5 юли 2012 г.

32 Стандартен модел за начинаещи (1) / Увертюра

След като Хигс бозонът (или хигсбозоноподобна частица) вече е факт, изпълзял на 5 стандартни отклонения от дупката си, и след като всички се нагледахме и наслушахме на журналистическа жалост (дори в епични пропорции), ми се струва, че няма да е лошо да се пробвам да обясня с някакви прости (надявам се) думи що за частица е това. Няма нищо романтично в идеята за Хигс-бозона. Има много, адски много математика и квантова теория на полето, които в крайна сметка са толкова далеч от нормалния човек и от интуицията, че дори професионалистите в областта понякога се замотават. За да се стигне до Хигса обаче, трябва да се почне малко по-отдалеч...



И така: всичко съществуващо във Вселената, което можем да видим, пипнем и изобщо детектираме, се състои от няколко групи фундаментални частици: кварки, лептони и калибровъчни бозони. Казвам фундаментални, защото на днешния етап от развитието на теорията и експеримента, не се предполага те да са съставени от нещо друго. (В контраст, протонът например, е прието да се нарича елементарна частица, но не е фундаментална, защото се състои от три кварка. Той по никакъв начин не може да бъде разбит на съставните си парчета, поради специфични свойства на силното взаимодействие, затова е и елементарен, но не е фундаментален. На по-ранните етапи от развитието на науката различни частици са били смятани за елементарни - първо атомите, после ядрата, след това нуклоните... С това искам да кажа, че сме свикнали всяко нещо да се дели на нещо друго по-малко от него, но по всичко изглежда, че с кварките, лептоните и калибровъчните бозони сме стигнали до неделимостта.)

Тези три категории частици се класифицират в две условни групи: частици на материята и частици на взаимодействията. Частиците на материята (кварките и лептоните) изграждат веществото - нуклоните, ядрата, въртящите се около тях електрони, неутрината, които излъчват звездите и ядрените реактори в Япония... Частиците на взаимодействията пък са проявления на полетата, които действат между кварките, лептоните (и между самите тях понякога).

Нека поясня - когато имате един елементарен електричен заряд в точка А и още един такъв заряд в точка Б, между тях започва да действа сила на отблъскване. Двата електрични заряда могат да са например електрони (най-популярните от категорията лептони), а това което предизвиква силата между тях е познатото на всички електромагнитно поле. И тъй като сме в областта на квантовата електродинамика, на всяко поле се съпоставя негово проявление във вид на частица. Електромагнитното поле си има такава частица на взаимодействието (калибровъчен бозон), известна под името фотон. На практика отблъскването на двете заредени частици е резултат от непрекъснат обмен на фотони, кванти на електромагнитното поле (което в класическата електродинамика се подчинява на уравненията на Максуел).

Освен електронът, в категорията на лептоните попадат мюонът, тауонът (които са много подобни на електрона като свойства, но имат по-голяма маса и са нестабилни, за разлика от него). Всеки лептон си има антилептон - позитрон (за електрона), антимюон (за мюона) и антитауон (за тауона). Античастиците пък имат същите свойства като партньорите си, но са с противоположен заряд (електронът и позитронът тежат еднакво в покой, но единият има отрицателен, а другият - положителен заряд). Дотук лептоните станаха 6. Към това семейство се класират още 6 частици - три неутрина и съответните им антинеутрина. Те имат изключително малка маса (доскоро се считаше дори, че са безмасови) и са три типа - електронно, мюонно и тауонно неутрино (+ антинеутрино).

Кварките също са 6 типа - горен (u), долен (d), странен (s), очарован (c), красив (b) и истинен (t). На всеки от тях съответства антикварк - отново със заряд противоположен на съответния кварк. Кварките не могат да съществуват в свободно състояние и винаги се намират в някаква по-сложна структура - например в протона има два u-кварка и един d-кварк. Сметката дотук: материята (и антиматерията) се състои от 12 частици (и техните 12 античастици).

