, пов'язаний з масивною частинкою, яка переходить з точки Ав точку У, ми, як завжди, повинні скласти нескінченну кількість циферблатів, пов'язаних з усіма можливими способами, якими частка може пройти свій зигзагоподібний шлях з точки Ав точку У. Найпростіший спосіб - прямий шлях без будь-яких поворотів, але доведеться взяти до уваги і маршрути з величезною кількістю поворотів.

Для частинок з нульовою масою зменшує коефіцієнт, пов'язаний з кожним поворотом, просто вбивчий, тому що нескінченний. Іншими словами, після першого повороту ми зменшуємо циферблат до нуля. Таким чином, для часток без маси має значення лише прямий маршрут – іншим траєкторіям просто не відповідає жодному циферблату. Саме на це ми й очікували: для часток без маси ми можемо використовувати правило стрибка. Однак для часток з ненульовою масою повороти дозволені, хоча якщо частка дуже легка, коефіцієнт зменшення накладає суворе вето на траєкторії з багатьма поворотами.

Таким чином, найімовірніші маршрути містять мало поворотів. І навпаки, важким часткам не загрожує занадто великий зменшуючий коефіцієнт при повороті, тому вони частіше описуються маршрутами з зигзагоподібним рухом. Тому можна вважати, що важкі частинки можна вважати частинками без маси, які рухаються з точки Ав точку Узигзагоподібно. Кількість зигзагів – це те, що ми називаємо «масою».

Все це чудово, тому що тепер у нас з'явився новий спосіб уявлення масивних частинок. На рис. 11.5 показано розповсюдження трьох різних частинок із зростаючою масою з точки Ав точку У. У всіх випадках правило, пов'язане з кожним «зигзагом» їхнього шляху, збігається з правилом для частки без маси, і за кожен поворот доводиться розплачуватися зменшенням циферблату. Але не слід надто радіти: поки що ми ще не пояснили нічого фундаментального. Все, що поки що вдалося зробити, - це замінити слово "маса" словами "прагнення до зигзагів". Це можна було зробити, тому що обидва варіанти – математично еквівалентні описи поширення масивної частки. Але навіть за таких обмежень наші висновки здаються цікавими, а зараз ми дізнаємося, що це, виявляється, не просто математичний курйоз.

Мал. 11.5. Частинки із зростаючою масою рухаються з точки Ав точку У. Чим масивніша частка, тим більше зигзагів у її русі

Перенесемося в царство умоглядного – хоча до того моменту, коли ви читатимете цю книгу, теорія може вже й отримати своє підтвердження.

На даний момент на ВАК відбуваються зіткнення протонів загальною енергією в 7 ТеВ. ТеВ – це тераелектронвольти, що відповідає енергії, яку мав би електрон, пропущений через різницю потенціалів 7 000 000 мільйонів вольт. Для порівняння зазначимо, що приблизно така енергія, яку субатомні частинки мали через трильйонну частку секунди після Великого вибуху, і цієї енергії достатньо, щоб створити прямо з повітря масу, еквівалентну масі 7000 протонів (відповідно до формули Ейнштейна E = mc²). І це лише половина розрахункової енергії: за потреби ВАК може включити і вищі обороти.

Одна з основних причин, з яких 85 країн світу з'єднали сили, створили цей гігантський зухвалий експеримент і керують ним, – прагнення знайти механізм, який відповідає за створення маси фундаментальних частинок. Найбільш поширена ідея походження маси полягає у її зв'язку з зигзагами і встановлює нову фундаментальну частинку, на яку «наштовхуються» інші частинки у своєму русі Всесвітом. Ця частка – бозон Хіггса. Відповідно до Стандартної моделі, без бозона Хіггса фундаментальні частинки перескакували б з місця на місце без будь-яких зигзагів, і Всесвіт був би зовсім інший. Але якщо ми заповнимо порожнє місце частинками Хіггса, вони зможуть відхиляти частки, змушуючи їх робити зигзаги, що, як ми вже встановили, веде до появи маси. Приблизно так, як ви йдете через переповнений бар: вас штовхають то ліворуч, то праворуч, і ви практично зигзагами пробираєтеся до стійки.

Механізм Хіггса отримав своє ім'я на честь единбурзького теоретика Пітера Хіггса; це поняття було введено у фізику частинок у 1964 році. Ідея, очевидно, носилася в повітрі, тому що її висловили в один і той же час відразу кілька людей: по-перше, звичайно, сам Хіггс, а також Роберт Браут і Франсуа Енглер, які працювали в Брюсселі, і лондонці Джеральд Гуральник, Карл Хейган та Том Кіббл. Їхні роботи, у свою чергу, ґрунтувалися на більш ранніх працях багатьох попередників, у тому числі Вернера Гейзенберга, Йоітіро Намбу, Джеффрі Голдстоуна, Філіпа Андерсона та Стівена Вайнберга. Повне осмислення цієї ідеї, за яке у 1979 році Шелдон Глешоу, Абдус Салам та Вайнберг отримали Нобелівську премію, - Це і є не що інше, як Стандартна модель фізики частинок. Сама ідея досить проста: порожнє місце насправді не порожнє, що і призводить до зигзагоподібного руху та появи маси. Але нам, очевидно, треба ще багато чого пояснити. Як же виявилося, що пусте місце раптом стало набите частинками Хіггса, - хіба ми не помітили б цього раніше? І як цей дивний стан речей узагалі виник? Пропозиція дійсно здається досить екстравагантною. Крім того, ми не пояснили, чому деякі частини (наприклад, фотони) не мають маси, а інші ( W-бозони і топ-кварки) мають масу, порівнянну з масою атома срібла або золота.

На друге питання відповісти легше, ніж на перше, принаймні на перший погляд. Частинки взаємодіють одна з одною лише за правилом розсіювання; не відрізняються щодо цього і частки Хіггса. Правило розсіювання для топ-кварка має на увазі ймовірність його злиття з частинкою Хіггса, і відповідне зменшення циферблату (пам'ятайте, що при всіх правилах розсіювання діє зменшуючий коефіцієнт) буде набагато меншим, ніж у випадку з більш легкими кварками. Ось «чому» топ-кварк настільки масивніший, ніж верхній кварк. Однак це, зрозуміло, не пояснює, чому правило розсіювання саме таке. У сучасній науцівідповідь на це питання бентежить: «Бо». Це питання схоже на інше: «Чому поколінь частинок саме три?» і «Чому сила тяжіння така слабка?» Так само для фотонів немає правила розсіювання, яке давало б їм можливість скласти пару з частинками Хіггса, в результаті вони з ними не взаємодіють. Це, у свою чергу, призводить до того, що вони не рухаються зигзагами та не мають маси. Хоча ми, можна сказати, зняли з себе відповідальність, все ж таки це хоч якесь пояснення. І вже точно можна сказати, що якщо ВАК допоможе виявити бозони Хіггса і підтвердити, що вони дійсно утворюють пари з іншими частинками подібним чином, то ми можемо з впевненістю заявити, що знайшли можливість дивним чином піддивитися за тим, як працює природа.

На перше з наших питань знайти відповідь дещо важче. Нагадаємо, ми цікавилися: як вийшло, що порожній простір був заповнений частинками Хіггса? Для розігріву скажемо таке: квантова фізика стверджує, що немає такого поняття, як порожній простір. Те, що ми так називаємо, - це кипучий вир субатомних частинок, від яких ніяк не можна позбутися. Усвідомивши це, ми вже набагато простіше поставимося до того, що порожній простір може бути повним частинок Хіггса. Але про все по порядку.

Уявіть собі маленький шматочок міжзоряного простору – самотній куточок Всесвіту у мільйонах світлових років від найближчої галактики. Згодом виявляється, що частки постійно виникають там нізвідки і зникають у нікуди. Чому? Справа в тому, що правила дозволяють процес створення та анігіляції античастинки-частинки. Приклад можна знайти на нижній діаграмі Мал. 10.5: уявіть, що на ньому немає нічого, окрім електронної петлі. Тепер діаграма відповідає раптовому виникненню та подальшому зникненню електрон-позитронної пари. Так як креслення петлі не порушує жодних правил квантової електродинаміки, ми повинні визнати, що це реальна можливість: пам'ятайте, все, що може статися, відбувається. Ця конкретна можливість - всього один з нескінченної множиниваріантів бурхливого життя порожнього простору, і, оскільки ми живемо в квантовому Всесвіті, правильно підсумовуватиме всі ці ймовірності. Іншими словами, структура вакууму неймовірно багата і складається з усіх можливих способівпояви та зникнення частинок.

В останньому абзаці ми згадали, що вакуум не такий вже й порожній, але картина його існування виглядає досить демократичною: всі елементарні частинки грають свої ролі. Що так відрізняє саме бозон Хіггса? Якби вакуум був лише кипучою живильним середовищем для народження та анігіляції пар антиматерію-матерію, то всі елементарні частинки продовжували б мати нульову масу: самі по собі квантові петлі масу не породжують. Ні, треба населити вакуум чимось іншим, і тут у гру вступає цілий вагон частинок Хіггса. Пітер Хіггс просто припустив, що порожній простір повно деякими частинками, не відчуваючи себе зобов'язаним пускатися в глибокі пояснення, чому це так. Частинки Хіггса у вакуумі створюють зигзаговий механізм, а також постійно, без відпочинку взаємодіють з кожною масивною частинкою у Всесвіті, вибірково уповільнюючи їх рух та створюючи масу. Загальний результат взаємодій між звичайною матерією та вакуумом, наповненим частинками Хіггса, полягає в тому, що світ з безформного стає різноманітним та чудовим, населеним зірками, галактиками та людьми.

Звичайно, виникає нове питання: звідки бозони Хіггса узялися взагалі? Відповідь поки невідома, але вважається, що це залишки так званого фазового переходу, який стався невдовзі після Великого вибуху. Якщо досить довго дивитися на шибку зимовим вечоромКоли стає холодніше, ви побачите, як з водяної пари нічного повітря, немов за помахом чарівної палички, виникає структурована досконалість крижаних кристалів. Перехід від водяної пари до льоду на холодному склі – це фазовий перехід, оскільки молекули води переформуються в крижані кристали; це спонтанне порушення симетрії безформної хмари пари внаслідок зниження температури. Крижані кристали формуються, тому що це енергетично сприятливо. Як м'яч котиться з гори, щоб унизу прийти до нижчого енергетичного стану, як електрони перебудовуються навколо атомних ядер, формуючи зв'язки, що утримують молекули разом, так і точена краса сніжинки – це конфігурація молекул води з нижчою енергією, ніж безформна хмара пари.

Ми вважаємо, що щось подібне сталося і на початку історії Всесвіту. Новонароджений Всесвіт був спочатку гарячі частинки газу, потім розширився і охолодився, і з'ясувалося, що вакуум без бозонів Хіггса виявився енергетично несприятливим, і природним став стан вакууму, повного частинок Хіггса. Цей процес, по суті, схожий на конденсацію води в краплі або крижинки на холодному склі. Спонтанне утворення крапельок води при їх конденсації на холодному склі створює враження, що вони просто утворилися «нізвідки». Так і у випадку з бозонами Хіггса: на гарячих стадіях відразу після Великого вибуху вакуум кипів швидкоплинними квантовими флуктуаціями (представленими петлями на наших діаграмах Фейнмана): частинки та античастинки виникали з нізвідки і знову зникали в нікуди. Однак потім, коли Всесвіт охолонув, сталося щось радикальне: раптово, з нізвідки, як крапля води з'являється на склі, виник «конденсат» частинок Хіггса, які спочатку утримувалися разом завдяки взаємодії, об'єднані в недовговічну суспензію, через яку поширювалися інші частинки.

