ทฤษฎีที่น่าทึ่งของเกือบทุกอย่างคืออะไร?

รุ่นมาตรฐาน ช่างเป็นชื่อที่น่าเบื่อสำหรับทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำที่สุดที่รู้จักกันในมนุษย์

มากกว่าหนึ่งในสี่ของรางวัลโนเบลในฟิสิกส์ของศตวรรษที่ผ่านมาเป็นอินพุตโดยตรงไปยังหรือผลลัพธ์โดยตรงของแบบจำลองมาตรฐาน แต่ชื่อของมันแสดงให้เห็นว่าหากคุณสามารถจ่ายเงินเพิ่มได้สองสามดอลลาร์ต่อเดือนคุณควรซื้อการอัพเกรดในฐานะนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีฉันชอบทฤษฎีที่น่าทึ่งอย่างยิ่งเกือบทุกอย่าง นั่นคือสิ่งที่โมเดลมาตรฐานเป็นจริง

หลายคนระลึกถึงความตื่นเต้นในหมู่นักวิทยาศาสตร์และสื่อในช่วงปี 2555การค้นพบ Higgs Boson- แต่เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างมากนั้นไม่ได้ออกมาจากสีน้ำเงิน-มันต่อยอดในช่วงห้าทศวรรษที่พ่ายแพ้สำหรับรุ่นมาตรฐาน ทุกแรงพื้นฐาน แต่แรงโน้มถ่วงรวมอยู่ในนั้น ทุกความพยายามที่จะคว่ำมันเพื่อแสดงให้เห็นในห้องปฏิบัติการว่าจะต้องได้รับการปรับปรุงใหม่อย่างมีนัยสำคัญ - และมีหลายครั้งในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา - ล้มเหลว

ในระยะสั้นรุ่นมาตรฐานตอบคำถามนี้: ทุกอย่างทำมาจากอะไรและมันรวมตัวกันอย่างไร?

หน่วยการสร้างที่เล็กที่สุด

คุณรู้ไหมว่าโลกรอบตัวเราทำจากโมเลกุลและโมเลกุลทำมาจากอะตอม นักเคมีDmitri Mendeleevคิดว่าในยุค 1860 และจัดระเบียบอะตอมทั้งหมด - นั่นคือองค์ประกอบ - ลงในตารางธาตุที่คุณอาจศึกษาในโรงเรียนมัธยม แต่มีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน 118 รายการ มีพลวง, สารหนู, อลูมิเนียม, ซีลีเนียม…และอีก 114

นักฟิสิกส์ชอบสิ่งที่เรียบง่าย เราต้องการต้มสิ่งต่าง ๆ ลงไปที่สาระสำคัญของพวกเขาซึ่งเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานบางอย่าง องค์ประกอบทางเคมีกว่าร้อยรายการไม่ใช่เรื่องง่าย สมัยก่อนเชื่อว่าทุกอย่างทำจากองค์ประกอบเพียงห้าองค์ประกอบ -โลกน้ำไฟอากาศและอากาศธาตุ- ห้านั้นง่ายกว่า 118 มากมันก็ผิดเช่นกัน

ในปี 1932 นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าอะตอมเหล่านั้นทำจากอนุภาคเพียงสามอนุภาค - นิวตรอนโปรตอนและอิเล็กตรอน นิวตรอนและโปรตอนถูกมัดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาในนิวเคลียส อิเล็กตรอนที่เบากว่าหลายพันครั้งหมุนวนรอบนิวเคลียสด้วยความเร็วใกล้กับแสง นักฟิสิกส์พลังค์-Bohr-ผู้ทำประตู-ไฮเซนเบิร์กและเพื่อน ๆ ได้คิดค้นวิทยาศาสตร์ใหม่ -กลศาสตร์ควอนตัม- เพื่ออธิบายการเคลื่อนไหวนี้

นั่นจะเป็นสถานที่ที่น่าพอใจที่จะหยุด เพียงสามอนุภาค สามนั้นง่ายกว่าห้า แต่จัดขึ้นด้วยกันอย่างไร? อิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกจะถูกผูกไว้ด้วยกันโดยแม่เหล็กไฟฟ้า- แต่โปรตอนทั้งหมดอยู่ด้วยกันในนิวเคลียสและค่าใช้จ่ายเชิงบวกของพวกเขาควรผลักพวกมันออกจากกันอย่างมีพลัง นิวตรอนที่เป็นกลางไม่สามารถช่วยได้

