Чтобы не сойти с ума, надо отвлекаться — и вот сегодня повод подоспел. Вышли новости, что померяли массу W-бозона по итогам 10 лет экспериментов, она вышла аж на 0,1% выше предсказанной моделью, и физики от радости рвут на себе клочки оставшихся волос. «Но почему?!» спросите вы. А я отвечу самым коротким и чайницким введением в Стандартную Модель, что я смог придумать (осторожно, лонгрид).
Физика — это желание разобрать все и понять как оно внутри устроено. Это состояние, близкое псалмопевцу — «славлю Тебя, ибо я дивно устроен!» — увидеть красоту творения не только доступную органам чувств, но и ту, что спрятана глубоко внутри. Всего нам известно 4 (четыре) фундаментальных взаимодействий, или «сил», благодаря которым функционирует вся вселенная во всем ее многообразии. Они удивительно рифмуются между собой.
На макроуровне нам с древних времен известна первая — гравитация, хоть и открыл ее Ньютон, ушибленный яблоком, не так давно. Все падает на землю. Галактики, планеты, солнечные системы на астрономических гигантских расстояниях держатся вместе благодаря гравитации. Но этого нам было бы конечно мало и физики начиная с древних греков все пытаются разломать, чтобы посмотреть, что там внутри то на микроуровне. «А что если делить кусок золота постоянно, до чего мы доделимся?» Так придумали Атом — буквально, «неделимый», минимальный кусок вещества, обладающий всеми его химическими свойствами.
Прошло всего 2000 лет и Резерфорд и ко. облучал, ironically, опять золото альфа-частицами и понял, что атом очень даже делимый, и там кроме открытых чуть ранее отрицательно заряженных электронов есть положительно заряженное ядро, вокруг которого собственно эти электроны кагбэ летают (на самом деле нет™), держась вместе благодаря электромагнитному взаимодействию. «Разноименные заряды притягиваются» — это все в школе учили. Атом в школе даже рисуют примерно как планету со спутником, вот вам и первая рифма. Это вторая фундаментальная сила, которая везде вокруг нас. Фотоны — переносчики этой силы — позволяют нам видеть. Атомы и молекулы держатся вместе благодаря этой силе. Электромагнетизм дает нам свет, компьютеры, и все разнообразие материалов в повседневной жизни. Химия вся — по сути про электромагнетизм (ну и является частью физики, естественно, как и любая настоящая наука 🙂🙂
На этом школьная физика кончается, но дальше все становится еще интересней. Какое-то время считали, что протоны и нейтроны, из которых состоит атомное ядро, дальше уже не разобрать, и теперь они неделимые. Однако же встает вопрос — раз одноименные электрические заряды отталкиваются, а в ядре любых элементов тяжелее водорода куча положительно заряженных протонов плотно-плотно напиханы вместе — какого собственно хрена они не разлетаются?! Гравитация на массах и размерах протона и нейтрона на дикое количество порядков слабее электросилы, поэтому не может держать их вместе.
Оказывается, и протоны, и нейтроны в свою очередь состоят из кварков — еще более мелких и непонятных, хотя вроде как все-таки уже по настоящему элементарных, частиц. Нейтрон — один так называемый up quark и два down quarks (udd), а протон — uud. Между кварками действует третья фундаментальная сила — так называемое сильное взаимодействие, переносит которое глюоны, аналоги фотонов в электромагнетизме. Сильное оно потому, что на ядерных примерно расстояниях оно в 137 раз сильнее электрического. Оно настолько сильное, что не только тройки кварков связывает друг с другом в нейтроны и протоны, но и держит вместе нейтроны и протоны в атомном ядре своими остаточными эффектами.
Видите как красиво? На астрономических расстояниях все держит вместе гравитация. На атомных и молекулярных — электромагнетизм, который при этом позволяет атомам собираться в молекулы и производить все многообразие веществ и материалов вокруг и внутри нас. Внутри атомного ядра — сильное взаимодействие. Три силы, три фрактальные рифмы.
