Έξι κύρια γεγονότα για το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής

Το καθιερωμένο ή πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων και πώς το χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να προβλέψουν το (υποατομικό) μέλλον. Στην αρχαιότητα οι Έλληνες που ενδιαφέρονταν να προβλέψουν το μέλλον ταξίδευαν την έβδομη ημέρα του μήνα στο Ναό του Απόλλωνα στους Δελφούς για να ζητήσουν μελλοντικές προβλέψεις από το μαντείο. Σήμερα, δεν χρειάζεται να αποκρυπτογραφήσουμε τα αινίγματα μιας ιερέας. Οι επιστήμονες δημιουργούν μαθηματικά μοντέλα που προβλέπουν τα πάντα, από την οικονομία έως τον καιρό.

Ένας ιδιαίτερα ισχυρός μαθηματικός προφήτης είναι το καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Παράγει ισχυρές προβλέψεις για τον υποατομικό κόσμο. Το πρότυπο μοντέλο είναι μια συλλογή ιδεών που μας λένε για τη φύση και τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν όλα τα σωματίδια του σύμπαντος.

Επίσης, το πρότυπο μοντέλο περιγράφει τη συμπεριφορά των μικρότερων δομικών στοιχείων που γνωρίζουμε: έξι τύποι κουάρκ, έξι τύποι λεπτονίων, τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις (και τα τέσσερα σχετικά σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων), καθώς και το μποζόνιο Higgs.

Όπως και οι ηθοποιοί της αρχαιότητας, το πρότυπο μοντέλο μιλάει με αινίγματα που μόνο εκπαιδευμένοι επαγγελματίες μπορούν να ερμηνεύσουν. Αλλά σε αντίθεση με την Πυθία του Απόλλωνα, το πρότυπο μοντέλο είναι μια συγχώνευση βασισμένη στο έργο χιλιάδων ανεξάρτητων επιστημόνων και οι προβλέψεις του έχουν ξεπεράσει δεκαετίες πειραματικών δοκιμών.

Ακολουθούν έξι κύρια γεγονότα για ένα από τα πιο ισχυρά επιστημονικά μοντέλα στον κόσμο.

1: Το όνομα “Standard Model” ήταν ένα όνομα που δεν αντικαταστάθηκε ποτέ.

Μέχρι τη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί είχαν δημιουργήσει μια συλλογή από αυτά που θεωρούσαν θεμελιώδη σωματίδια – διακριτά κομμάτια ύλης που δεν μπορούσαν να χωριστούν περαιτέρω σε συστατικά μέρη. Υπήρχαν τόσα διαφορετικά σωματίδια, και αναφέρθηκαν ως «ζωολογικός κήπος σωματιδίων».

Αλλά το 1964, οι φυσικοί Murray Gell-Mann και George Zweig θεωρούσαν ότι πολλά μέλη του ζωολογικού κήπου ήταν στην πραγματικότητα σύνθετα σωματίδια αποτελούμενα από ακόμη μικρότερα κομμάτια, τα οποία τώρα ονομάζουμε κουάρκ. Ο κατάλογος των πραγματικών θεμελιωδών σωματιδίων ήταν σημαντικά μικρότερος και οι επιστήμονες άρχισαν να βλέπουν νέα πρότυπα. Αυτή ήταν η αρχή της ανάπτυξης του Καθιερωμένου ή Τυπικού Μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων.

Οι πρώτες αναφορές σε ένα «τυπικό μοντέλο» εμφανίζονται σε δημοσιεύσεις κατά τη δεκαετία του 1970. Σε αυτό το στάδιο, οι φυσικοί εξακολουθούσαν να χρησιμοποιούν το «πρότυπο» ως επίθετο, όχι όμως ως μέρος ενός σωστού ουσιαστικού.

Με την πάροδο του χρόνου, στη δεκαετία του ’80 και του ’90, σιγά-σιγά το ‘S’ (standard) και το ‘M’ (model) κεφαλαιοποιήθηκαν.

