# Дэвид Тонг об устройстве вселенной и тайнах Стандартной модели

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=Unl1jXFnzgo
Канал: Quanta Magazine
Опубликовано: 16.07.2021

---

Более четырех веков назад Галилео Галилей заложил основы современной науки, но фундаментальные вопросы о строении Вселенной волнуют человечество и сегодня. В данном материале физик-теоретик Кембриджского университета Дэвид Тонг подробно разбирает Стандартную модель элементарных частиц — теорию, которую он называет самой успешной в истории науки. Автор объясняет, как устроены базовые кирпичики нашего мира, почему физики мечтают найти изъяны в этой идеальной системе и что скрывается за пределами нашего текущего понимания микромира.

## 🧱 Фундамент вселенной и две главные оговорки
[[JUMP:0:00]]

Около 400 лет назад Галилей начал собирать воедино базовые принципы реальности. На протяжении последующих столетий тысячи теорий и экспериментов заглядывали на все более мелкие расстояния, что в итоге позволило ученым сойтись на единой картине структуры материи. Результатом этих поисков стала сложная формула Стандартной модели, которая дает корректные ответы для сотен тысяч экспериментов, порой с беспрецедентной для науки точностью. По мнению Дэвида Тонга, это самая успешная научная теория всех времен, несмотря на ее довольно скучное и простое название.

Стандартная модель описывает, как все объекты во Вселенной состоят из 12 различных типов частиц материи, взаимодействующих посредством трех фундаментальных сил, которые связывает вместе особая частица — бозон Хиггса. Однако, как подчеркивает Тонг, перед подробным разбором модели необходимо сделать две важные оговорки.

Во-первых, в этой картине полностью отсутствует гравитация — самая очевидная сила в окружающем нас мире и одновременно самая менее понятная для науки. Ученые располагают успешной классической теорией гравитации — общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. По словам физика, гравитацию не включают в Стандартную модель по двум веским причинам:

1. На микроскопическом уровне гравитационное взаимодействие настолько слабое, что оно практически не оказывает никакого влияния на отдельную субатомную частицу.
2. Физики пока не знают, как интегрировать классическую общую теорию относительности в квантовый мир, и не представляют, как заглянуть внутрь черных дыр, где эффекты квантовой гравитации явно активны.

Во-вторых, Стандартная модель написана на языке квантовой теории поля. Этот язык постулирует, что материя на фундаментальном уровне состоит не из привычных твердых частиц, а из непрерывных полей — флюидоподобных объектов, пронизывающих все космическое пространство. Взаимодействие между этими полями порождает физический мир в форме частиц, но для простоты понимания Стандартную модель удобнее описывать именно на языке частиц.

## 🔬 Фермионы и бозоны: классификация микромира
[[JUMP:03:05]]

В микромире существует огромное разнообразие частиц, названия которых могут быстро запутать неподготовленного человека. Тем не менее в физике элементарных частиц существует фундаментальное разделение, которое Тонг называет самым важным: любая частица относится либо к фермионам, либо к бозонам.

Различие между ними кроется в законах квантового мира. Фермионы обязаны подчиняться принципу запрета Паули. В упрощенном виде это означает, что две идентичные фермионные частицы невозможно поместить в одну и ту же точку пространства одновременно. Именно это свойство делает фермионы главными строительными блоками осязаемой материи.

Бозоны, напротив, могут накапливаться друг на друге в неограниченном количестве, поскольку они не связаны принципом исключения Паули. Эти частицы выполняют функцию переносчиков различных сил и физических взаимодействий.

## 🌌 Кирпичики материи и космические призраки
[[JUMP:03:56]]

Как утверждает Дэвид Тонг, все окружающие нас материальные объекты можно в конечном счете свести всего к трем фермионам: электрону и двум разновидностям кварков, которые физики называют «ап-кварком» (up) и «даун-кварком» (down). Знакомые всем из школьной программы протоны и neutrons не являются неделимыми — каждый из них содержит в себе по три кварка. 