Уявлення про те, що вакуум заповнений матеріалом, передбачає, що ми, як і все інше у Всесвіті, живемо всередині гігантського конденсату, який виник при охолодженні Всесвіту, як виникає вдосвіта ранкова роса. Щоб ми не думали, що вакуум знайшов вміст лише в результаті конденсації бозонів Хіггса, зазначимо, що у вакуумі є не тільки вони. У міру подальшого охолодження Всесвіту кварки та глюони теж конденсувалися, і вийшли, що не дивно, кваркові та глюонні конденсати. Існування цих двох добре встановлено експериментально, і вони відіграють дуже важливу роль у нашому розумінні сильної ядерної взаємодії. Насправді саме завдяки цій конденсації з'явилася більшість протонів і нейтронів. Вакуум Хіггса, таким чином, в кінцевому рахунку створив маси елементарних частинок, що спостерігаються нами - кварків, електронів, тау-, W- І Z-Частинок. Кварковий конденсат включається у справу, коли потрібно пояснити, що відбувається, якщо безліч кварків поєднується в протон або нейтрон. Цікаво, що хоча механізм Хіггса має відносно небагато значення для пояснення маси протонів, нейтронів та важких атомних ядер, то для пояснення мас W- І Z-Частинок він дуже важливий. Для них кваркові і глюонні конденсати без частки Хіггса створили б масу приблизно 1 ГеВ, але експериментально отримані маси цих частинок приблизно в 100 разів вище. ВАК був призначений для роботи в енергетичній зоні W- І Z‑частинок, щоб з'ясувати, який механізм відповідає за їхню порівняно велику масу. Що це за механізм – довгоочікуваний бозон Хіггса чи щось таке, про що ніхто й подумати не міг, – покажуть лише час та зіткнення частинок.

Розбавимо міркування деякими дивовижними цифрами: енергія, укладена в 1 м3 порожнього простору в результаті конденсації кварків і глюонів, дорівнює неймовірним 1035 джоулям, а енергія в результаті конденсації частинок Хіггса ще в 100 разів більше. Разом вони дорівнюють тій кількості енергії, яку наше Сонце виробляє за 1000 років. Точніше, це «негативна» енергія, тому що вакуум знаходиться в нижчому енергетичному стані, ніж Всесвіт, який не містить жодних частинок. Негативна енергія- Це енергія зв'язку, що супроводжує утворення конденсатів і сама по собі жодною мірою не загадкова. Вона не більш дивовижна, ніж той факт, що для кип'ятіння води (і обігу фазового переходу з пари в рідину) потрібно додати енергію.

Але загадка все ж таки є: така висока негативна енергетична щільність кожного квадратного метрапорожнього простору повинна взагалі принести у Всесвіт таке спустошення, що не з'явилися б ні зірки, ні люди. Всесвіт буквально розлетівся б на частини за мить після Великого вибуху. Ось що сталося б, якби ми взяли з фізики частинок передбачення про вакуумну конденсацію і безпосередньо додали їх у гравітаційні рівняння Ейнштейна, застосувавши для всього Всесвіту. Цей малоприємний ребус відомий як проблема космологічної константи. Власне, це одна із центральних проблем фундаментальної фізики. Вона нагадує, що заявляти про повне розуміння природи вакууму та/або гравітації треба з великою обережністю. Поки що ми не розуміємо чогось вельми фундаментального.

На цій пропозиції закінчуємо розповідь, бо дійшли до меж нашого пізнання. Зона пізнаного – це не те, із чим працює вчений-дослідник. Квантова теорія, як ми помітили ще на початку книги, має репутацію складної та відверто дивної, оскільки дозволяє чи не будь-яку поведінку матеріальних частинок. Але все, що ми описали, крім цього останнього розділу, відомо і добре зрозуміло. Наслідуючи не здоровому глузду, а доказам, ми дійшли теорії, здатної описати велика кількістьявищ - від променів, що випромінюються гарячими атомами, до ядерного синтезу в зірках. Практичне застосуванняцієї теорії призвело до найважливішого технологічного прориву XX століття - появі транзистора, а робота цього пристрою була б абсолютно незрозумілою без квантового підходу до світу.

Але квантова теорія щось набагато більше, ніж просто тріумф пояснень. В результаті насильно укладеного шлюбу між квантовою теорією та відносністю як теоретична необхідність з'явилася антиматерія, яку після цього дійсно відкрили. Спін – фундаментальна властивістьсубатомних частинок, що лежить в основі стабільності атомів, - теж спочатку був теоретичним пророкуванням, яке вимагалося для стійкості теорії. А зараз, у другому квантовому столітті, Великий адронний колайдер вирушає до незвіданого, щоб дослідити сам вакуум. Це і є науковий прогрес: постійне та ретельне створення набору пояснень та передбачень, що в результаті змінює наше життя. Це й відрізняє науку від решти. Наука - це не просто інша точка зору, вона відображає реальність, яку було б складно уявити навіть власнику збоченої і сюрреалістичної уяви. Наука - це дослідження реальності, і якщо реальність виявляється при цьому сюрреалістичною, отже, вона така і є. Квантова теорія – найкращий приклад сили наукового методу. Ніхто б не зміг висунути її без якнайретельніших і докладніших експериментів, а фізики-теоретики, які її створили, змогли відкинути свої глибоко укорінені комфортні уявлення про світ, щоб пояснити докази, що лежать перед ними. Можливо, загадка вакуумної енергії – поклик до нової квантової подорожі; можливо, ВАК надасть нові та незрозумілі дані; можливо, все, що міститься в цій книзі, виявиться лише наближенням до набагато глибшої картини – дивовижний шлях до розуміння нашого квантового Всесвіту триває.

Коли ми тільки обмірковували цю книгу, якийсь час сперечалися, чим її закінчити. Хотілося знайти відображення інтелектуальної та практичної потужності квантової теорії, яке переконало б навіть найскептичнішого читача, що наука справді у всіх подробицях відображає те, що відбувається у світі. Ми обидва погодилися, що таке відображення існує, хоч і потребує певного розуміння алгебри. Ми щосили намагалися міркувати без ретельного розгляду рівнянь, але тут уникнути цього неможливо, отже ми хоча б попереджаємо. Отже, наша книга закінчується тут, навіть якщо вам хотілося б більше. В епілозі – найпереконливіша, на наш погляд, демонстрація могутності квантової теорії. Удачі - і доброго шляху.

Епілог: смерть зірок

Вмираючи, багато зірок закінчують свій шлях як надщільні кулі ядерної матерії, переплетеної з безліччю електронів. Це звані білі карлики. Такою буде доля нашого Сонця, коли воно приблизно через 5 мільярдів років вичерпає запаси ядерного палива, і доля ще більше 95 % зірок нашої Галактики. Користуючись тільки ручкою, папером і трохи головою, можна визначити найбільшу можливу масу таких зірок. Ці обчислення, вперше зроблені в 1930 році Субраманіяном Чандрасекаром, за допомогою квантової теорії та теорії відносності дозволили зробити два зрозумілі прогнози. По-перше, це було передбачення існування білих карликів – кульок матерії, які, за принципом Паулі, рятує від руйнування сила власної гравітації. По-друге – якщо ми відвернемося від аркуша паперу з усілякими теоретичними каракулями і подивимося в нічне небо, ми ніколине побачимо білий карлик з масою, яка більш ніж в 1,4 рази перевершувала масу нашого Сонця. Обидва ці припущення відрізняються неймовірною зухвалістю.

Сьогодні астрономи вже занесли до каталогів близько 10 тисяч білих карликів. Більшість їх маса становить приблизно 0,6 маси Сонця, а найбільша зафіксована – трохи менше 1,4 маси Сонця. Це – 1,4 – свідчення тріумфу наукового методу. Воно спирається на розуміння ядерної фізики, квантової фізики та спеціальної теоріївідносності Ейнштейна – трьох китів фізики ХХ століття. При його обчисленні потрібні фундаментальні константи природи, з якими ми вже зустрічалися в цій книзі. До кінця епілогу ми з'ясуємо, що максимальна маса визначається ставленням

Дивіться уважно те, що ми записали: результат залежить від Постійна Планка, швидкості світла, гравітаційної постійної Ньютона та маси протона. Дивно, що ми можемо передбачити найбільшу масу зірки, що вмирає, за допомогою поєднання фундаментальних констант. Тристороннє поєднання гравітації, відносності та кванта дії, що з'являється в рівнянні ( hc/G)½, називається планківською масою, і при підстановці цифр виявляється, що вона дорівнює приблизно 55 мкг, тобто масі піщинки. Тому, як не дивно, межа Чандрасекара обчислюється за допомогою двох мас – піщинки та протона. З таких нікчемних величин утворюється нова фундаментальна одиниця маси Всесвіту – маса зірки, що вмирає. Ми можемо досить довго пояснювати, як виходить межа Чандрасекара, але натомість підемо трохи далі: ми опишемо власне обчислення, тому що вони і є інтригуючою частиною процесу. У нас не вийде точного результату (1,4 маси Сонця), але ми наблизимося до нього та побачимо, як професійні фізики роблять глибокі висновки за допомогою послідовності ретельно продуманих логічних ходів, постійно звертаючись при цьому до добре відомих фізичних принципів. У жодний момент вам не доведеться вірити нам на слово. Зберігаючи холодну голову, ми будемо повільно і невідворотно наближатися до зовсім разючих висновків.

Почнемо із запитання: що таке зірка? Можна майже без помилки сказати, що видимий Всесвітскладається з водню та гелію – двох самих простих елементів, сформованих у перші кілька хвилин після Великого вибуху. Після приблизно півмільярда років розширення Всесвіт став досить холодним, щоб щільніші області в газових хмарах під дією власної гравітації почали збиратися разом. Це були перші зачатки галактик, і всередині них, навколо дрібніших «грудок», почали формуватися перші зірки.

Газ у цих прототипах зірок, у міру того, як вони колапсували, ставав все гарячішим, що відомо будь-якому власнику велосипедного насоса: при стисканні газ нагрівається. Коли газ досягає температури близько 100 000 ℃, електрони більше не можуть утримуватися на орбітах навколо ядер водню та гелію, і атоми розпадаються, утворюючи гарячу плазму, що складається з ядер та електронів. Гарячий газ намагається розширитися, протидіючи подальшому схлопыванию, але за достатньої масі гравітація перемагає.

Оскільки протони мають позитивний електричний заряд, вони взаємно відштовхуватимуться. Але гравітаційний колапс набирає сили, температура продовжує підвищуватися, і протони починають рухатися все швидше. Згодом при температурі кілька мільйонів градусів протони рухатимуться максимально швидко і наблизяться один до одного так, що слабка ядерна взаємодія візьме гору. Коли це станеться, два протони зможуть вступити в реакцію один з одним: один із них спонтанно стає нейтроном, одночасно випускаючи позитрон та нейтрино (точно так, як показано на рис. 11.3). Звільнившись від сили електричного відштовхування, протон і нейтрон зливаються внаслідок сильної ядерної взаємодії, утворюючи дейтрон. При цьому вивільняється величезна кількість енергії, оскільки, як і у разі утворення молекули водню, зв'язування чогось разом вивільняє енергію.