2: Το πρότυπο μοντέλο κάνει κάποιες υποθέσεις

Το πρότυπο μοντέλο κάνει μερικές βασικές υποθέσεις για το σύμπαν. Και θα λειτουργούσε πολύ διαφορετικά αν κάποιο από αυτά είχε αποδειχθεί αναληθές. Ακολουθούν μερικές από αυτές τις υποθέσεις:

• Οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι σε ολόκληρο το σύμπαν. (Ένα ηλεκτρόνιο στο φεγγάρι έχει την ίδια μάζα με ένα ηλεκτρόνιο στη Γη.)
• Η πιθανότητα διατηρείται. (Έτσι όλοι αυτοί οι προπονητές που λένε «Δώστε το 110%» της δύναμης σας υποδηλώνουν ότι οι παίκτες παραβιάζουν ένα εγγενές αξίωμα της φυσικής.)
• Οι σχέσεις αιτίας-αποτελέσματος είναι απαραβίαστες. (Δεν μπορείς να γεννηθείς πριν από τον παππού σου.)
• Οι διαδικασίες που συμβαίνουν ταυτόχρονα και που δεν τέμνονται χωρικά, είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους. (Κάποιος που μαγειρεύει μια ομελέτα στη Βραζιλία δεν θα επηρεάσει την απόδοση του Large Hadron Collider.)
• Υπάρχει ένας πεπερασμένος αριθμός σωματιδίων και πεδίων. (Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένας σημαντικός στόχος της σωματιδιακής φυσικής μπορεί να συνοψιστεί από το σύνθημα της σειράς Pokémon: Πρέπει να τα πιάσω όλα!)
• Η ειδική σχετικότητα και η κβαντομηχανική είναι κανόνας. (Το καθιερωμένο μοντέλο και όλες οι παραδοχές του προέρχονται από αυτές τις ρίζες!)
• Ένα σωματίδιο αποφεύγει τις ακριβείς μονάδες μέτρησης. Σε ένα σωματίδιο του αρέσουν οι πειραματικές μονάδες μετρήσεων.

3: Το πρότυπο μοντέλο κατασκευάζεται από πειραματικές μετρήσεις

Οι εξισώσεις του Τυπικού Μοντέλου δείχνουν ότι το σύμπαν μας θα μπορούσε να είναι μετασταθές: Με μια άτυχη κβαντική εμφάνιση, θα μπορούσε να καταρρεύσει.

Αλλά οι επιστήμονες πιστεύουν ότι είναι απίθανο το σύμπαν να βρίσκεται στην πραγματικότητα σε υπαρξιακό κίνδυνο. Αποδίδουν αυτήν την ανησυχία στα δεδομένα με τα οποία συνεργάζεται το Πρότυπο Μοντέλο – τις ανακριβείς μετρήσεις μας των μαζών των δύο βαρύτερων γνωστών θεμελιωδών σωματιδίων, του κορυφαίου (top) κουάρκ και του μποζονίου Higgs.

Αυτές οι μάζες σωματιδίων έχουν μεγάλη σημασία επειδή το πρότυπο μοντέλο προέρχεται από πειραματικές μετρήσεις.

Ακριβώς όπως δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το Πυθαγόρειο θεώρημα για να υπολογίσετε το μήκος της υποτείνουσας ενός ορθογώνιου τριγώνου χωρίς να γνωρίζετε το μήκος των άλλων δύο πλευρών του τριγώνου, δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το Πρότυπο μοντέλο για να κάνετε προβλέψεις χωρίς άλλες εισόδους. Από μόνο του, το πρότυπο μοντέλο δεν μπορεί να προβλέψει τη μάζα των διαφόρων θεμελιωδών σωματιδίων, ούτε μπορεί να προβλέψει πόσο έντονα θα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Επειδή οι προβλέψεις του Τυπικού Μοντέλου εξαρτώνται από δεδομένα από τα πειράματα, οι προβλέψεις δεν είναι στατικές, αλλά εξελίσσονται συνεχώς καθώς βελτιώνονται οι ανιχνευτές και οι αναλυτικές μέθοδοι.

Και καθώς οι προβλέψεις γίνονται πιο ακριβείς, υπάρχουν υποδείξεις ότι ορισμένες από αυτές ενδέχεται να μην είναι πλέον συνεπείς μεταξύ τους.