Структура ядерных частиц устроена следующим образом:

* Протон состоит из двух ап-кварков и одного даун-кварка.
* Нейтрон состоит из двух даун-кварков и одного ап-кварка.

Соединяя протоны и нейтроны, физика получает атомное ядро. Если добавить к этой системе электроны, формируется полноценный атом. По словам Тонга, все многообразие, красота и сложность окружающего мира созданы из этих трех базовых элементов, которые природа раз за разом перегруппировывает в новые комбинации.

Четвертым типом элементарных частиц материи является нейтрино, и оно кардинально отличается от остальных. Нейтрино обладают экстремально малой массой и практически ни с чем не взаимодействуют. Физик приводит наглядный пример: за то время, пока он произносил эту фразу, сквозь тело каждого зрителя беспрепятственно пролетело около 100 триллионов нейтрино. Большая часть из них рождается на Солнце, но миллионы этих частиц непрерывно странствуют по Вселенной со времен первых секунд после Большого взрыва.

## 🧬 Загадка трех поколений элементарных частиц
[[JUMP:05:14]]

На четырех базовых частицах природное разнообразие не заканчивается. По неизвестным для науки причинам природа создала еще две точные копии этого набора из четырех частиц, сформировав три поколения (генерации) фермионов.

Из-за этого в физике существуют три разновидности электронных частиц: классический электрон, а также мюон и тау-лептон. Мюон и тау-лептон ведут себя точно так же, как электрон, за одним ключевым исключением — они значительно массивнее. Мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, а тау-лептон — почти в 3000 раз.

Аналогичная схема дублирования повторяется для кварков и нейтрино:

* Вместо даун-кварка во втором и третьем поколениях появляются странный (strange) и прелестный (bottom) кварки.
* Вместо ап-кварка возникают очарованный (charm) и истинный (top) кварки.
* Семейство нейтрино дополняется мюонным и тау-нейтрино.

В повседневной жизни человек не сталкивается со вторым и третьим поколениями фермионов. Ученые способны искусственно создавать эти тяжелые частицы, но они крайне нестабильны и мгновенно распадаются, превращаясь в стабильные частицы первого поколения. Тем не менее их существование официально доказано: физики фиксируют их в ускорителях частиц и регистрируют оставляемые ими треки.

Тонг отмечает, что математическая структура Стандартной модели строго требует, чтобы частицы объединялись именно в группы по четыре штуки — это условие математической непротиворечивости. Однако вопрос о том, почему во Вселенной существует ровно три поколения частиц, а не какое-либо другое число, остается для современной науки абсолютной загадкой. При этом все фермионы описываются одним и тем же фундаментальным математическим уравнением, которое в 1920-х годах вывел физик Поль Дирак для описания электрона.

## ⚡ Три фундаментальные силы и их переносчики
[[JUMP:07:41]]

Без физических сил Вселенная была бы безжизненной, а частицы просто хаотично блуждали бы по космосу, не вступая во взаимодействия. Стандартная модель включает в себя три фундаментальные силы, каждая из которых переносится определенными бозонами. Процесс взаимодействия можно представить как постоянный обмен бозонами между фермионами, что напрямую влияет на их движение.

### 💡 Электромагнетизм и фотоны
Электромагнитная сила отвечает за химические свойства элементов и лежит в основе большинства современных технологий. Она воздействует исключительно на объекты, обладающие электрическим зарядом: на кварки и частицы электронного типа. Нейтрино электромагнетизм не затрагивает, поскольку они электрически нейтральны. Электрическое поле заряженной частицы состоит из квантов электромагнитного поля — фотонов.

### 📐 Сильное взаимодействие и глюоны
Сильное взаимодействие — это самая мощная сила в природе. Она работает только на уровне кварков и связывает их внутри протонов и нейтронов, а также удерживает вместе атомные ядра. Эта же сила отвечает за деление ядер и колоссальную энергию атомного взрыва. 