Интересното е, че тези частици се групират в т.нар. поколения - I, II и III (вж. картинката от уики в началото на поста). Във всяко поколение има по един зареден лептон, съответстващото му неутрино и два кварка. Например, в първото поколение се групират електронът, електронното неутрино, u и d кварките (и съответните им античастици). Във второто - мюонът, мюонното неутрино, s и c кварките. И тъй като частиците от поколение I са много по-леки от частиците в поколение II, последните са нестабилни и след определено време се разпадат на частици от предното поколение. Например, за около 2 микросекунди един мюон се разпада на електрон, електронно антинеутрино и мюонно неутрино. Това е неизбежно - точно защото частиците от II и III поколение са тежки, и за тях е енергетически изгодно да се разпаднат на по-леки частици (това не значи, че едните се съдържат в другите!) затова и преобладаващата част от материята във Вселената се състои от електрони, протони (два u и един d кварк) и неутрони (два d и един u кварк). Тежки частици (например, такива съставени от три c-кварка) могат да бъдат получени при високоенергетични сблъсъци на по-леки частици (но за това - друг път). Но в природата не се срещат лесно.

ТЕ ИМАТ СПИН!

Всички фундаментални частици на материята имат едно специфично общо за всички тях свойство - те са фермиони. Сега, тук става малко хлъзгаво, защото не е много лесно да се обясни без грам формула какво е това фермион. Но нека опитам: величините в квантовата механика имат класически еквиваленти. Начинът на описание на тези величини е коренно различен като математически апарат, но все пак скоростта в квантовата механика има сходен смисъл на скоростта в класическата; координатите, импулса, енергията... също. Хората, които още имат някакви спомени от училищната физика, вероятно знаят, че макроскопичните тела се характеризират с величина, която се нарича ъглов момент и е свързана с въртенето на тялото около дадена ос. Колкото по-далеч е тялото от тази ос, или колкото по-тежко е то, или колкото по-бързо се върти, толкова по-голям момент на импулса има. Е, в квантовата механика еквивалентът на тази величина води до въвеждането на квантово число, наречено спин. Можете да си го представяте като вътрешна характеристика на всяка елементарна частица, която е свързана със собственото "въртене" на частицата около ос, която минава "през нея". (Разбира се, това е груба класическа аналогия - квантовите обекти не се въртят. Което е само върхът на айсберга - те дори не се характеризират с локализация в пространството, т.е. с координати... но затова друг път.) Просто математически, описанието на спина изглежда подобно на описанието на въртене на класическо тяло. Тъй като в квантовата механика всичко живо се квантува, то въпросният собствен ъглов момент не прави изключение. Съответното му квантово число - спин - може да заема различни стойности, но или цели (0, 1, 2,...) или полуцели (1/2, 3/2, 5/2,...). Това с какъв спин е частицата - дали цял или полуцял - има фундаментално значение и определя как точно тя ще се опише математически в уравненията на движението. Всички частици на материята изброени по-горе имат полуцял спин (1/2). В контраст - тези на полето (фотонът от горния пример) имат цял спин.

И за да стигнем до думата, която често се чуваше тези дни - частиците с полуцял спин се наричат фермиони, а частиците с цял спин - бозони. Правилно, Хигс бозонът е частица с цял спин. Т.е. тя не принадлежи към семейството на частиците, изграждащи материята. Също така, тя не е и сред типичните частици на взаимодействието (като фотона, глюоните, W/Z-бозоните), а има особен статут.

Но за това, в евентуалното продължение.

32 коментара:

  1. Благодаря, ще чакам продължението.

    ОтговорИзтриване
  2. Тъкмо стана интересно и свърши. :)
    Ще се радвам на продължение.

    ОтговорИзтриване
  3. Ех, откога търсех точно такава статия!
    Чакаме продължението :о)

    ОтговорИзтриване
  4. Е добре, явно ще има продължение. :) Обаче имайте предвид, че това е толкова завързана на възел материя, че почти няма как да се предложи хем разбираемо, хем систематично. Винаги ще има дупки, недообяснени неща, и неща, които ще стават ясни впоследствие...

    И тъй като тези неща ги пиша буквално в движение и без особен план как ще се развият нататък, коментарите по неяснотите или интересните проблеми, които си струват да бъдат раздути, ще ми са от полза. :)

    ОтговорИзтриване
  5. Браво! Най-после да прочета нещо за откритието, с подробности и на достъпен език.

    ОтговорИзтриване
  6. Обичам да чета научно-популярна литература по физика и за Стандартния модел съм чела в няколко различни варианта, но за първи път попадам на толкова приятно систематизирано описание! Много ще се радвам, ако напишеш още!

