Азбука Вселенной. 4. Стандартная модель и вопросы Творцу.
Человек издревле стремился не только понять мир, но и научиться объяснять его свойства исходя из модели самых простого набора элементов - "кирпичиков". Самой успешной в стародавние времена стала такая Стандартная модель:
По крайней мере твердое, жидкое, газообразное и плазменное состояния вещества, а также свет она описывала адекватно.
Время текло, наука развивалась и к концу 19 века по рождении Христа эта модель была заменена на новую Стандартную модель - таблицу Менделеева. В которую к сему дню зачислены 94 встречающихся в природе типов атомов и еще 24 дополнительно созданных человеком. Многовато, однако, для разумной Стандартной модели.
Буквально в рамках полувека после открытия Менделеева стало казаться, что все нарисованное в его модели строится всего лишь из трех элементарных частиц - протона, нейтрона и электрона. Для полноценного функционирования которых нужна была лишь еще одна частица - фотон. Такое стало бы триумфом! Несогласованным, правда, с мнением старика Кулона об отталкивании одноименно заряженных частиц. Как выяснилось, несогласованным временно - до открытия сильного (ядерного) взаимодействия.
Но экспериментаторы не дремали и стали подозрительно часто объявлять об открытии все новых и новых элементарных частиц. В большинстве своем короткоживущих, но вполне реальных. И физикам-теоретикам пришлось перелопачивать немало математических конструкций прежде чем полвека назад они смогли построить то, что называется ныне Стандартной моделью. Вот что у них получилось:
В этой таблице по мнению авторов Стандартной модели показаны все фундаментальные частицы. Попытаемся понять - о чем говорит каждый из четырех его островов, выделенных разными цветами, каковы физические и астрофизические следствия устроенной по Стандартной модели Вселенной, а также зададим простые вопросы Творцу о причинах выбора Им именно такой модели Вселенной.
Типы фундаментальных частиц Стандартной модели.
1. Кварки. Их 6 видов. Они разделены на три "поколения" (три столбца). Все они имеют отличную от нуля массу покоя, которая в таблице указана в энергетических единицах (эв - электронвольт). Все они имею электрический заряд, кратный трети заряда электрона. Все они в экспериментах поодиночке не наблюдаются, но наблюдаются в связанных состояниях с другими кварками. Пока обнаружены связанные состояния с числом кварков от 2 до 5. При экспериментальном прощупывании кварков в их связанных состояниях они кажутся точечными в том смысле, что их размеры по крайней мере на три порядка меньше размера протона.
2. Лептоны. Их тоже 6. Они тоже разделены на три поколения (столбца). Все они по одиночке в экспериментах наблюдаются. Три из них имеют отличную от нуля массу покоя и электрический заряд как у электрона, а три (нейтрино) в теории не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя (в таблице указаны экспериментальные ограничения на их массы сверху).
3. Калибровочные бозоны. Это частицы-агенты взаимодействий. Их 4 типа. Глюон - агент сильного взаимодействия, фотон - электромагнитного, W и Z бозоны - слабого.
4. Бозон Хиггса. Специфическая частица, связанная с нарушением некоторых симметрий в процессах в микромире и, тем самым, влияющая на появление у них ненулевых масс покоя. Описание весьма сложного механизма этого его влияния выходит за рамки этого поста. Замечу лишь, что в одной из посвященных этому бозону зарубежных работ была написана такая фраза: "Бозон Хиггса подобен коммунистической партии - он контролирует массы."
Физические и астрофизические следствия Стандартной модели.
1. Протон и нейтрон являются связанными состояниями 3-х кварков. Протон - uud, нейтрон - udd. Если мы просуммируем массы кварков в этих двух комбинациях, то увидим, что масса протона должна быть ~ 9,4 Мэв, а масса нейтрона ~ 11,9 Мэв. На самом деле масса протона ~ 938,3 Мэв, а масса нейтрона ~ 939,6 Мэв. Реальные массы основных частиц окружающего нас мира на два порядка больше масс всех их составляющих! Следовательно, основная масса Вселенной сидит в энергии поля сильного взаимодействия, склеивающего безмассовыми глюонами маломассивные кварки.
2. Все кварки и лептоны в Стандартной модели, а также протоны и нейтроны являются фермионами, имеющими спин (внутренний момент количества движения) = 1/2. Таким частицам принцип Паули и статистика Ферми-Дирака запрещают садиться на один и тот же энергетический уровень более чем по двое (популярное и с юмором изложение этого запрета можно прочесть в псто Квантово-гендерная физика). Из этого запрета следует, что сжатие любого коллектива фермионов до плотностей выше некоторых предельных принципиально невозможно. А отсюда следует, что никаких сингулярносте в реальной Вселенной не существовало и не будет существовать никогда.
Вопросы Творцу.
Любая теория тем менее правдива, чем больше в ней свободных параметров. Свободных в том смысле, что они берутся из эксперимента (в лучшем случае) или "с потолка" (в худшем случае). В Стандартной модели все свободные параметры берутся из эксперимента (в том числе - массы частиц), но этих свободных параметров слишком много. Поэтому возникают вопросы...
1. Зачем Ты, Творец, придумал три поколения кварков и три поколения лептонов? Неужели не мог обойтись только одним поколением, вполне достаточным для создания всех фермионов, реально наблюдаемых во Вселенной - протона, нейтрона, электрона и нейтрино?
2. Зачем Ты создал u и d кварки, а не напрямую протон и нейтрон? Пусть и взаимодействующие с помощью того же глюона.