Переносчиком этой силы выступает глюон (от английского *glue* — клей), который буквально склеивает кварки между собой. В отличие от электромагнитного поля, поле глюонов не рассеивается в пространстве радиально. Кварк создает узкую струноподобную трубку потока, которая может закончиться только на другом кварке. Из-за этого при попытке раздвинуть кварки требуется все больше энергии, поэтому в свободном виде кварки в природе не встречаются.

### 🔄 Слабое взаимодействие и радиоактивный распад
Слабое взаимодействие считается самым утонченным и сложным. Оно работает на субатомных дистанциях, но вместо связывания элементов отвечает за их распад. Слабая сила способна менять саму идентичность кварков: даун-кварк может трансформироваться в ап-кварк, испуская электрон и нейтрино. 

Этот процесс порождает радиоактивный бета-распад, превращая нейтрон в протон. Именно благодаря слабому взаимодействию запускаются реакции термоядерного синтеза, которые питают Солнце и дают энергию для жизни на Земле. Кроме того, слабая сила заставляет тяжелые частицы второго и третьего поколений быстро распадаться. Переносчиками этого взаимодействия служат массивные W- и Z-бозоны. Слабая сила уникальна тем, что влияет абсолютно на все типы частиц, включая нейтрино.

## 🍯 Поле Хиггса: как частицы обретают массу
[[JUMP:12:04]]

Последним элементом этой масштабной мозаики выступает бозон Хиггса, который связывает всю модель воедино. Дэвид Тонг озвучивает поразительный факт: изначально ни одна из фундаментальных частиц во Вселенной не обладает собственной массой. 

Роль поля Хиггса заключается в том, чтобы наделить фермионы массой. Поскольку для этого явления трудно подобрать идеальную аналогию, физик предлагает метафору с космической патокой. Поле Хиггса можно представить как густой сироп, равномерно распределенный по всей Вселенной. Когда элементарные частицы движутся сквозь это поле, оно тормозит их, что в нашем макромире проявляется как наличие у частиц массы.

## 🚀 Кризис успеха и путь к «Теории всего»
[[JUMP:13:03]]

Стандартная модель — это вершина 400-летнего развития науки, представляющая собой удивительно красивую математическую картину. Однако, по словам Тонга, сегодня многие физики-теоретики испытывают парадоксальное чувство: Стандартная модель кажется им *слишком* успешной. Она дает правильные ответы абсолютно во всех проводимых экспериментах. Главная надежда современных ученых — обнаружить эксперимент, в котором модель наконец-то ошибется, ведь только тогда физика получит намеки на то, что находится за ее пределами.

В Стандартной модели остается множество открытых фундаментальных вопросов:

* Являются ли три силы природы независимыми, или они представляют собой проявление единой глобальной силы? Ответ на этот вопрос ученые ищут в рамках «Великого объединения», но экспериментальных подтверждений этой теории пока нет.
* Как объединить модель с гравитацией? Недавнее открытие гравитационных волн (колебаний пространства-времени) указывает на то, что они должны состоять из квантовых частиц — гравитонов, подобно тому как свет состоит из фотонов.
* Где скрываются темная материя и темная энергия? Стандартная модель полностью игнорирует этот невидимый сектор, хотя на него приходится 95% всей энергии и массы Вселенной. Темная материя, очевидно, состоит из неизвестных частиц, не участвующих в электромагнитном взаимодействии.
* Чем обусловлена колоссальная разница в массах? Ученые не знают, почему истинный (top) кварк в 350 000 раз тяжелее электрона, а нейтрино — в миллионы раз легче его. Физика не умеет предсказывать массы частиц теоретически, их приходится измерять исключительно экспериментальным путем.

Существующие аномалии и паттерны в массах наводят физиков на мысль, что под Стандартной моделью скрывается более глубокая структура, которую еще предстоит открыть. Конечная цель этого пути, начатого еще Галилеем, остается неизменной — создание глобальной теоретической базы, способной объяснить Вселенную и все, что в ней находится, то есть «Теории всего».