    ОтговорИзтриване
  7. Страхотен материал! Мисля, че добре си обяснил нещата - в смисъл, би трябвало да са разбираеми и за незапознатите. Аз чакам с нетърпение продължението, защото там са баш нещата, които искам да знам. :)

    Айнщайн е казал, че когато човек наистина си знае теорията, може да я обясни просто независимо от това колко сложна е тя. Не е нужно обяснението да е супер изрядно - можеш да го профанизираш малко, за да го разберат масите. Стига да не се стига до някакви фактологически неточности с това, разбира се. That said, малко математика няма да ни убие. Сигурна съм, че ще намериш баланса. Ако не го намериш - ще питаме. :)

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. Бе аз се пак на всяко профанизирано обяснение бих му сложил голям червен дисклеймър, че е профанизирано, щото хората, по-глупавите особено, обожават да щипят познание оттук-оттам и да се бият в гърдите после с него :)

      Изтриване
    2. Е то му личи като е профанизирано. :)
      Ако е фактологически изрядно, не би трябвало да има проблем. Става дума да ни се каже най-важната физика, по прост и разбираем начин. Това е изпълнимо. Пък биещите се в гърдите недоразбрали интелектуалци ще са доста по-безвредни от медийната простотия, която се случва в момента.

      Изтриване
    3. Трип, то практически всяко обяснение в тази област е профанизирано в някаква степен. Чиста строга физика има само в първите няколко от десетте тома на Ландау и Лифшиц. Ако някой теоретик види тоя пост, ще ме разкости направо - "кво? не даваш спинорното представяне на фундаменталните фермиони? говориш за античастици без да покажеш уравнението на Дирак?" и т.н. и т.н. :)

      Изтриване
    4. Хриси, аз затова споменах биещите се в гърдите недоразбрали идиоти, не интелектуалците. Те са тия, дето не могат да направят разликата между профанизирано и "истинско" обяснение, бъркат първото с второто и после действат в реалния свят въз основа на недоразбралостта си :)

      Иначе, специално в точните науки предполагам, че човек може да е фактологически точен, без да е изчерпателен, просто щото - това и към на Силвър отговора, - се подразбира, че дадено твърдение, ако е agreed upon, си е подкрепено от нужната математика и без да е нужно лаиците да я гледат :)

      Изтриване
    5. Те лаиците и да я загледат математиката, няма да я схванат. :D
      Някои от нещата на Ландау и Лифшиц примерно са трудночетабилни дори за хора, които си имат някаква представа от тая материя.

      Как да е, биещите се в гърдите идиоти, образоващи се от научно-популярни източници продължават да не са ми голям проблем. Баси, те поне са се образовали от научно-популярни източници, нали! Което показва, че малко или много имат някакво влечение към наука и познание. Знаеш ли от колко по-неподходящи места могат да си черпят информацията за света?

      Но да не оспамваме блога на човека с безсмислени дискусии. Аз се заядох с теб само щото ми е писнало от дисклеймъри в тая част на света. :D Тук ги има навсякъде, за всичко. Свалят колективното IQ на планетата като се прекали с тях.

      Изтриване
  8. И аз да се присъединя към хора - благодарско за обясненията! Физиката е доста далеч от това, с което се занимавам, обаче това не ми пречи да умирам от любопитство какво точно става, и тази статия ми дойде съвсем навреме. Мислено вече подскачам от нетърпение за продължението :)

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. По някаква причина коментарът ти е бил приет за спам от блогър и затова чак сега се появява. Сори.

      Изтриване
  9. интересно четиво , ще има ли смисъл ако ние коментаторите допълваме информацията с "картинки" и copy/paste пасажи или си решил да е соло изпълнение.Питам за да няма после писане с CAPS LOCK-а.

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. Няма проблеми с допълненията, но все пак е по-добре да не са копи/пейст, защото и текстът отгоре не е. Всеки знае къде е уики (не че там нещата по тези въпроси са много цветущи, де). Също така, ще е хубаво допълненията да са по разискваните в този пост теми, а не по това, което е оставено за по-нататък. Примерно, ако сега допълниш детайли за трите взаимодействия, които с ясното съзнание оставих за втория пост, това ще го обезсмисли и оттам се къса цялата връзка със следващото.

      Предпочитам дискусията, в която да се случва доуточняването и допълването.

      Изтриване
    2. хмм, най добре да се правят допълнения едва след като си направил обзор на всичко , наистина не съобразих че така може да стане повтаряне.

