September 24, 2023

Вселенная "по-стандарту"

Стандартная модель – словосочетание, достаточно знакомое каждому, кому интересна физика. Иногда даже этой теории приписывают звание «теории всего», но что же в ней такого необычного?

Перед тем, как начать говорить о стандартной модели, нужно понять, чем же учёных не устроила общая теория относительности? Она же была буквально основой всей физики на протяжении почти двух сотен лет! Основной проблемой, как оказалось, было существование квантового мира. Мира частиц: фотонов, электронов и так далее, который не очень сильно хотел работать по эйнштейновским законам.

Дело в том, что существует квантовая механика, у которой с классической механикой из общего – только название. Частицы не хотят двигаться по хоть сколько-нибудь предсказуемой траектории, а потому некоторые законы классической физики к ним неприменимы. Но мы все состоим из квантов, а значит, нужно эти два мира как-то связать.

Соответственно, пришло время искать «теорию всего». Кстати, в своё время теория струн претендовала на это звание, но не получилось. А Шелдон Глэшлоу в 1960-м году заложил основы стандартной модели – таблицы, которая, как периодическая система, сортировала все частицы и объясняла их взаимосвязь.

Что мы вообще можем извлечь из стандартной модели? В первую очередь, что наш мир состоит из мельчайших частиц, масса которых почти равна нулю. Также, частицы эти бывают двух типов. Из первых состоят атомы, а дальнейшую цепочку все и так знают: молекулы, химические вещества и так далее. Вторые же отвечают за то, как эти частицы друг с другом взаимодействуют: притягивают, отталкивают или разрушают. Главным преимуществом стандартной модели является то, что она, на самом то деле, объясняет принципы работы именно микромира, при этом хорошо стыкуясь и с большими объектами типа планет и звезд.

Если говорить подробнее, то есть кварки и лептоны, которые в разных пропорциях составляют единый нейтрально заряженный атом. Это наш первый кирпичик, благодаря которому вообще существует материя. Но в кирпичах есть свое связующее вещество – известь, без которой даже огромный дом рассыплется в гору песка. В атомах такое тоже есть – бозон глюон, который склеивает кварки и лептоны. Но, чтобы цепочка пошла дальше, необходимо, чтобы атомы взаимодействовали друг с другом.

Мы знаем, что атомы цепляются друг за друга с помощью электронов. Условно говоря, делят один на двоих. Но вот химические элементы из молекул так появляться не могут. Здесь в игру вступают y-бозон и w-бозон, которые переносят слабое взаимодействие между атомами молекул. Работает это, правда, в условиях огромной температуры. Радует, что этот источник огромной температуры у нас есть – звезды. В их ядрах под действием слабого взаимодействия молекулы сцепляются, образуя известные нам железо, никель и серебро.

Есть фотоны, масса которых равна нулю, переносчики электромагнитного взаимодействия, в которые входит и видимый свет. Здесь, в целом, ничего сложного нет – при реакциях в ядрах звезд открывается огромное количество энергии, в том числе, фотонов, которые пролетают сквозь все слои звезды и устремляются в открытый космос. Но их масса и заряд, опять же, равны нулю, а значит, ничто их не удерживает от развития бесконечной скорости. Или удерживает?

Бозон Хиггса, предсказанный больше полувека назад и открытый совсем недавно, и удерживает скорость фотонов на отметке в 300 000 м\с. Один бозон, конечно, ничего не сделает, но мы живем в мире, где все свободное пространство в микромире заполнено ими. В них фотоны вязнут, как снежинки в снежном шаре, а потому мы и видим, и ощущаем солнечный свет.

Есть, конечно же, гравитоны, отвечающие за гравитацию. Их принцип работы, мне кажется, должен быть следующим: они от более тяжелого объекта устремляются к более легким, как бы соединяя их. А большой объект, условно говоря, накручивает эти ниточки на себя, притягивая меньший объект. А гравитоны устремляются дальше. Их «нить» истончается по мере удаления, потому гравитация меньше действует на дальние объекты. Но почему я говорю «мне кажется»? Дело в том, что гравитоны пока что не обнаружили экспериментально, а потому мы и не до конца осведомлены об их функциях. Но это уже дело времени.

Главное – стандартная модель в своих пяти столбцах умудрилась уместить все, из чего состоит необъятная вселенная. Конечно, на звездном небе еще много черных дыр и прочих сверхмассивных объектов. Но на то они и сверхмассивные, чтобы требовать сверхмассивного объема данных, решений и теорий.