При одному злитті протонів вивільняється дуже мало енергії за повсякденними стандартами. Один мільйон злиття пар протонів дає енергію, рівну кінетичній енергії комара в польоті або енергії випромінювання 100-ватної лампочки за наносекунду. Але в атомарному масштабі це величезна кількість; крім того, пам'ятайте, що ми говоримо про щільне ядро ​​газової хмари, що стискається, в якому кількість протонів на 1 см³ досягає 1026. Якщо всі протони в кубічному сантиметрі зіллються в дейтрони, звільниться 10¹³ джоулів енергії – достатньо для забезпечення річної потреби невеликого міста.

Злиття двох протонів у дейтрон – початок найрозбещенішого синтезу. Сам цей дейтрон шукає можливості злитися з третім протоном, утворюючи легший ізотоп гелію (гелій-3) і випромінюючи фотон, а ці ядра гелію потім породжують пару і зливаються у звичайний гелій (гелій-4) з випромінюванням двох протонів. На кожній стадії синтезу вивільняється дедалі більше енергії. Крім того, позитрон, що з'явився на початку ланцюжка перетворень, теж швидко зливається в навколишній плазмі з електроном, утворюючи пару фотонів. Уся ця звільнена енергія прямує у гарячий газ, що складається з фотонів, електронів та ядер, який протистоїть стиску матерії та зупиняє гравітаційний колапс. Така зірка: ядерний синтез спалює ядерне паливо, що знаходиться всередині, утворюючи зовнішній тиск, який стабілізує зірку, не даючи здійснитися гравітаційному колапсу.

Зрозуміло, колись водневе паливо закінчується, адже його кількість звісно. Якщо енергія більше не вивільняється, припиняється зовнішній тиск, гравітація знову набирає права, і зірка відновлює відкладений колапс. Якщо зірка досить масивна, її ядро ​​може прогрітися до температури приблизно 100 000 000 ℃. На цій стадії гелій – побічний продукт спалювання водню – спалахує і починає свій синтез, утворюючи вуглець і кисень, і гравітаційний колапс знову припиняється.

Але що відбувається, якщо зірка недостатньо потужна, щоб почався гелієвий синтез? Зі зірками, маса яких менше половини маси нашого Сонця, трапляється щось вкрай дивовижне. При стисканні зірка розігрівається, але ще до того, як ядро ​​досягає температури 100 000 000 ℃, дещо зупиняє колапс. Це дещо – тиск електронів, які дотримуються принципу Паулі. Як ми вже знаємо, принцип Паулі життєво необхідний розуміння того, як атоми залишаються стабільними. Він є основою властивостей матерії. І ось ще одна його перевага: він пояснює існування компактних зірок, які продовжують своє існування, хоча вже виробили все ядерне паливо. Як це працює?

Коли зірка стискається, електрони в ній починають займати менший обсяг. Ми можемо представляти електрон зірки через його імпульс pтим самим асоціюючи його з довжиною хвилі де Бройля, h/p. Нагадаємо, що частка може бути описана тільки таким хвильовим пакетом, який принаймні не меншим за пов'язану з нею довжиною хвилі. Це означає, що й зірка досить щільна, то електрони повинні перекривати одне одного, тобто не можна вважати, що вони описуються ізольованими хвильовими пакетами. Це, своєю чергою, означає, що з описи електронів важливі ефекти квантової механіки, особливо принцип Паулі. Електрони ущільнюються до тих пір, поки два електрони не починають претендувати на заняття однієї і тієї ж позиції, а принцип Паулі говорить, що електрони не можуть цього робити. Таким чином, і в вмираючою зіркоюелектрони уникають один одного, що допомагає позбутися подальшого гравітаційного колапсу.

Така доля легших зірок. А що буде із Сонцем та іншими зірками подібної маси? Ми пішли від них пару абзаців назад, коли перепалювали гелій у вуглець та водень. Що буде, коли гелій теж скінчиться? Вони теж повинні будуть стискатися під дією власної гравітації, тобто електрони будуть ущільнюватися. І принцип Паулі, як і у випадку з легшими зірками, втрутиться і припинить колапс. Але для найпотужніших зірок навіть принцип Паулі виявляється не всесильним. Коли зірка стискається і електрони ущільнюються, ядро ​​розігрівається і електрони починають рухатися все швидше. У досить важких зірок електрони наближаються до швидкості світла, після чого відбувається щось нове. Коли електрони починають рухатися з такою швидкістю, тиск, який електрони здатні розвивати для протистояння гравітації, знижується, і це завдання вони вже не здатні вирішити. Вони просто більше не можуть боротися з гравітацією та зупиняти колапс. Наше завдання у цьому розділі – розрахувати, коли це станеться, і ми вже розповіли найцікавіше. Якщо маса зірки в 1,4 рази і більше перевищує масу Сонця, електрони зазнають поразки, а гравітація виграє.

Так закінчується огляд, який стане основою наших обчислень. Тепер можна рухатися далі, забувши про ядерний синтез, тому що зірки, що горять, лежать поза сферою наших інтересів. Ми намагатимемося усвідомити, що відбувається всередині мертвих зірок. Ми постараємося зрозуміти, як квантовий тиск електронів, що ущільнилися, врівноважує силу гравітації і як цей тиск зменшується, якщо електрони рухаються занадто швидко. Таким чином, суть нашого дослідження – протистояння гравітації та квантового тиску.

Хоча все це не так важливо для наступних розрахунків, ми не можемо все залишити насправді цікавому місці. Коли потужна зірка хлопається, у неї залишаються два варіанти розвитку подій. Якщо вона не надто важка, то в ній продовжиться стиснення протонів та електронів, доки вони не синтезуються в нейтрони. Так, один протон і один електрон спонтанно перетворюються на нейтрон з випромінюванням нейтрино, знову ж таки завдяки слабкій ядерній взаємодії. Подібним чином зірка невблаганно перетворюється на невелику нейтронну кульку. За словами російського фізика Льва Ландау, зірка стає одним гігантським ядром. Ландау написав це у своїй роботі 1932 «До теорії зірок», яка з'явилася в пресі в тому самому місяці, коли Джеймс Чедвік відкрив нейтрон. Мабуть, надто сміливо було б сказати, що Ландау передбачив існування нейтронних зірок, але він напевно щось подібне передчував, і з великою далекоглядністю. Ймовірно, пріоритет слід визнати за Вальтером Бааде та Фріцем Цвіккі, які в 1933 році написали: «Ми маємо всі підстави припускати, що наднові є перехід від звичайних зірок до нейтронним зіркам, які на кінцевих етапах існування складаються з надзвичайно щільно запакованих нейтронів».

Ця ідея здалася настільки безглуздою, що була спародована в Los Angeles Times (див. рис. 12.1), і нейтронні зірки до середини 1960-х років залишалися теоретичним курйозом.

У 1965 році Ентоні Х'юїш і Семюел Окойє знайшли «свідчення незвичайного джерела яскравості радіовипромінювання високої температури в крабовидної туманності», хоча і не змогли впізнати в цьому джерелі нейтронну зірку. Упізнання трапилося в 1967 році завдяки Йосипу Шкловському, а невдовзі, після більш докладних досліджень, і завдяки Джоселін Белл і тому ж Х'юїшу. Перший приклад одного з найекзотичніших об'єктів у Всесвіті отримав назву пульсара Хьюїша – Окойє. Цікаво, що та ж найновіша, що породила пульсар Хьюїша - Окойє, була помічена астрономами за 1000 років до цього. Велика наднова 1054 року, найяскравіша в зафіксованій історії, спостерігалася китайськими астрономами і, як відомо завдяки знаменитому наскальному малюнку, жителями каньйону Чако на південному заході сучасних США.

Ми поки що не говорили про те, як цим нейтронам вдається чинити опір гравітації і перешкоджати подальшому колапсу, але, можливо, ви й самі можете припустити, чому це відбувається. Нейтрони (як електрони) – раби принципу Паулі. Вони також можуть зупиняти колапс, і нейтронні зірки, як і білі карлики, – один із варіантів закінчення життя зірки. Нейтронні зіркивзагалі-то, відступ від нашої розповіді, але ми не можемо не відзначити, що це абсолютно особливі об'єкти в нашому чудовому Всесвіті: це зірки розміром з місто, настільки щільні, що чайна ложка їх речовини важить як земна гора, а не розпадаються вони тільки завдяки природній "неприязні" частинок одного спина один до одного.

Для найпотужніших зірок у Всесвіті залишається лише одна можливість. У цих зірках навіть нейтрони рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Такі зірки чекає на катастрофу, тому що нейтрони не здатні створювати достатній тиск, щоб протистояти гравітації. Поки невідомий фізичний механізм, що не дає ядру зірки, маса якої приблизно втричі більша за масу Сонця, впасти самому на себе, і результатом стає чорна діра: місце, в якому всі відомі нам закони фізики скасовуються. Передбачається, що закони природи все ж таки продовжують діяти, але для повного розуміння внутрішньої роботи чорної діри потрібна квантова теорія гравітації, якої поки що не існує.

Однак настав час повернутися до суті справи і зосередитися на нашій двоякій меті – доказі існування білих карликів та розрахунку межі Чандрасекара. Ми знаємо, як чинити: необхідно врівноважити гравітацію та тиск електронів. Такі обчислення не можна зробити в розумі, тому варто намітити план дій. Отже, ось план; він досить довгий, тому що ми хочемо спочатку роз'яснити деякі другорядні деталі та підготувати ґрунт для власне обчислень.

Крок 1: ми повинні визначити, який тиск усередині зірки, що чиниться сильно стислими електронами. Можливо, вас зацікавить, чому ми не звертаємо уваги на інші частинки всередині зірки: що щодо ядер та фотонів? Фотони не підкоряються принципу Паулі, тож згодом вони все одно покинуть зірку. У боротьбі з гравітацією вони не є помічниками. Що ж до ядер, то ядра з напівцілим спином підкоряються принципу Паулі, але (як ми побачимо) через те, що їхня маса більша, вони чинять менший тиск, ніж електрони, і їхній внесок у боротьбу з гравітацією можна спокійно ігнорувати. Це значно спрощує завдання: все, що нам потрібно, – тиск електронів. На тому й заспокоїмося.

Крок 2: обчисливши тиск електронів, ми повинні зайнятися питаннями рівноваги Можливо, незрозуміло, що робити далі. Одна річ сказати, що «гравітація тисне, а електрони протистоять цьому тиску», зовсім інша – оперувати у своїй числами. Тиск усередині зірки варіюватиметься: у центрі воно буде більше, а на поверхні менше. Наявність перепадів тиску дуже важлива. Уявіть собі куб із зіркової матерії, який знаходиться десь усередині зірки, як показано на рис. 12.2. Гравітація направить куб до центру зірки, і ми повинні зрозуміти, як протистоятиме цьому тиск електронів. Тиск електронів у газі впливає на кожну з шести граней куба, і цей вплив дорівнюватиме тиску на грань, помноженому на площу цієї грані. Це твердження достеменно. До того ми використовували слово «тиск», припускаючи, що маємо достатнє інтуїтивне розуміння того, ніби газ при високому тиску«тисне» більше, ніж за низького. Власне, це відомо будь-кому, хто хоч раз накачував насосом автомобільну шину, що здулася.