4: Το πρότυπο μοντέλο απαιτεί τουλάχιστον 18 ανεξάρτητες εισόδους

Το πρότυπο Μοντέλο είναι λίγο πιο περίπλοκο από το Πυθαγόρειο θεώρημα. Ενώ ο Πυθαγόρας χρειάστηκε μόνο δύο εισόδους για να προσδιορίσει το μήκος της τρίτης πλευράς ενός ορθογωνίου τριγώνου, το Πρότυπο Μοντέλο χρειάζεται τιμές για τουλάχιστον 18 ανεξάρτητες μεταβλητές για να προβλέψει τις συμπεριφορές των υποατομικών σωματιδίων. Αυτές οι είσοδοι περιλαμβάνουν παράγοντες όπως οι μάζες των σωματιδίων, η ισχύς του πεδίου Higgs και πώς οι διάφορες δυνάμεις δεν συνδυάζονται μεταξύ τους.

Είναι σαν 18 ανεξάρτητα κουμπιά που το καθένα έχει μια σταθερή τιμή. Είναι ελεύθερες παράμετροι που δεν συνδέονται μεταξύ τους.

Το πρότυπο μοντέλο διοχετεύει αυτές τις ανεξάρτητες τιμές σε εξισώσεις που μπορούν να προβλέψουν πώς σχηματίζονται τα σωματίδια, πώς διασπώνται και πως συνδέονται για να δημιουργήσουν όλη την ύλη στο ορατό σύμπαν.

5: Το πρότυπο μοντέλο έχει εξελιχθεί

Το τυπικό μοντέλο χρειάζεται εισόδους, όπως η μάζα των σωματιδίων για να κάνει προβλέψεις. Αλλά ορισμένα σωματίδια, όπως τα φωτόνια και τα γλουόνια, δεν έχουν μάζα.

Μια πρώιμη έκδοση του Standard Model υπέθεσε ότι ένας άλλος τύπος σωματιδίου, το νετρίνο, είχε επίσης μάζα. Αλλά όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι δεν ήταν αλήθεια, οι θεωρητικοί έπρεπε να ταιριάξουν αυτήν την ανακάλυψη στις εξισώσεις του Standard Model. (Και εξακολουθούν να εργάζονται πάνω σε αυτό!)

Έτσι, το πρότυπο μοντέλο αναπτύχθηκε μέσα από δεκαετίες δοκιμών και σφαλμάτων γιατί η αρχική περιγραφή του Standard Model δεν ήταν καθόλου πλήρης ή σωστή. Αλλά, η κατανόησή μας έχει αλλάξει σημαντικά με τα χρόνια.

Οι φυσικοί είναι αισιόδοξοι ότι οι μελλοντικές ανακαλύψεις θα δώσουν περαιτέρω πληροφορίες σχετικά με τα μεγάλα ερωτήματα στη φυσική που το πρότυπο μοντέλο δεν αντιμετωπίζει.

6. Το πρότυπο μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει όλη τη φυσική

Το πρότυπο μοντέλο είναι ένας αξιόπιστος οδηγός όσον αφορά τα 17 θεμελιώδη σωματίδια και τις τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις. Αλλά οι παρατηρήσεις από την αστρονομία και την κοσμολογία μάς γνωρίζουν ότι υπάρχουν περισσότερα στον υποατομικό κόσμο.

Ενώ, ένα μεγάλο ανοιχτό ερώτημα είναι η βαρύτητα. Και δεν έχουμε κανέναν τρόπο να υπολογίσουμε τη βαρύτητα σε υποατομικές κλίμακες.

Η βαρύτητα, η σκοτεινή ύλη και πολλά άλλα φαινόμενα παραλείπονται από το πρότυπο μοντέλο και τα μέχρι τώρα πειραματικά αποτελέσματα έχουν χρησιμεύσει μόνο για να αμφισβητούν δυστυχώς τις πολλά υποσχόμενες ιδέες για τους τρόπους που μπορούμε να τις συμπεριλάβουμε στο Μοντέλο.

Αλλά οι φυσικοί δεν ανησυχούν. Όπως δείχνει η ιστορία του Τυπικού Μοντέλου οι ενδιαφέρουσες ερωτήσεις οδηγούν σε ενδιαφέρουσες απαντήσεις και οι ενδιαφέρουσες απαντήσεις οδηγούν σε ακόμη πιο ενδιαφέρουσες ερωτήσεις.

Είναι μια από τις μεγαλύτερες θεωρίες όλων των εποχών – και σχεδόν μια θεωρία για τα πάντα, λένε. Είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε πώς τα νέα πειραματικά αποτελέσματα μπορεί να ταρακουνήσουν και να επιτρέψουν στο πρότυπο μοντέλο να συνεχίσει να αναπτύσσεται και να εξελίσσεται.