อะไรที่ผูกโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกัน? "การแทรกแซงจากสวรรค์" ชายคนหนึ่งที่มุมถนนโตรอนโตบอกฉัน; เขามีแผ่นพับฉันสามารถอ่านทั้งหมดเกี่ยวกับเรื่องนี้ แต่สถานการณ์นี้ดูเหมือนจะมีปัญหามากมายแม้กระทั่งสิ่งที่ศักดิ์สิทธิ์ - ติดตามแท็บบนโปรตอนและนิวตรอน10⁸⁰ของจักรวาลทุกตัวและก้มพวกเขาไว้ตามความประสงค์

ขยายสวนสัตว์ของอนุภาค

ในขณะเดียวกันธรรมชาติปฏิเสธอย่างโหดร้ายที่จะรักษาสวนสัตว์ของอนุภาคไว้เพียงสาม สี่จริงๆเพราะเราควรนับโฟตอนอนุภาคของแสงนั้นไอน์สไตน์อธิบาย. สี่เติบโตเป็นห้าเมื่อแอนเดอร์สันอิเล็กตรอนที่วัดได้ด้วยประจุบวก - positrons - โดดเด่นทั่วโลกจากอวกาศนอก อย่างน้อยDiracได้ทำนายอนุภาคต่อต้านสสารครั้งแรกเหล่านี้ ห้ากลายเป็นหกเมื่อ pion ซึ่งยูคาว่าพบว่าจะยึดนิวเคลียสเข้าด้วยกัน

จากนั้นมูอน - 200 เท่าที่หนักกว่าอิเล็กตรอน แต่อย่างอื่นคู่แฝด "ใครสั่งสิ่งนั้น"II Rabiเหน็บ นั่นรวมมันขึ้นมา หมายเลขเจ็ด ไม่เพียง แต่ไม่ง่ายซ้ำซ้อน

ในช่วงทศวรรษที่ 1960 มีอนุภาค "พื้นฐาน" หลายร้อยแห่ง ในสถานที่ของตารางธาตุที่มีการจัดระเบียบอย่างดีมีรายการ baryons ยาว (อนุภาคหนักเช่นโปรตอนและนิวตรอน), mesons (เช่นยูคาว่าpions 's) และ leptons (อนุภาคแสงเช่นอิเล็กตรอนและนิวตริโนที่เข้าใจยาก) - ไม่มีองค์กรและไม่มีหลักการชี้นำ

เข้าสู่การฝ่าฝืนแบบจำลองมาตรฐานนี้ มันไม่ได้เป็นแสงแฟลชข้ามคืน ไม่มีอาร์คิมีดีสกระโจนออกจากอ่างอาบน้ำตะโกนว่า "ยูเรก้า" แต่มีชุดข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญโดยบุคคลสำคัญสองสามคนในช่วงกลางทศวรรษ 1960 ที่เปลี่ยนบาทนี้เป็นทฤษฎีที่เรียบง่ายและจากนั้นห้าทศวรรษของการตรวจสอบการทดลองและการทำอย่างละเอียดทางทฤษฎี

ควาร์ก- พวกเขามาหกสายพันธุ์ที่เราเรียกว่ารสชาติ เหมือนไอศกรีมยกเว้นไม่อร่อย แทนที่จะเป็นวานิลลาช็อคโกแลตและอื่น ๆ เรามีขึ้นลงแปลกมีเสน่ห์ด้านล่างและด้านบน ในปี 1964Gell-Mannและzweigสอนสูตรอาหารให้เรา: ผสมและจับคู่ควาร์กสามแห่งเพื่อรับ baryon โปรตอนเป็นสองอัพและควาร์กลงมารวมกัน; นิวตรอนเป็นสองดาวน์และขึ้น เลือกหนึ่งควาร์กและหนึ่ง antiquark เพื่อรับ meson Pion เป็นควาร์กขึ้นหรือลงไปที่ต่อต้านการต่อต้านหรือต่อต้าน วัสดุทั้งหมดในชีวิตประจำวันของเราทำจากควาร์กขึ้นและลงและต่อต้าน Quarks และอิเล็กตรอน

