Что такое Стандартная модель в физике?

Люди всегда верили, что полное знание о Вселенной приведет нас к более высокой форме существования. Это был святой Грааль как теологии, так и науки — понять все о Вселенной.

В то время как теология верит в сверхъестественные способы достижения этой цели, наука пытается найти свой путь, проложенный все более новыми и совершенными теориями. Хотя мы далеки от того, чтобы узнать все о Вселенной, некоторый реальный прогресс тем не менее есть.

И хотя уже было много претендентов на теорию всего, но ни один из них не оказался столь теоретически и экспериментально точен, как Стандартная модель.

Что такое Стандартная модель?

Стандартная модель — это теория квантовой физики (физики элементарных частиц), которая пытается ответить на все вопросы о поведении материи и ее взаимодействии с окружающими ее вещами.

Стандартная модель предполагает, что все в мире состоит из набора отдельных элементарных частиц, которые невозможно разделить далее. Проще говоря, эти частицы являются строительными блоками нашей Вселенной.

Подобно тому, как материя состоит из элементарных частиц, в природе существуют четыре фундаментальные силы, являющиеся основой всех видов различных сил, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Этими фундаментальными силами являются: электромагнитная сила (объединенная сила, обусловленная действием электрического и магнитного полей), слабые и сильные ядерные взаимодействия (силы, которые управляют процессами связывания и распада атомов) и гравитация, которая не нуждается в представлении. Все остальные силы подпадают под эти четыре.

Что такое элементарные частицы?

Человечеству всегда было интересно, из чего все состоит. У нас было много различных теорий не только с физической точки зрения, но также и с теологической и философской точек зрения. Это всегда был один из самых существенных вопросов в истории человечества. Из чего сделаны мы и все, что нас окружает? Какая самая маленькая единица этой вселенной? Что является наименьшей единицей материи?

Сначала люди полагали, что материя состоит из твердых атомов, которые нельзя разделить дальше, но затем, проводя все больше и больше экспериментов, ученые поняли, что есть единицы — частицы — еще мельче.

Даже атом, который мы привыкли считать наименьшим масштабом во Вселенной, состоит из чего-то еще меньшего размера. Именно тогда ученые обнаружили существование отрицательно заряженного электрона вокруг положительно заряженного ядра.

Когда ученые углубились в ядро, они обнаружили, что оно состоит не из одного типа частиц, а из двух разных типов частиц, которые меньше ядра и обладают разными электрическими свойствами.

К настоящему времени физики обнаружили множество различных частиц, включая протоны, нейтроны и электроны, но что делает некоторые из них элементарными?

Ну, это элементарно, как следует из названия. Частицы, которые не состоят из чего-то меньшего, чем они, или, другими словами, частицы, которые не могут быть разделены дальше, известны как элементарные частицы.

Электрон нельзя далее разделить на более фундаментальную частицу, тогда как протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, известных как кварки.

Таким образом, электроны и кварки — лишь несколько примеров элементарных частиц.

Стандартная модель включает в себя следующие частицы: 6 кварков, 6 лептонов, 4 частицы-переносчика силовых взаимодействий, а также бозон Хиггса. Если учитывать античастицы и различные цветовые заряды у глюонов, то в общей сложности Стандартная модель описывает 61 уникальную частицу.

Стандартная модель предсказала существование W- и Z-бозонов, глюона, топ-кварка и чарм-кварка и предсказала многие их свойства до того, как эти частицы были обнаружены. Предсказания были экспериментально подтверждены с хорошей точностью.

Стандартная модель также предсказала существование бозона Хиггса, который был обнаружен в 2012 году на Большом адронном коллайдере, последней фундаментальной частицы, предсказанной Стандартной моделью, которая должна быть экспериментально подтверждена.

Как Стандартная модель все объясняет?

Как упоминалось ранее, Стандартная модель — это теория, которая пытается объяснить все (основные строительные блоки Вселенной), используя эти элементарные частицы (также известные как фундаментальные частицы) и фундаментальные силы.

Однако есть одна загвоздка: Стандартная модель пока не может объяснить гравитацию.

Модель пытается объединить все силы и частицы в единое уравнение, которое способно описать все способы поведения материи, но не может объяснить гравитацию.

Способ, которым это делается, заключается в использовании одного уравнения, которое дает лагранжиан (очень простыми словами, лагранжиан — это в основном просто разница между кинетической и потенциальной энергией системы), управляемый параметрами, которые зависят от значений, поступающих от элементарных частиц.

Различные квантово-механические операторы (просто название для функций, которые выполняют действия над лагранжианом) могут быть использованы для получения информации и уравнений о различных физических сценариях из этого лагранжиана.

Вот почему она известна как теория почти всего (кроме того, стандартная модель не описывает темную материю и темную энергию, если они конечно существуют).

Несмотря на то, что на данный момент она не может объяснить все в природе, Стандартная модель по-прежнему остается самой успешной теорией, когда-либо созданной исследователями.

Она очень хорошо согласуется с экспериментальными результатами и служит основой для множества новых теорий, пытающихся объединить силу гравитации с остальной частью модели, хотя пока ни одна из них не увенчалась успехом.