Мал. 12.2. Невеликий куб десь у середині зірки. Стрілки показують силу, що діє на куб з боку електронів у зірці

Оскільки нам потрібно належним чином зрозуміти природу тиску, зробимо коротку вилазку на знайомішу територію. Звернемося, наприклад, з шиною. Фізик сказав би, що шина здулася, тому що внутрішнього повітряного тиску недостатньо, щоб утримувати вагу автомобіля без деформації шини – за це нас, фізиків, і цінують. Ми можемо не обмежитися цим і обчислити, яким має бути тиск у шинах для автомобіля з масою 1500 кг, якщо 5 см шини має постійно підтримувати контакт з поверхнею, як показано на рис. 12.3: знову настав час дошки, крейди та ганчірки.

Якщо ширина шини – 20 см, а довжина стикається з дорогою поверхні – 5 см, то площа поверхні шини, що знаходиться в безпосередньому контакті із землею, дорівнюватиме 20 × 5 = 100 см³. Необхідного тиску в шині ми ще не знаємо – його й треба обчислити, тож позначимо його символом Р. Нам потрібно знати діючу на дорогу силу, яку прикладає повітря в шині. Вона дорівнює тиску, помноженому на площу шини, що контактує з дорогою, тобто P× 100 см ². Ми повинні помножити це ще на 4, оскільки у автомобіля, як відомо, чотири шини: P× 400 см ². Така загальна сила повітря у шинах, що діє на поверхню дороги. Уявіть її так: молекула повітря всередині шини молотять по землі (якщо бути вже зовсім точними, то молотять вони по гумі шини, яка контактує із землею, але це не так важливо).

Земля зазвичай при цьому не провалюється, тобто реагує з рівною, але протилежною силою (ура, нарешті нам став у нагоді третій закон Ньютона). Машину піднімає земля і опускає гравітація, і, оскільки при цьому вона не провалюється в землю і не здіймається в повітря, ми розуміємо, що ці дві сили повинні врівноважувати одна одну. Таким чином, можна вважати, що сила P× 400 см² врівноважується притискною силою гравітації. Ця сила дорівнює вазі автомобіля, і ми знаємо, як обчислити його за допомогою другого закону Ньютона F = ma, де a– прискорення вільного падіння на поверхні Землі, що дорівнює 9,81 м/с². Отже, вага становить 1500 кг × 9,8 м/с² = 14 700 Н (ньютонів: 1 ньютон – це приблизно 1 кг·м/с², що приблизно дорівнює вазі яблука). Оскільки дві сили рівні, то

P × 400 см ² = 14 700 Н.

Вирішити це рівняння легко: P= (14 700/400) Н/см² = 36,75 Н/см². Тиск в 36,75 H на см² - можливо, не цілком знайомий нам спосіб вираження тиску в шинах, але його можна легко перетворити на більш звичні бари.

Мал. 12.3. Шина трохи деформується під вагою автомобіля

Один бар – це стандартний тиск повітря, який дорівнює 101 000 Н на м2. У 1 м ² 10 000 см ², так що 101 000 Н на м ² - це 10,1 Н на см ². Таким чином, наш бажаний тиск у шинах дорівнює 36,75/10,1 = 3,6 бар (або 52 фунти на квадратний дюйм – це ви можете обчислити самостійно). За допомогою нашого рівняння можна також зрозуміти, що якщо тиск у шинах падає на 50% до 1,8 бар, то ми подвоюємо площу шини, яка знаходиться в контакті з поверхнею дороги, тобто шина трохи здуває. Після цього освіжаючого екскурсу для обчислення тиску ми готові повернутися до кубика зіркової матерії, який показано на рис. 12.2.

Якщо нижня грань куба ближче до центру зірки, то тиск на неї має бути трохи більшим, ніж тиск на верхню грань. Така різниця тисків породжує діючу на куб силу, яка прагне відштовхнути його від центру зірки («вгору» на малюнку), чого ми і хочемо досягти, тому що куб у той же час гравітацією підштовхується до центру зірки («вниз» на малюнку) . Якби ми могли зрозуміти, як поєднувати ці дві сили, то поліпшили б свої уявлення про зірку. Але це легше сказати, ніж зробити, бо хоча крок 1дозволяє нам зрозуміти, який тиск електронів на куб, все ще належить розрахувати, наскільки велике тиск гравітації в протилежному напрямку. До речі, немає потреби враховувати тиск на бічні грані куба, тому що вони віддалені від центру зірки, так що тиск на ліву сторону врівноважить тиск на праву, і куб не рухатиметься ні направо, ні наліво.

Щоб з'ясувати, з якою силою гравітація діє на куб, ми повинні повернутися до закону тяжіння Ньютона, який каже, що кожен шматочок зіркової матерії діє на наш кубик із силою, що зменшується із збільшенням відстані, тобто більш далекі шматки матерії тиснуть менше, ніж близькі . Здається, той факт, що гравітаційний тиск на наш куб по-різному для різних шматків зоряної матерії в залежності від їх віддаленості, є складною проблемою, але ми побачимо, як обійти цей момент, принаймні в принципі: ми наріжемо зірку на шматочки і потім обчислимо силу, яку надає на наш куб кожен такий шматочок. На щастя, немає необхідності представляти кулінарне нарізування зірки, тому що можна використовувати відмінний обхідний маневр. Закон Гауса (названий у частину легендарного німецького математика Карла Гауса) повідомляє, що: а) можна повністю ігнорувати тяжіння всіх шматочків, що знаходяться далі від центру зірки, ніж наш кубик; б) загальний гравітаційний тиск всіх шматочків, що знаходяться ближче до центру, точно дорівнює тиску, який чинили б ці шматочки, якби знаходилися рівно в центрі зірки. За допомогою закону Гауса і закону тяжіння Ньютона можна зробити висновок, що до кубика прикладається сила, яка штовхає його до центру зірки, і що ця сила дорівнює

де Min– маса зірки всередині сфери, радіус якої дорівнює відстанівід центру до куба, Mcube- Маса куба, а r- Відстань від куба до центру зірки ( G- Константа Ньютона). Наприклад, якщо куб знаходиться на поверхні зірки, то Min- Це загальна маса зірки. Для всіх інших місць Minбуде менше.

Ми досягли певних успіхів, тому що для врівноважування дій, що робляться на куб (нагадаємо, це означає, що куб не рухається, а зірка не вибухає і не колапсує), потрібно, щоб

де Pbottomі Ptop– тиск електронів газу на нижній та верхній гранях куба відповідно, а А– площа кожної сторони куба (пам'ятайте, що сила, яка чиниться тиском, дорівнює тиску, помноженому на площу). Ми відзначили це рівняння цифрою (1), тому що воно дуже важливе і ми до нього ще повернемося.

Крок 3: Зробіть собі чаю і насолоджуйтесь собою, тому що, зробивши крок 1, ми вирахували тиску Pbottomі Ptop, а після кроку 2стало зрозуміло, як саме врівноважити сили. Однак основна робота ще попереду, бо нам потрібно закінчити крок 1і визначити різницю тисків, що фігурує у лівій частині рівняння (1). Це і буде нашим наступним завданням.

Уявіть зірку, наповнену електронами та іншими частинками. Як розсіяні ці електрони? Звернімо увагу на «типовий» електрон. Ми знаємо, що електрони підпорядковуються принципу Паулі, тобто два електрони не можуть перебувати в одній області простору. Що це означає для моря електронів, яке ми називаємо «електронами газу» в нашій зірці? Так як очевидно, що електрони відокремлені один від одного, можна припустити, що кожен знаходиться у своєму мініатюрному уявному кубику всередині зірки. Взагалі-то це не зовсім правильно, тому що ми знаємо, що електрони діляться на два типи - "зі спином вгору" і "зі спином вниз", а принцип Паулі забороняє тільки занадто близьке розташування ідентичних частинок, тобто теоретично в кубику можуть бути та два електрони. Це контрастує з ситуацією, яка б виникла, якби електрони не підкорялися принципу Паулі. У цьому випадку вони не сиділи б по двох усередині «віртуальних контейнерів». Вони поширювалися б і користувалися набагато більшим життєвим простором. Власне, якби можна було ігнорувати різні способивзаємодії електронів один з одним та з іншими частинками в зірці, їхньому життєвому простору не було б межі. Ми знаємо, що відбувається, коли ми обмежуємо квантову частинку: вона здійснює стрибок відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, і що більше вона обмежена, то більше здійснює стрибків. Це означає, що коли наш білий карлик колапсує, електрони все більше обмежуються і стають все більш збудженими. Саме тиск, спричинений їх збудженням, і зупиняє гравітаційний колапс.

Ми можемо зайти ще далі, тому що можна застосувати принцип невизначеності Гейзенберга для обчислення типового імпульсу електрона. Наприклад, якщо ми обмежуємо електрон областю розміру Δx, він буде робити скачки з типовим імпульсом p ~ h / Δx. Власне, як ми говорили в розділі 4, імпульс наблизиться до верхньої межі, а типовий імпульс буде дорівнювати чомусь від нуля до цього значення; запам'ятайте цю інформацію, вона знадобиться нам пізніше. Знання імпульсу дозволяє негайно пізнати ще дві речі. По-перше, якщо електрони не підкоряються принципу Паулі, то вони будуть обмежені областю не розміру Δxа набагато більшого розміру. Це, у свою чергу, означає набагато меншу кількість коливань, а чим менше коливань, тим менший тиск. Отже, очевидно, що принцип Паулі входить у гру; він настільки тисне на електрони, що, відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, демонструють надмірні коливання. Через деякий час ми перетворимо ідею надлишкових коливань у формулу тиску, але спочатку дізнаємося, що буде «по-друге». Оскільки імпульс p = mv, то швидкість коливань теж має зворотну залежністьвід маси, так що електрони стрибають туди-сюди набагато швидше, ніж важчі ядра, які теж є частиною зірки. Ось чому тиск атомних ядер дуже мало.

Отже, як можна, знаючи імпульс електрона, обчислити тиск, який чинить газ, що складається з цих електронів? Спочатку потрібно з'ясувати, якого розміру повинні бути блоки, що містять пари електронів. Наші маленькі блоки мають об'єм ( Δx)³, і оскільки ми повинні розмістити всі електрони всередині зірки, виразити це можна у вигляді числа електронів усередині зірки ( N), поділеного на обсяг зірки ( V). Щоб помістилися всі електрони, знадобиться рівно N/ 2 контейнерів, оскільки в кожному контейнері може розташовуватися два електрони. Це означає, що кожен контейнер займатиме обсяг V, поділений на N/ 2, тобто 2( V/N). Нам неодноразово знадобиться величина N/V(кількість електронів на одиницю об'єму всередині зірки), так що надамо їй власний символ n. Тепер можна записати, яким має бути об'єм контейнерів, щоб у ньому помістилися всі електрони зірки, тобто ( Δx)³ = 2 / n. Вилучення кубічного кореня з правої частини рівняння дає можливість вивести, що

Тепер можна співвіднести це з нашим виразом, отриманим з принципу невизначеності, і обчислити типовий імпульс електронів відповідно до їх квантових коливань:

p ~ h(n/ 2)⅓, (2)

де знак ~ означає "приблизно одно". Зрозуміло, рівняння не може бути точним, тому що всі електрони ніяк не можуть коливатися однаково: одні будуть рухатися швидше за типове значення, інші повільніше. Принцип невизначеності Гейзенберга не може точно сказати, скільки електронів рухаються з однією швидкістю, а скільки з іншого. Він дає можливість зробити більш приблизне твердження: наприклад, якщо стиснути область електрона, то він вагатиметься з імпульсом, приблизно рівним h / Δx. Ми візьмемо цей типовий імпульс і покладемо його однаковим всім електронів. Тим самим трохи втратимо в точності обчислень, але суттєво виграємо у простоті, а фізика явища безперечно залишиться тією ж самою.