เรียบง่าย. ง่าย ๆ-ish เพราะการรักษาควาร์กเหล่านั้นให้เป็นความสำเร็จ พวกเขาผูกติดอยู่กับกันและกันอย่างแน่นหนาจนคุณไม่เคยพบควาร์กหรือต่อต้านการควอร์กด้วยตัวเอง ทฤษฎีของการผูกมัดนั้นและอนุภาคที่เรียกว่ากลูออน (หัวเราะหึๆ) ที่รับผิดชอบเรียกว่าควอนตัมโครโมโซม- มันเป็นชิ้นส่วนสำคัญของโมเดลมาตรฐาน แต่ก็ยากทางคณิตศาสตร์แม้กระทั่งการวางปัญหาคณิตศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่ยังไม่ได้แก้ไข นักฟิสิกส์ของเราพยายามอย่างเต็มที่ในการคำนวณ แต่เรายังคงเรียนรู้วิธีการ

อีกด้านหนึ่งของโมเดลมาตรฐานคือ "แบบจำลองของเลปตัน"นั่นคือชื่อของกระดาษแลนด์มาร์กปี 1967 โดยSteven Weinbergที่ดึงกลไกควอนตัมเข้าด้วยกันด้วยความรู้ที่สำคัญของความรู้ว่าอนุภาคมีปฏิสัมพันธ์และจัดระเบียบทั้งสองเป็นทฤษฎีเดียว มันรวมเอาแม่เหล็กไฟฟ้าที่คุ้นเคยเข้าร่วมกับสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "พลังอ่อนแอ" ซึ่งทำให้เกิดการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีบางอย่างและอธิบายว่าพวกเขาเป็นแง่มุมต่าง ๆ ของกำลังเดียวกัน มันรวมกลไกฮิกส์สำหรับการให้มวลกับอนุภาคพื้นฐาน

ตั้งแต่นั้นมาแบบจำลองมาตรฐานได้ทำนายผลลัพธ์ของการทดลองหลังจากการทดลองรวมถึงการค้นพบควาร์กหลายสายพันธุ์และของw และ z bosons- อนุภาคหนักที่มีไว้สำหรับการโต้ตอบที่อ่อนแอคือโฟตอนสำหรับแม่เหล็กไฟฟ้า ความเป็นไปได้ที่นิวตริโนไม่ใช่มวลชนถูกมองข้ามในช่วงทศวรรษที่ 1960 แต่ลื่นเข้าสู่โมเดลมาตรฐานในปี 1990 ซึ่งสายไปปาร์ตี้ไม่กี่ทศวรรษ

การค้นพบ Higgs Boson ในปี 2012 ที่คาดการณ์มานานโดยแบบจำลองมาตรฐานและการค้นหามานานเป็นความตื่นเต้น แต่ไม่น่าแปลกใจ มันเป็นชัยชนะที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งสำหรับแบบจำลองมาตรฐานเหนือกองกำลังมืดที่นักฟิสิกส์อนุภาคได้เตือนซ้ำ ๆ ซ้ำ ๆ เหนือขอบฟ้า กังวลว่าแบบจำลองมาตรฐานไม่ได้รวบรวมความคาดหวังของความเรียบง่ายอย่างเพียงพอกังวลเกี่ยวกับความสอดคล้องทางคณิตศาสตร์ของตนเองหรือมองไปข้างหน้าถึงความจำเป็นในที่สุดเพื่อนำแรงโน้มถ่วงเข้าสู่การพับนักฟิสิกส์ได้ทำข้อเสนอมากมายสำหรับทฤษฎีที่นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ชื่อที่น่าตื่นเต้นเช่นนี้ทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่-ความสมมาตร-สีเทค, และทฤษฎีสตริง-

น่าเศร้าอย่างน้อยสำหรับผู้เสนอของพวกเขาเกินกว่าทฤษฎีโมเดลมาตรฐานยังไม่ประสบความสำเร็จในการคาดการณ์ปรากฏการณ์การทดลองใหม่ ๆ หรือความคลาดเคลื่อนของการทดลองใด ๆ กับแบบจำลองมาตรฐาน

หลังจากห้าทศวรรษจากการอัพเกรดรุ่นมาตรฐานคือคุ้มค่ากับการเฉลิมฉลองเป็นทฤษฎีที่น่าทึ่งอย่างยิ่งเกือบทุกอย่าง

Glenn Starkmanศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์มหาวิทยาลัยที่โดดเด่นCase Western Reserve University

บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อบทสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ- ติดตามปัญหาเสียงและการอภิปรายทั้งหมดของผู้เชี่ยวชาญ - และกลายเป็นส่วนหนึ่งของการสนทนา - บนFacebook-TwitterและGoogle +- มุมมองที่แสดงเป็นของผู้เขียนและไม่จำเป็นต้องสะท้อนมุมมองของผู้จัดพิมพ์ บทความฉบับนี้ได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวิทยาศาสตร์สด-