Однако чего-то в этой картине не хватает! Кварки собираются в ядра благодаря сильному взаимодействию. Ядра с электронами — в атомы благодаря электромагнетизму. Разные атомы — в разные сложные молекулярные вещества благодаря ему же. Много разных веществ — в огромные комки массы, из которых складываются планеты и галактики благодаря гравитации. Однако — откуда берется собственно таблица Менделеева с ее всего 100-c-чем-то атомами? Как разные элементы могут превращаться друг в друга?
И вот тут возникает четвертая фундаментальная сила — так называемое слабое взаимодействие (не очень креативные названия, да?). Благодаря ей элементы могут превращаться друг в друга через механизм бета-распада (это собственно то, что обычно называют радиоактивностью) и через реакции слияния ядер, идущие в недрах звезд. Без нее таблицы Менделеева бы не было. Она не очень рифмуется с тремя остальными силами — ничего она друг с другом не связывает, у нее даже энергии связывания нет никакой, и она нарушает разные симметрии, которые очень любят физики, но все равно она по своему очень красивая.
Вот, смотрите, знаменитая реакция бета-распада нестабильного углерода-14 в азот с периодом полураспада в 5730 лет, на которой основан радиоуглеродный анализ возраста ископаемых:
Углерод-14 состоит из 6 протонов и 8 нейтронов. Всего один нейтрон в его ядре превращается в протон, ядро становится состоящим из 7 нейтронов и 7 протонов — а это ни что иное, как обычный стабильный азот, и при этом превращении выпускаются электрон и нейтрино. Но как нейтрон может превратиться в протон? Мы же помним, что нейтрон это udd, а протон — uud. То есть нам всего-то надо, чтобы down quark превратился в up quark. И вот это как раз то, что делает слабое взаимодействие: d \longrightarrow u + W — down quark превращается в up quark и испускает отрицательный W-бозон (наконец-то!), который является носителем слабого взаимодействия — точно так же, как фотон является носителем электромагнитного, а глюон — сильного!
Но W-бозон — очень короткоживущая частица, которая очень очень быстро, за 10-25 степени секунды, распадается как раз на электрон и нейтрино из типичного бета-распада вроде описанного выше.
В общем, простите, если я несколько увлекся технической стороной, но суть в том, что благодаря слабому взаимодействию и ее носителям — W-бозонам — разные элементы могут превращаться друг в друга, у нас есть таблица Менделеева, звезды, и атомные бомбы.
Так собственно почему тот факт, что его масса оказалась на 0,1% выше предсказанной теорией так важен? Дело в том, что всю физику открыли в прошлом веке. Золотые годы были когда все гении — Эйнштейн, Шродингер, Ферми, Бор, Гейзенберг и другие — в 30х-40х годах открывали квантовую механику и делали атомную бомбу. После этого к 80-м плюс минус была сформулирована вот эта самая Стандартная Модель, которая описывает сильное, слабое и электромагнитные взаимодействия на квантовом уровне, и все, физика кончилась.
Единственный (не совсем единственный конечно, но остальные куда более технические) открытый вопрос — это как гравитацию объединить с остальными тремя силами, никак она не хочет объединяться, а на квантовых эффектах вообще ломается — но это отдельная проблема. А тут вдруг масса одной из основнополагающих частиц, переносчиков одной из фундаментальных сил, отличается от теоретической! Это значит, что наша модель — не до конца верная. Есть какие-то еще частицы. Существующие как-то по другому взаимодействуют.
В общем, есть какая-то новая физика — наконец, после почти полувека в общем-то застоя (хотя открытие бозона Хиггса это конечно был прорыв, но там все было как раз в рамках модели как предсказано).
Ну и вообще — ведь человечество реально освоило только электромагнетизм. Мы вообще ничего не можем сделать с гравитацией, сильным и слабым взаимодействиями (ядерные бомбы не в счет). А ведь если мы научимся управлять ими с той же степенью умения, что электричеством — это же совершенно невообразимые перспективы открываются. Превращение золота в свинец? Сколько угодно. Антигравитационный двигатель? Да пожалуйста. Дешевая неограниченная энергия? Да вот она.
Вот чем надо заниматься, а не нападать на соседей ради стиральных машинок и самолюбия сошедших с ума дряхлых стариков с перекошенным от злости лицом 🙁