Тепер ми знаємо швидкість електронів, що дає достатньо інформації для визначення тиску, який вони дають на наш кубик. Щоб переконатися в цьому, уявіть, як цілий флот електронів рухається в тому самому напрямку з однією і тією ж швидкістю ( v) у напрямку до прямого дзеркала. Вони ударяються об дзеркало і відскакують, рухаючись все з тією ж швидкістю, але цього разу у зворотному напрямку. Давайте обчислимо силу, з якою електрони діють на дзеркало. Після цього можна перейти до реалістичніших обчислень для випадків, коли електрони рухаються в різних напрямках. Така методологія дуже поширена у фізиці: спочатку варто подумати над більш простим варіантом завдання, яке хочеш вирішити. Тим самим можна розібратися у фізиці явища з меншими проблемами та набути впевненості для вирішення більш серйозного завдання.

Уявіть, що флот електронів складається з nчастинок на м³ та для простоти має в круглому перерізі площу 1 м², як показано на рис. 12.4. За секунду nvелектронів вдариться об дзеркало (якщо vвимірюється в метрах за секунду).

Мал. 12.4. Флот електронів (маленькі точки), що рухається в єдиному напрямку. Всі електрони в трубці такого розміру будуть щомиті ударятися об дзеркало

«Ми запитуємо себе, чому група талановитих і відданих своїй справі людей готова присвятити життя гонитві за такими малесенькими об'єктами, які навіть неможливо побачити? Насправді, у заняттях фізиків елементарних частинок проявляється людська цікавість та бажання дізнатися, як улаштований світ, у якому ми живемо» Шон Керролл

Якщо ви все ще боїтеся фрази квантова механіка і досі не знаєте, що таке стандартна модель – ласкаво просимо під кат. У своїй публікації я спробую максимально просто і наочно пояснити ази квантового світу, а також фізики елементарних частинок. Ми спробуємо розібратися, в чому основні відмінності ферміонів і бозонів, чому кварки мають такі дивні назви, і, нарешті, чому так хотіли знайти Бозон Хіггса.

З чого ми?

Ну що ж, нашу подорож до мікросвіту ми почнемо з невигадливого питання: з чого складаються навколишні предмети? Наш світ, як будинок, складається з безлічі невеликих цеглинок, які особливим чином з'єднуючись, створюють щось нове, не тільки зовнішньому виглядуале ще й за своїми властивостями. Насправді, якщо сильно до них придивитися, то можна виявити, що різних видів блоків не так багато, просто щоразу вони з'єднуються один з одним по-різному, утворюючи нові форми і явища. Кожен блок - це неподільна елементарна частка, про яку й йтиметься в моїй розповіді.

Наприклад, візьмемо якусь речовину, нехай у нас це буде другий елемент періодичної системиМенделєєва, інертний газ, гелій. Як і інші речовини у Всесвіті, гелій складається з молекул, які у свою чергу утворені зв'язками між атомами. Але в цьому випадку для нас гелій трохи особливий, тому що він складається всього з одного атома.

З чого складається атом?

Атом гелію, у свою чергу, складається з двох нейтронів і двох протонів, що становлять атомне ядро, навколо якого обертаються два електрони. Найцікавіше, що абсолютно неподільним тут є лише електрон.

Цікавий момент квантового світу

Чим меншемаса елементарної частинки, тим більшемісця вона посідає. Саме з цієї причини електрони, які в 2000 разів легші за протон, займають набагато більше місця в порівнянні з ядром атома.

Нейтрони та протони відносяться до групи так званих адронів(часток, схильних до сильної взаємодії), а якщо бути ще точніше, баріонів.

Адрони можна розділити на групи

• Баріонів, які складаються з трьох кварків
• Мезонів, що складаються з пари: частка-античастка

Нейтрон, як ясно з його назви, є нейтрально зарядженим, і може бути поділений на два нижні кварки і один верхній кварк. Протон, позитивно заряджена частка, ділиться на один нижній кварк і два верхні кварки.

Так, так, я не жартую, вони дійсно називають верхній і нижній. Здавалося б, якщо ми відкрили верхній і нижній кварк, та ще й електрон, то зможемо з їхньою допомогою описати весь Всесвіт. Але це твердження було б дуже далеким від істини.

Головна проблема – частки мають якось між собою взаємодіяти. Якби світ складався лише з цієї трійці (нейтрон, протон і електрон), то частки б просто літали безкрайніми просторами космосу і ніколи б не збиралися в більші утворення, на кшталт адронів.

Ферміони та Бозони

Досить давно вченими була вигадана зручна і лаконічна форма представлення елементарних частинок, названа стандартною моделлю. Виявляється, всі елементарні частинки поділяються на ферміони, з яких і складається вся матерія, і бозони, які переносять різні види взаємодій між ферміонами

Різниця між цими групами дуже наочна. Справа в тому, що ферміонам для виживання за законами квантового світу потрібен певний простір, тоді як їхні колеги - бозони можуть спокійно трильйонами жити один на одного.

Ферміони

Група ферміонів, як було сказано, створює видиму матерію навколо нас. Що б ми і де не побачили створено ферміонами. Ферміони діляться на кварки, що сильно взаємодіють між собою і замкнені всередині більш складних частинок на зразок адронів, і лептони, які вільно існують у просторі незалежно від своїх побратимів.

Кваркиподіляються на дві групи.

• Верхній тип. До кварків верхнього типу, із зарядом +23, відносять: верхній, зачарований та істинний кварки
• нижнього типу. До кварків нижнього типу, із зарядом -13, відносять: нижній, дивний і чарівний кварки

Істинний і чарівний є найбільшими кварками, а верхній і нижній - найменшими. Чому кваркам дали такі незвичайні назви, а говорячи правильніше, «аромати», досі для вчених предмет спорів.

Лептонитакож поділяються на дві групи.

• Перша група, із зарядом «-1», до неї відносять: електрон, мюон (важчу частинку) та тау-частку (наймасивнішу)
• Друга група, з нейтральним зарядом, містить: електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино

Нейтрино - є мала частка речовини, засікти яку практично неможливо. Її заряд завжди дорівнює 0.

Виникає питання, чи не знайдуть фізики ще кілька поколінь частинок, які будуть більш масивними, порівняно з попередніми. На нього відповісти важко, проте теоретики вважають, що покоління лептонів та кварків вичерпуються трьома.

Чи не знаходите ніякої подібності? І кварки, і лептони поділяються на дві групи, які відрізняються одна від одної зарядом на одиницю? Але про це пізніше...

Бозони

Без них би ферміони суцільним потоком літали всесвітом. Але обмінюючись бозонами, ферміони повідомляють один одному будь-який вид взаємодії. Самі бозони з один одним не взаємодіють.

Взаємодія, що передається бозонами, буває:

• Електромагнітним, частинки - фотони. З допомогою цих безмасових частинок передається світло.
• Сильним ядерним, частинки – глюони. З допомогою кварки з ядра атома не розпадаються деякі частки.
• Слабким ядерним, частинки - W та Z бозони. З їх допомогою ферміони перекидаються масою, енергією і можуть перетворюватися один на одного.
• Гравітаційним , частинки - гравітони. Надзвичайно слабка в масштабах мікросвіту сила. Стає видимою лише на надмасивних тілах.

Застереження про гравітаційну взаємодію.
Існування гравітонів експериментально ще не підтверджено. Вони існують лише як теоретичної версії. У стандартній моделі здебільшого їх розглядають.

Ось і все, стандартна модель зібрана.

Проблеми тільки почалися

Незважаючи на дуже гарне уявлення частинок на схемі, залишилося два питання. Звідки частки беруть свою масу і що таке Бозон Хіггсащо виділяється з інших бозонів.

Для того, щоб розуміти ідею застосування бозона Хіггса, нам необхідно звернутися до квантової теорії поля. Говорячи простою мовоюМожна стверджувати, що весь світ, весь Всесвіт, складається не з найдрібніших частинок, а з безлічі різних полів: глюонного, кваркового, електронного, електромагнітного і.т.д. У всіх цих полях завжди виникають незначні коливання. Але найсильніші їх ми сприймаємо як елементарні частки. Та й ця теза дуже спірна. З погляду корпускулярно-хвильового дуалізму, той самий об'єкт мікросвіту в різних ситуаціяхведе себе то як хвиля, то як елементарна частка, це залежить лише від того, як фізику, що спостерігає за процесом, зручніше змоделювати ситуацію.

Поле Хіггса

Виявляється, існує так зване поле Хіггса, середнє значення якого не хоче прагнути нуля. В результаті чого це поле намагається прийняти деяке постійне ненульове значення у всьому Всесвіті. Поле складає всюдисуще і постійне тло, в результаті сильних коливань якого і з'являється Бозон Хіггса.
І саме завдяки полю Хіггса частки наділяються масою.
Маса елементарної частинки залежить від того, наскільки сильно вона взаємодіє з полем Хіггса.постійно пролітаючи всередині нього.
І саме через Бозон Хіггс, а точніше через його поле, стандартна модель має так багато схожих груп частинок. Поле Хіггса змусило зробити безліч додаткових частинок, наприклад, як нейтрино.

Підсумки

Те, що було розказано мною, це поверхові поняття про природу стандартної моделі і про те, навіщо нам потрібен Бозон Хіггса. Деякі вчені досі у глибині душі сподіваються, що частка, знайдена у 2012 році і схожа на Бозон Хіггса в БАКУ, була просто статистичною похибкою. Адже поле Хіггса порушує багато красивих симетрій природи, роблячи розрахунки фізиків більш заплутаними.
Дехто навіть вважає, що стандартна модель доживає свої Останніми рокамичерез свою недосконалість. Але експериментально це не доведено, і стандартна модель елементарних частинок залишається зразком генія людської думки, що діє.

Безглуздо продовжувати робити те саме і чекати інших результатів.

Альберт Ейнштейн

Стандартна модель (елементарних частинок)(англ. Standard model of elementary particles) - теоретична конструкція, що не відповідає природі, що описує одну з компонентів електромагнітних взаємодій штучно виділену в електромагнітну взаємодію, уявне слабке і гіпотетичне сильне взаємодії всіх елементарних частинок. Стандартна модель не включає гравітацію.

Спочатку невеликий відступ. Польова теорія елементарних частинок, діючи в рамках НАУКИ, спирається на перевірений фізичний фундамент:

• Класичну електродинаміку,
• Квантову механіку,
• Закони збереження – фундаментальні закони фізики.

У цьому принципова відмінність наукового підходу, використаного польовою теорією елементарних частинок - справжня теорія має суворо діяти у межах законів природи: у цьому полягає НАУКА.