P.S. Не исключаю, что нынешняя Стандартная модель - не последняя. В следующей окажется, что второе и третье поколения кварков и лептонов окажутся некоторым образом возбужденными состояниями частиц первого поколения. Когда это произойдет и произойдет ли, не знаю.
По крайней мере твердое, жидкое, газообразное и плазменное состояния вещества, а также свет она описывала адекватно.
Время текло, наука развивалась и к концу 19 века по рождении Христа эта модель была заменена на новую Стандартную модель - таблицу Менделеева. В которую к сему дню зачислены 94 встречающихся в природе типов атомов и еще 24 дополнительно созданных человеком. Многовато, однако, для разумной Стандартной модели.
Буквально в рамках полувека после открытия Менделеева стало казаться, что все нарисованное в его модели строится всего лишь из трех элементарных частиц - протона, нейтрона и электрона. Для полноценного функционирования которых нужна была лишь еще одна частица - фотон. Такое стало бы триумфом! Несогласованным, правда, с мнением старика Кулона об отталкивании одноименно заряженных частиц. Как выяснилось, несогласованным временно - до открытия сильного (ядерного) взаимодействия.
Но экспериментаторы не дремали и стали подозрительно часто объявлять об открытии все новых и новых элементарных частиц. В большинстве своем короткоживущих, но вполне реальных. И физикам-теоретикам пришлось перелопачивать немало математических конструкций прежде чем полвека назад они смогли построить то, что называется ныне Стандартной моделью. Вот что у них получилось:
В этой таблице по мнению авторов Стандартной модели показаны все фундаментальные частицы. Попытаемся понять - о чем говорит каждый из четырех его островов, выделенных разными цветами, каковы физические и астрофизические следствия устроенной по Стандартной модели Вселенной, а также зададим простые вопросы Творцу о причинах выбора Им именно такой модели Вселенной.
Типы фундаментальных частиц Стандартной модели.
1. Кварки. Их 6 видов. Они разделены на три "поколения" (три столбца). Все они имеют отличную от нуля массу покоя, которая в таблице указана в энергетических единицах (эв - электронвольт). Все они имею электрический заряд, кратный трети заряда электрона. Все они в экспериментах поодиночке не наблюдаются, но наблюдаются в связанных состояниях с другими кварками. Пока обнаружены связанные состояния с числом кварков от 2 до 5. При экспериментальном прощупывании кварков в их связанных состояниях они кажутся точечными в том смысле, что их размеры по крайней мере на три порядка меньше размера протона.
2. Лептоны. Их тоже 6. Они тоже разделены на три поколения (столбца). Все они по одиночке в экспериментах наблюдаются. Три из них имеют отличную от нуля массу покоя и электрический заряд как у электрона, а три (нейтрино) в теории не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя (в таблице указаны экспериментальные ограничения на их массы сверху).
3. Калибровочные бозоны. Это частицы-агенты взаимодействий. Их 4 типа. Глюон - агент сильного взаимодействия, фотон - электромагнитного, W и Z бозоны - слабого.
4. Бозон Хиггса. Специфическая частица, связанная с нарушением некоторых симметрий в процессах в микромире и, тем самым, влияющая на появление у них ненулевых масс покоя. Описание весьма сложного механизма этого его влияния выходит за рамки этого поста. Замечу лишь, что в одной из посвященных этому бозону зарубежных работ была написана такая фраза: "Бозон Хиггса подобен коммунистической партии - он контролирует массы."
Физические и астрофизические следствия Стандартной модели.
1. Протон и нейтрон являются связанными состояниями 3-х кварков. Протон - uud, нейтрон - udd. Если мы просуммируем массы кварков в этих двух комбинациях, то увидим, что масса протона должна быть ~ 9,4 Мэв, а масса нейтрона ~ 11,9 Мэв. На самом деле масса протона ~ 938,3 Мэв, а масса нейтрона ~ 939,6 Мэв. Реальные массы основных частиц окружающего нас мира на два порядка больше масс всех их составляющих! Следовательно, основная масса Вселенной сидит в энергии поля сильного взаимодействия, склеивающего безмассовыми глюонами маломассивные кварки.
2. Все кварки и лептоны в Стандартной модели, а также протоны и нейтроны являются фермионами, имеющими спин (внутренний момент количества движения) = 1/2. Таким частицам принцип Паули и статистика Ферми-Дирака запрещают садиться на один и тот же энергетический уровень более чем по двое (популярное и с юмором изложение этого запрета можно прочесть в псто Квантово-гендерная физика). Из этого запрета следует, что сжатие любого коллектива фермионов до плотностей выше некоторых предельных принципиально невозможно. А отсюда следует, что никаких сингулярносте в реальной Вселенной не существовало и не будет существовать никогда.
Вопросы Творцу.
Любая теория тем менее правдива, чем больше в ней свободных параметров. Свободных в том смысле, что они берутся из эксперимента (в лучшем случае) или "с потолка" (в худшем случае). В Стандартной модели все свободные параметры берутся из эксперимента (в том числе - массы частиц), но этих свободных параметров слишком много. Поэтому возникают вопросы...
1. Зачем Ты, Творец, придумал три поколения кварков и три поколения лептонов? Неужели не мог обойтись только одним поколением, вполне достаточным для создания всех фермионов, реально наблюдаемых во Вселенной - протона, нейтрона, электрона и нейтрино?
2. Зачем Ты создал u и d кварки, а не напрямую протон и нейтрон? Пусть и взаимодействующие с помощью того же глюона.
P.S. Не исключаю, что нынешняя Стандартная модель - не последняя. В следующей окажется, что второе и третье поколения кварков и лептонов окажутся некоторым образом возбужденными состояниями частиц первого поколения. Когда это произойдет и произойдет ли, не знаю.