Використовувати не існуючі в природі елементарні частинки, вигадувати фундаментальні взаємодії, що не існують у природі, або підміняти існуючі в природі взаємодії казковими, ігнорувати закони природи, займаючись математичними маніпуляціями над ними (створюючи видимість науки) - це доля КАЗОК, що видаються за науку. У результаті фізика скочувалась у світ математичних казок. Казкові кварки з казковими глюонами, казковими гравітонами та казками "Квантової теорії" (що видаються за дійсність) вже проникли до підручників фізики - обманюватимемо дітей? Прихильники чесної Нової фізики намагалися протистояти цьому, але сили були не рівні. І так було до 2010 року до появи польової теорії елементарних частинок, коли боротьба за відродження ФІЗИКИ-НАУКИ перейшла на рівень відкритого протистояння справжньої наукової теорії з математичними казками, що захопили владу у фізиці мікросвіту (та й не лише).

Зображення взято зі світової Вікіпедії

Спочатку, кваркова модель адронів була запропонована в 1964 незалежно Гелл-манном і Цвейгом і обмежувалася тільки трьома гіпотетичними кварками та їх античастинками. Це дозволяло правильно описати спектр відомих на той момент елементарних частинок, без урахування лептонів, які не вписалися в пропоновану модель і тому визнавалися елементарними нарівні з кварками. Платою за це стало введення, які не існують у природі, дробових електричних зарядів. Потім, з розвитком фізики та надходження нових експериментальних даних, кваркова модель поступово розросталася, трансформувалася, пристосовуючись під нові експериментальні дані, в результаті перетворившись на Стандартну модель. - Цікаво, що чотирма роками пізніше, в 1968 році я почав працювати над ідеєю, яка в 2010 році дала людству Польову теорію елементарних частинок, а в 2015 році - Теорію гравітації елементарних частинок, відправивши в архів історії розвитку фізики. ХХ століття, в тому числі і цю.

1 Основні положення стандартної моделі елементарних частинок
2 Стандартна модель та фундаментальні взаємодії
3 Стандартна модель та калібрувальні бозони
4 Стандартна модель та глюони
5 Стандартна модель та закон збереження енергії
6 Стандартна модель та електромагнетизм
7 Стандартна модель та польова теорія елементарних частинок
8 Частинки у фізиці очима світової Вікіпедії початку 2017 року
9 Стандартна модель та припасування під дійсність
10 Фізика 21 століття: Стандартна модель - підсумок

1 Основні положення стандартної моделі елементарних частинок

Передбачається, що вся речовина складається з 12 фундаментальних частинок-ферміонів: 6 лептонів (електрон, мюон, тау-лептон, електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино) та 6 кварків (u, d, s, c, b, t) .

Стверджується, що кварки беруть участь у сильній, слабкій та електромагнітній (з розумінні квантової теорії) взаємодіях; заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - у слабкому та електромагнітному; нейтрино - лише у слабкому взаємодії.

Постулюється, що всі три типи взаємодій виникають як наслідок того, що наш світ симетричний щодо трьох типівкалібрувальних перетворень.

Стверджується, що частинками-переносниками взаємодій, що вводяться моделлю, є:

• 8 глюонів для гіпотетичної сильної взаємодії (група симетрії SU(3));
• 3 важких калібрувальних бозонів (W ± -бозони, Z 0 -бозон) для гіпотетичної слабкої взаємодії (група симетрії SU(2));
• 1 фотон для електромагнітної взаємодії (група симетрії U(1)).

Стверджується, що гіпотетична слабка взаємодія може змішувати ферміони з різних поколінь, що призводить до нестабільності всіх частинок, за винятком найлегших, а також до таких ефектів, як порушення CP-інваріантності та гіпотетичні нейтринні осциляції.

2 Стандартна модель та фундаментальні взаємодії

Реально у природі існують такі типи фундаментальних взаємодій, як і відповідні їм фізичні поля:

Наявність у природі інших реально існуючих фундаментальних фізичних полів, крім звичайно казкових полів (полів квантової "теорії": глюонне, поле Хіггса та ан.), фізика не встановила (зате в математиці їх може бути скільки завгодно). Існування в природі гіпотетичної сильної та гіпотетичної слабкої взаємодії постулюваної квантовою теорією - не доведено, та обґрунтовано лише бажаннями Стандартної моделі. Ці гіпотетичні взаємодії є лише припущеннями. - У природі є ядерні сили, які зводяться до (реально існуючих у природі) електромагнітних взаємодій нуклонів в атомних ядрах, а нестабільність елементарних частинок визначається наявністю каналів розпаду і відсутністю заборони з боку законів природи, а з казковою слабкою взаємодією ніяк не пов'язана.

Не доведено існування у природі ключових елементів Стандартної моделі: кварків та глюонів. Те, що в експериментах інтерпретується деякими фізиками як сліди кварків - припускає й інші альтернативні тлумачення. Природа так влаштована, що число гіпотетичних кварків збіглося з кількістю стоячих хвиль змінного електро магнітного поляусередині елементарних частинок. - Але в природі немає дробового електричного заряду, що дорівнює заряду гіпотетичних кварків. Навіть величина дипольного електричного заряду не збігається з величиною уявного електричного заряду вигаданих кварків. А як розумієте, без кварків Стандартна модель існувати не може.

З того, що в 1968 році в експериментах з глибоко пружного розсіювання на Стенфордському лінійному прискорювачі (SLAC) підтвердили, що протони мають внутрішню структуру, і складаються з трьох об'єктів (двох u- та одного d-кварка - а ось це НЕ доведено), які згодом, Річард Фейнман назвав партонами в рамках його партонної моделі (1969 р.), можна зробити ще один висновок - в експериментах спостерігалися стоячі хвилі хвильового змінного електромагнітного поля, кількість пучностей яких якраз і збігається з числом казкових кварків (партонів) . А хвалькувата заява світової Вікіпедії, що «вся сукупність нинішніх експериментальних фактів не ставить під сумнів справедливість моделі» є брехливим.

3 Стандартна модель та калібрувальні бозони

• Існування калібрувальних бозонів у природі не доведено - це лише припущення квантової теорії. (W ± -бозони, Z 0 -бозон) є звичайними векторними мезонами такими ж, як D-мезони.
• Квантовій теорії знадобилися переносники постульованих їй взаємодій. Але оскільки таких у природі не виявилося - було взято найбільш підходящі з бозонів і приписано здатність бути переносниками необхідної гіпотетичної взаємодії.

4 Стандартна модель та глюони

Справа в тому, що з гіпотетичними глюон у Стандартної моделі вийшов конфуз.

Згадаймо, що таке глюон – це гіпотетичні елементарні частки, які відповідають за взаємодії гіпотетичних кварків. Говорячи математичною мовою, Глюон називають векторні калібрувальні бозони, що відповідають за гіпотетичну сильну колірну взаємодію між гіпотетичними кварками в квантовій хромодинаміці. При цьому гіпотетичні глюони, як передбачається, самі несуть колірний заряд і таким чином є не просто переносниками гіпотетичних сильних взаємодій, а й самі беруть участь у них. Гіпотетичний глюон є квантом векторного поля в квантовій хромодинаміці, не має маси спокою і має одиничний спин (як фотон). Крім того, гіпотетичний глюон є античастинкою самому собі.

Отже, стверджується, що глюон має одиничний спин (як фотон) і є античастинкою самому собі. - Так от: згідно з Квантовою механікою та Класичною електродинамікою (і Польовою теорією елементарних частинок, що примудрилася змусити їх працювати спільно на загальний результат), що визначили спектр елементарних частинок в природі - мати одиничний спин (як фотон) і бути античастинкою самої собі може тільки одна елементарна частка в природі - фотон, але вона вже зайнята електромагнітними взаємодіями. Всі інші елементарні частинки з одиничним спином це векторні мезони та їх збуджені стани, але це зовсім інші елементарні частинки, кожна з яких має власну античастку.

А якщо згадати, що у всіх векторних мезонів відмінна від нуля величина маси спокою (наслідок ненульової величини квантового числа L польової теорії), то жоден із векторних мезонів (часток з цілим спином) як казковий глюон ніяк не підійде. Ну а елементарних частинок з одиничним спином більше у природі НІ. У природі можуть існувати складні системи, Що складаються з парного числа лептонів, або баріонів! Але час життя таких утворень з елементарних частинок буде значно меншим за час життя казкового бозона Хіггса - а точніше за векторний мезон. Тому гіпотетичні глюони не можуть бути знайдені в природі, скільки їх не шукали б і скільки мільярдів Євро чи доларів на пошуки казкових частинок не витратили. А якщо десь прозвучить твердження про їх виявлення – це не відповідатиме дійсності.

Отже, у природі немає місця для глюонів. Створивши казку про сильну взаємодію, замість реально існуючих у природі ядерних сил, За аналогією з електромагнітною взаємодією, "Квантова теорія" і "Стандартна модель", будучи впевненими у своїй непогрішності, самі загнали себе в ТУПІК. - Так може, настав час зупинитися, і перестати вірити математичним КАЗКАМ.

5 Стандартна модель та закон збереження енергії

Здійснення взаємодій елементарних частинок шляхом обміну віртуальними частинками безпосередньо порушує закон збереження енергії та всякі математичні маніпуляції над законами природи у науці неприпустимі. Природа та віртуальний світ математики – це два різних світу: реально існуючий та вигаданий - світ математичних казок

Глюони - гіпотетичні переносники гіпотетичної сильної взаємодії гіпотетичних кварків, що мають казкову здатність створювати нові глюони з нічого (з вакууму) (див. статтю конфайнмент), відкрито ігнорують закон збереження енергії.

Таким чином, стандартна модель суперечить закону збереження енергії.

6 Стандартна модель та електромагнетизм.

Стандартна модель, сама не бажаючи, змушена була визнати наявність у елементарних частинок постійних дипольних електричних полів, про існування яких стверджує Польова теорія елементарних частинок. Стверджуючи, що елементарні частинки складаються з гіпотетичних кварків, які (на думку Стандартної моделі) є носіями електричного заряду, Стандартна модель тим самим визнала наявність усередині протона крім області з позитивним електричним зарядом ще й області з негативним електричним зарядом, та наявність пари областей з різноіменними електричними зарядами і в електрично "нейтрального" нейтрона. Що дивно, величини електричних зарядів цих областей майже збіглися з величинами електричних зарядів, які з польової теорії елементарних частинок.

Так Стандартної моделі вдалося непогано описати внутрішні електричні зарядинейтральних і позитивно заряджених баріонів, а ось із негативно зарядженими баріонами вийшла осічка. Оскільки заряд негативно заряджених гіпотетичних кварків дорівнює –e/3, то отримання сумарного заряду –e потрібно три негативно заряджених кварка, а дипольне електричне полі, аналогічне електричному полю протона, вийде. Звичайно, можна було б скористатися антикварками, але тоді замість баріону вийде антибаріон. Так що «успіх» Стандартної моделі в описі електричних полів баріонів обмежився лише нейтральними та позитивно зарядженими баріонами.

Якщо подивитися гіпотетичну кваркову структуру мезонів з нульовим спином, то електричні дипольні поля виходять лише у нейтральних мезонів, а у заряджених мезонів із двох гіпотетичних кварків електричне дипольне поле не створити – заряди не дозволяють. Так що при описі електричних полів мезонів з нульовим спином у Стандартної моделі вийшли тільки електричні полянейтральних мезонів. Тут також, величини електричних зарядів дипольних областей майже збіглися з величинами електричних зарядів, які з польової теорії елементарних частинок.

Але є ще одне угруповання елементарних частинок під назвою векторні мезони – це мезони з одиничним спином, у яких кожна частка обов'язково має свою античастинку. Експериментатори вже почали їх відкривати в природі, але Стандартна модель, щоб не розбиратися з їхньою будовою, вважає за краще навісити на деякі з них ярлики переносників вигаданих їй взаємодій (спин) дорівнює одиниці- те що треба). Тут у Стандартної моделі вийшли лише електричні поля нейтральних мезонів, оскільки кількість кварків не змінилася (у них просто повернули спини, щоб вони не віднімали, а складалися).
Підіб'ємо проміжний підсумок. Успіх стандартної моделі в описі структури електричних полів елементарних частинок виявився половинчастим. Воно і зрозуміло: припасування в одному місці вилазило розбіжністю в іншому місці.

Тепер щодо величин мас гіпотетичних кварків. Якщо скласти величини мас гіпотетичних кварків у мезонах або баріонах, ми отримаємо невеликий відсоток від величини маси спокою елементарної частинки. Отже, навіть у рамках Стандартної моделі, всередині елементарних частинок є маса не кваркової природи, що значно перевищує сумарну величину всіх її гіпотетичних кварків. Тому, твердження Стандартної моделі, що елементарні частинки складаються з кварків, не відповідає дійсності. Всередині елементарних частинок є більш потужні фактори, ніж гіпотетичні кварки, що створюють основну величину гравітаційної та інертної маси елементарних частинок. Польова теорія елементарних частинок спільно з Теорією гравітації елементарних частинок встановили, що за цим стоїть хвильове поляризоване змінне електромагнітне поле, що створюють хвильові властивостіелементарних частинок, що визначає їхню статистичну поведінку і, звичайно ж, Квантова механіка.

Ще один момент. Чому у пов'язаної системи з двох частинок (кварків) з напівцілим спином, спини частинок обов'язково повинні бути антипаралельними (потреба в цьому Стандартній моделі, щоб вийшов спін мезонів – це ще не закон природи). Спини взаємодіючих частинок можуть бути і паралельними, а тоді вийде дублікат мезону, але вже з одиничним спином і дещо відмінною за величиною масою спокою, чого природа природно створювати не стала - їй немає жодного стосунку до потреби Стандартної моделі з її казками. Фізика знає взаємодію, зі спін-орієнтованою залежністю - це взаємодії магнітних полів, таких нелюбимих квантовою "теорією". Значить, якщо гіпотетичні кварки існують у природі, то їх взаємодії магнітні (казкових глюонів я природно не згадую) – ці взаємодії створюють сили тяжіння, для частинок з антипаралельними магнітними моментами (а значить і антипаралельними спинами, якщо вектори магнітного моменту та спина паралельні) не дозволяють створити пов'язаний стан пари частинок з паралельними магнітними моментами (паралельною орієнтацією спинів), оскільки тоді сили тяжіння перетворюються на такі ж сили відштовхування. Але якщо енергія зв'язку пари магнітних моментівскладає деяку величину (0,51 МеВ у ?

Допустивши наявність дипольних електричних полів у елементарних частинок, Стандартна модель забула про магнітні поля елементарних частинок, існування яких доведено експериментально, а величини магнітних моментів елементарних частинок виміряно високим ступенемточності.

Нестиковки Стандартної моделі з магнетизмом добре видно на прикладі пі-мезонів. Отже, у гіпотетичних кварків є електричні заряди, отже, у них є і постійне електричне поле, а ще у них є і постійне магнітне поле. Відповідно до законів Класичної електродинаміки, яку поки що не скасували, ці поля мають внутрішню енергію, а отже й відповідну цю енергію масу. Так сумарна магнітна маса постійних магнітних полів пари гіпотетичних кварків заряджених ? Додамо до цієї маси електричну масу постійних електричних полів елементарних частинок, адже вона теж відмінна від нуля. У міру зменшення лінійних розмірів зарядів енергія цих полів постійно зростає, і дуже швидко настає момент, коли всі 100% внутрішньої енергії гіпотетичного кварку зосереджуються на його постійних електромагнітних полях. Тоді, що залишається самому кварку - відповідь: НІЧОГО, як і стверджує Польова теорія елементарних частинок. І перетворюються нібито "сліди гіпотетичних кварків", що спостерігаються, на сліди стоячих хвиль змінного електромагнітного поля, чим вони насправді і є. Але є одна особливість: стоячі хвилі хвильового змінного електромагнітного поля, те, що Стандартна модель видає як "Кварки", не можуть створювати постійні електричні та магнітні поля, які є у елементарних частинок). Ось ми й приходимо до висновку, що кварків у природі НЕМАЄ, а елементарні частинки складаються з хвильового поляризованого змінного електромагнітного поля, а також пов'язаних з ним постійних електричних та магнітних дипольних полів, що й стверджує Польова теорія елементарних частинок.

З величинами маси, Стандартна модель встановила наявність у всіх пі-мезонів залишкової внутрішньої енергії, яка узгоджується з даними Польової теорії елементарних частинок про хвильове змінне електромагнітне поле, що містилося всередині елементарних частинок. Але якщо більше (95-97)% внутрішньої енергії елементарних частинок має не кваркову природу і зосереджено у хвильовому змінному електромагнітному полі, а з інших (3-5)%, що приписуються гіпотетичним кваркам, (80-90)% зосереджено в постійних електричних і магнітних полях елементарних частинок, то голослівне твердження про те, що ці елементарні частинки складаються з не знайдених у природі кварків - виглядає сміховинним, навіть у рамках самої Стандартної моделі .

Кварковий склад протона у Стандартної моделі вийшов ще більш плачевним. Сумарна величина маси 2-х u-кварків та одного d-кварка становить 8,81 МеВ, що становить менше 1 відсотка величини маси спокою протону (938,2720 МеВ). Тобто, у протоні на 99 відсотків є те, що створює його основну гравітаційну та інертну масу разом з його ядерними силами і це не пов'язано з кварками, але нам, із завзятістю гідною кращого застосування, продовжують розповідати псевдонаукову казку про те, що протон нібито складається з кварків, яких у природі так і не вдалося знайти, незважаючи на всі витрачені зусилля та фінансові кошти і хочуть, щоб ми повірили цьому надуванню. - Математика здатна вигадати будь-яку КАЗКУ і видавати її за "вище" досягнення "науки". Ну а якщо скористатися наукою, то згідно з розрахунками полів протона за допомогою польової теорії, у його постійному електричному полі міститься енергія 3,25 МеВ, а решта енергії для маси гіпотетичних кварків запозичена у значно потужнішого постійного магнітного поля протона, що створює його ядерні сили.

7 Стандартна модель та польова теорія елементарних частинок

• Польова теорія елементарних частинок заперечує існування не виявлених у природі кварків та глюонів, заперечує існування гіпотетичних сильної та слабкої взаємодій (постульованих квантовою теорією) та відповідність унітарній симетрії дійсності.
• Тау-лептон є збудженим станом мюона, яке нейтрино - збудженим станом мюонного нейтрино.
• (W ± -бозони, Z 0 -бозон) є звичайними векторними мезонами і є переносниками взаємодій пов'язані з ігноруванням закону збереження енергії як і інших законів природи.
• Фотон існує у природі лише у реальному стані. Віртуальний стан елементарних частинок – це математичні маніпуляції над законами природи.
• Ядерні сили в основному зводяться до взаємодій магнітних полів нуклонів у ближній зоні.
• В основі причин розпаду нестабільних елементарних частинок лежать наявність каналів розпаду та закони природи. Елементарна частка також як і атом або його ядро ​​прагне стан з найменшою енергією - тільки можливості у неї інші.
• В основі так званих "нейтринних осциляцій", а точніше реакцій, лежить різниця їх мас спокою, що веде до розпаду тяжчого - мюонного нейтрино. Взагалі, казкове перетворення однієї елементарної частки на іншу суперечить законам електромагнетизму та закону збереження енергії. - Різні види нейтрино мають різні набори квантових чисел, внаслідок чого їх електромагнітні полярозрізняються, вони мають різну величину повної внутрішньої енергії, і, різної величиною маси спокою. На жаль, математичне маніпуляції над законами природи стали нормою поведінки для казкових теорій та моделей фізики 20 століття.

8 Частинки у фізиці очима світової Вікіпедії початку 2017 року

Ось так виглядають Частинки у фізиці з погляду світової Вікіпедії:

На цю картинку, що видається за дійсність, я наклав пару кольорів, оскільки вона потребує додатків. Зеленим кольором виділено те, що відповідає дійсності. Виявилося небагато, але це ВСІ, що знайшлося достовірного. Світлішим кольором виділено те, що також є в природі, але нам намагаються вдмухати як інше. Ну а всі безбарвні витвори - це зі світу КАЗОК. А тепер самі доповнення:

• Те, що кварків у природі НІ – не бажають знати прихильники самої Стандартної моделі, підсовуючи нам все нові КАЗКИ в "обґрунтування" невидимості кварків в експериментах.
• З основних станів Лептонов, згідно з Польовою теорією елементарних частинок, у природі існують лише електрон з мюоном з відповідними нейтрино та античастинками. Величина спина у тау-лептону, що дорівнює 1/2, ще не означає приналежність цієї частинки до основних станів лептонів – у них просто збіглися спини. Ну а число збуджених станів у кожної елементарної частинки дорівнює нескінченності - наслідок польової теорії елементарних частинок. Експериментатори вже почали їх відкривати і виявили безліч збуджених станів інших елементарних частинок, крім тау-лептону, тільки вони ще цього самі не зрозуміли. Ну а те, що для деяких, польова теорія елементарних частинок як кістка в горлі - потерплять, а ще краще якщо перевчаться.
• Калібрувальних бозонів у природі НІ – у природі є просто елементарні частинки з одиничним спином: це фотон та векторні мезони (які люблять видавати за переносників казкових взаємодій, наприклад, "слабку" взаємодію) з їх збудженими станами, а також перший збуджений стан мезонів.
• Казкові бозони Хіггса суперечать Теорії гравітації елементарних частинок. Нам під виглядом бозона Хіггса намагаються вдмухати векторний мезон.
• Фундаментальні частинки в природі не існують – у природі існують просто елементарні частки.
• Суперпартнери також зі світу КАЗОК, як і інші гіпотетичні фундаментальні частки. Сьогодні не можна сліпо вірити казкам незалежно від прізвища автора. Вигадати можна будь-яку частинку: "магнітний монополь" Дірака, планківську частинку, партон, різні видикварків, парфуми, "стерильні" частинки, гравітон (гравітіно)... - ось тільки доказів НУЛЬ. - Не варто звертати увагу на будь-який псевдонауковий муляж, який видається за досягнення науки.
• Складові частинкиу природі є, але це не баріони, геперони та мезони. - Це атоми, атомні ядра, іони та молекули баріонної речовини, а також з'єднання електронних нейтрино, що в гігантських кількостях викидаються зірками.
• Згідно з польовою теорією елементарних частинок, у природі повинні існувати угруповання баріонів з різними величинами напівцілого спина: 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, .... Побажаю успіху експериментаторам у виявленні баріонів з великими спинами.
• Мезони діляться як на прості (з нульовим спином) з їх збудженими станами (історично звані резонансами), так і на векторні (з цілим спином). Векторні мезони фізика вже почала відкривати у природі, незважаючи на відсутність до них помітного інтересу в експериментаторів.
• Короткоживучі штучно створені екзотичні атоми, в яких електрон підмінили іншою, масивнішою елементарною частинкою - це зі світу "фізики розважаються". А у мегасвіті їм немає місця.
• Екзотичних адронів у природі немає, оскільки в природі немає сильної взаємодії (а є просто ядерні сили, і це різні поняття), а отже, у природі немає і адронів, у тому числі й екзотичних.

Вигадати можна будь-яку частку як підпору для псевдо-теорії, а потім видавати за тріумф "науки", ось тільки природі немає до цього ніякої справи.

Сьогодні добре видно, що довіряти інформації про елементарні частки, що знаходиться у світовій Вікіпедії НЕ МОЖНА. До справді достовірної експериментальної інформації там додали голослівні твердження абстрактних теоретичних побудов, що видають себе за вищі досягнення науки, а насправді звичайних математичних КАЗОК. Світова Вікіпедія погоріла на сліпій довірі до інформації видавництв, які заробляють на науці, приймають до публікації статті за гроші авторів - от і публікуються ті, хто має гроші, замість тих, хто має ідеї, що розвивають НАУКУ. Ось що виходить, коли у світовій Вікіпедії відсувають у бік вчених, а вміст статей контролюють не фахівці. Прихильники математичних казок, боротьбу з їхніми догмами презирливо називають "альтернативщиною", забуваючи що на початку 20 століття, сама фізика мікросвіту виникла як альтернатива пануючим тоді помилкам. Вивчаючи мікросвіт, фізика знайшла багато нового, але разом із справжніми експериментальними даними у фізику ринув і потік абстрактних теоретичних побудов, що вивчають щось своє та видають себе за найвище досягнення науки. Можливо у створеному даними теоретичними побудовами віртуальному світі і працюють вигадані ними "закони природи", але фізика вивчає саму природу та її закони, а математики можуть розважатися скільки хочуть. Сьогодні фізика 21 століття просто намагається очиститися від оман і обдурювання 20 століття.

9 Стандартна модель та припасування під дійсність

Прихильники теорії струн, порівнюючи її зі Стандартною моделлю та агітуючи за теорію струн, заявляють, що Стандартна модель має 19 вільних параметрів, для припасування під експериментальні дані.

Вони дещо упускають. Коли Стандартна модель ще називалася кварковою моделлю, їй вистачало лише 3 кварки. Але в міру розвитку Стандартної моделі потрібно збільшити кількість кварків до 6-ти (нижній, верхній, дивний, зачарований, чарівний, істинний), а кожен гіпотетичний кварк ще й наділити трьома кольорами (r, g, b) – отримуємо 6*3 = 18 гіпотетичних частинок. До них ще знадобилося додати 8 глюонів, яких довелося наділити унікальною здатністю під назвою "конфайнмент". 18 казкових кварків плюс 8 казкових глюонів, для яких також не знайшлося місця в природі – це вже 26 вигаданих об'єктів, крім 19 вільних параметрів припасування. - Модель розросталася новими вигаданими елементами, для припасування під нові експериментальні дані. Але введення квітів у казкових кварків виявилося замало і дехто вже заговорив про складній будовікварків.

Трансформація моделі кварків у Стандартну модель - це процес припасування під дійсність, з метою уникнення неминучого краху, що веде до непомірного розростання Лагранжіана:

І як би Стандартну модель не нарощували новими "здібностями" вона від цього не стане науковою - фундамент фальшивий.

10 Фізика 21 століття: Стандартна модель - підсумок

Стандартна модель (елементарних частинок) - це лише гіпотетична конструкція, погано співвідноситься з дійсністю, як би її не підганяли:

• Симетричність нашого світу щодо трьох типів калібрувальних перетворень не доведена;
• Кварки в природі не виявлені за жодних енергій - кварків у природі НІ;
• Глюони у природі взагалі можуть існувати;
• Існування слабкої взаємодії в природі не доведено, і воно природі не потрібне;
• Сильна взаємодія була вигаданазамість ядерних сил (дійсно існуючих у природі);
• Віртуальні частки суперечать закону збереження енергії- фундаментальний закон природи;
• Існування калібрувальних бозонів у природі не доведено – у природі є просто бозони.

Сподіваюся, добре видно: на якому фундаменті збудовано Стандартну модель.

Чи не знайдено, не доведено і т.п. це не означає, поки не знайдено і поки не доведено - це означає, що немає жодних доказів існування в природі ключових елементів Стандартної моделі. Таким чином, Стандартна модель базується на фальшивому фундаменті, що не відповідає природі. Отже, Стандартна модель - є оманою у фізиці. Прихильники стандартної моделі хочуть, щоб люди продовжували вірити казкам стандартної моделі, інакше їм доведеться переучуватися. Критику Стандартної моделі вони просто ігнорують, видаючи свою думку за рішення науки. Але коли помилки у фізиці продовжують тиражуватися, незважаючи на доведену наукою їх неспроможність - помилки у фізиці перетворюються на НАДУВАЛЬНІСТЬ у фізиці.

До помилок у фізиці можна віднести і головного покровителя Стандартної моделі - збірка математичних бездоказових припущень (просто кажучи - збірка математичних КАЗОК, або за Ейнштейном: " скуйовджений з нескладних уривків думок набір маячних ідей") під назвою "Квантова теорія", яка не бажає зважати на фундаментальний закон природи - закон збереження енергії. Поки квантова теорія продовжуватиме вибірково враховувати закони природи і займатися математичними маніпуляціями, її досягнення важко буде віднести до наукових. законів природи або довести невірність таких, інакше це буде за межею науки.

Свого часу Стандартна модель зіграла певну позитивну роль у накопиченні експериментальних даних про мікросвіт - але цей час завершився. Ну а оскільки експериментальні дані виходили і продовжують виходять за допомогою Стандартної моделі – виникає питання про їхню достовірність. Кварковий склад відкритих елементарних частинок немає нічого спільного з реальністю. - Отже, експериментальні дані, отримані за допомогою Стандартної моделі, потребують додаткової перевірки поза рамками моделі.

У двадцятому столітті на Стандартну модель покладалися великі надії, вона видавалася за найвище досягнення науки, але двадцяте століття завершилося, а разом з ним і закінчився час панування у фізиці чергової математичної казки, побудованої на фальшивому фундаменті, під назвою "Стандартна модель елементарних частинок" . Сьогодні помилковість Стандартної моделі не помічає той, хто не бажає цього помічати.

Володимир Горунович

Положення

Стандартна модель складається з таких положень:

• Вся речовина складається з 24 фундаментальних квантових полів спина? кварків (u, d, s, c, b, t) та 12 відповідних їм античасток.
• Кварки беруть участь у сильних, слабких та електромагнітних взаємодіях; заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - у слабких та електромагнітних; нейтрино - лише у слабких взаємодіях.
• Всі три типи взаємодій виникають як наслідок постулату, що наш світ симетричний щодо трьох типів калібрувальних перетворень. Частинками-переносниками взаємодій є бозони:

8 глюонів для сильної взаємодії (група симетрії SU(3)); 3 важких калібрувальних бозонів (W + , W − , Z 0) для слабкої взаємодії (група симетрії SU(2)); один фотон для електромагнітної взаємодії (група симетрії U(1)).

• На відміну від електромагнітного і сильного, слабка взаємодія може змішувати ферміони з різних поколінь, що призводить до нестабільності всіх частинок, за винятком найлегших, і таких ефектів, як порушення CP-інваріантності і нейтринні осциляції.
• Зовнішніми параметрами стандартної моделі є:
  • маси лептонів (3 параметри, нейтрино приймаються безмасовими) і кварків (6 параметрів), що інтерпретуються як константи взаємодії їх полів з полем бозона Хіггса,
  • параметри CKM-матриці змішування кварків - три кути змішування та одна комплексна фаза, що порушує CP-симетрію - константи взаємодії кварків з електрослабким полем,
  • два параметри поля Хіггса, які пов'язані однозначно з його вакуумним середнім і масою бозона Хіггса,
  • три константи взаємодії, пов'язані відповідно з калібрувальними групами U(1), SU(2) і SU(3), і характеризують відносні інтенсивності електромагнітної, слабкої та сильної взаємодій.

У зв'язку з тим, що виявлені нейтринні осциляції , стандартна модель потребує розширення, яке вводить додатково 3 маси нейтрино і як мінімум 4 параметри PMNS-матриці змішування нейтрино , аналогічні CKM-матриці змішування кварків, і, можливо, ще 2 параметри змішування, якщо нейтрино є майоранівськими частинками. Також до параметрів стандартної моделі іноді вводять вакуумний кут квантової хромодинаміки. Примітно, що математична модельз набором з 20 з невеликим чисел здатна описати результати мільйонів проведених на цей час у фізиці експериментів.

За межами Стандартної моделі

Див. також

Примітки

Література

• Ємельянов В. М.Стандартна модель та її розширення. – М.: Фізматліт, 2007. – 584 с. - (Фундаментальна та прикладна фізика). - ISBN 978-5-922108-30-0

Посилання

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Стандартна модель" в інших словниках:

СТАНДАРТНА МОДЕЛЬ, модель ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТОК та їх взаємодій, що є найбільш повний опис фізичних явищ, пов'язані з електрикою. Частки діляться на АДРОНИ (під впливом ЯДЕРНИХ СИЛ перетворюються на КВАРКИ), … Науково-технічний енциклопедичний словник

У фізиці елементарних частинок, теорія, відповідно до рій осн. (фундамент.) елементарними частинками є кварки та лептони. Сильна взаємодія, за допомогою якого кварки зв'язуються в адрони, здійснюється шляхом обміну глюонами. Електрослабке… … Природознавство. Енциклопедичний словник

- … Вікіпедія

Стандартна модель міжнародної торгівлі- модель міжнародної торгівлі, що найбільш широко використовується в даний час, що розкриває вплив зовнішньої торгівліна основні макроекономічні показники країни, що торгує: виробництво, споживання, суспільний добробут... Економіка: глосарій

- (Heckscher Ohlin model) Стандартна модель зовнішньої торгівлі між країнами (intra industry trade) з різною галузевою структурою, названа на прізвища її шведських творців. Згідно з цією моделлю, країни мають одні і ті ж виробничі… Економічний словник

Наукова картина світу (НКМ) (одне з основоположних понятьв природознавстві) особлива форма систематизації знань, якісне узагальнення та світоглядний синтез різних наукових теорій. Будучи цілісною системоюуявлень про загальні… … Вікіпедія

Стандартна бібліотека мови програмування З assert.h complex.h ctype.h errno.h fenv.h float.h inttypes.h iso646.h limits.h locale.h math.h setjmp.h signal.h stdarg.h stdbool.h stddef.h … Вікіпедія

СТАНДАРТНА КОНЦЕПЦІЯ НАУКИ форма логіко-методологічного аналізу природничих теорій, розроблена під значним впливом неопозитивістської філософії науки. У рамках стандартної концепції науки властивості теорії (що трактується як… Філософська енциклопедія

Форма логіко методологічного аналізу природничих теорій, розроблена під значним впливом неопозитивістської філософії науки. У рамках стандартної концепції науки властивості теорії (що трактується як безліч науково осмислених……) Філософська енциклопедія

Книги

• Фізика частинок – 2013. Квантова електродинаміка та Стандартна модель, О. М. Бояркін, Г. Г. Бояркіна. У другому томі двотомника, що містить сучасний курс фізики елементарних частинок, як перший приклад теорії реальних взаємодій розглядається квантова електродинаміка.