      Изтриване
    3. Както прецениш, но дискусия по засегнатите въпроси винаги може да има. :)

      Изтриване
  10. Обаче добре, че на никого не му e запукало от милионите тавтологии и пунктуационни грешки, които току-що изметох. Не знам защо все си ги намирам със закъснение и все остават. Както и да е...

    Амелия, не е изключено да се появи и малко математика, но ще трябва да е адаптирана - т.е. да може да се прескача по желание без последствия. :)

    Сега обаче ме хвърлихте в размисъл, защото ще се наложи да планирам малко по-внимателно следващите части.

    Anyway, 10x, радвам се, че има смисъл и е интересно.

    ОтговорИзтриване
  11. Респект!

    Чакаме следващите части.

    ОтговорИзтриване
  12. Пуснаха „божествени частици” за продан в eBay:)

    ОтговорИзтриване
  13. Мерси, всъщност на мен първите три абзаца ми стигнаха. Тия дни се порових доста из wiki, за да разбера какво точно е открито и защо въобще е толкова важно, но тук са по-систематизирани и ясни нещата. Та и в тази връзка, нека го наричат журналистите "божествена частица", Силвъре. Ако предизвиква интерес, ако лапетата пак почнат да искат да стават космонавти, археолози или каквито и да било навти/лози, защото е по-някакъв начин модно и готино, значи могат да се преглътнат няколко вкиснати научни физиономии.

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. Е да, ама ако недоразберат и се запишат в семинарията, какво правим тогава? :)

      Изтриване
    2. пак започват кръстоносните походи водени от умове с тесен мироглед само че с модерни оръжия за смърт.

      Изтриване
  14. Хареса ми статията. Ала, то си е по точно, урок по квантова физика. Това добре. Даже много добре, колкото повече хора се образоват толкова по добре. Но, сега започвам с питанията.

    Според прекрасния ни "Стандартен модел", който силно разчита "Хигс" бозома да съществува, вселената възниква от "Големия взрив". Само че за да бъде това така "Стандартния модел" претърпява толкова много поправки че става с "така да речем" съмнителна стойност.

    Първо, бозома на "Хигс", не е открит на 100%. Тепърва има да се разглеждат данните и преспокойно може както много пъти в науката, да се окаже че наблюдаваме нещо сходно на въпросния бозом но не точно. Впрочем като говорим за ЦЕРН и фундаменталната му надеждност, те на скоро обявиха че съществува скорост над "светлинната константна", която до тогава и сега е единственото сигурно нещо което не може да бъде променяно в цялата ни любима физика. Естествено по-късно се извиниха че това е грешка, но...

    Та да се върнем на "Стандартния модел". От край време във физиката има проблем когато говорим за "Големи тела" и "Квантова физика". Законите които прилагаме на телата и законите които прилагаме в "Квантовата физика" са съвсем различни и не могат да се прилагат помежду си. И тук идва странността, ако въпросните "фундаментални частици" са създали нашата вселена и са във всичко, защо имат такова различно поведение когато са струпани в огромни количества.

    Този физичен проблем, няма да бъде решен с откриването на бозома на Хигс:

    - Нито "Тъмната материя", ще бъде обяснена с него.
    - Нито "Тъмната енергия"
    - Нито новооткрития "Тъмен поток".

    Да не говорим за куп други неразрешими физични парадокси които бъркат в "животеца" на "Стандартния модел".

    Ако се чудите защо толкова проблеми са наречени с думата "Тъмен" е защото когато нещо не пасва на стандартния модел, най-лесно е да му измислят някакво "тъмно" име, сетне да изчислят пак "горе долу", какво влияние прилага върху видимата Вселена и да го добавят със символ в вече разрасналата се като метастази теория на "Стандартния модел".

    Най-безумния случай на това е теорията за "Космическата интерференция", която твърди /образно казано/ че когато "Големия взрив" е експлодирал, той е спрял за около 3 секунди, за да се разнесе материята и топлината му, равномерно, сетне експлозията е продължила. И всичко това защото не могат да обяснят микровълновия фон на нашата Вселена, който не показва да е имало експлозия защото е напълно равномерен.

    Но, целта на поста ми е не да преподавам. Пази боже! А, по скоро, да кажа че колкото и да си го въртим на пръста този "Стандартен модел", да отхвърляме всичко необяснимо и да си мислим че знаем всичко и че отговорите са достижими за нашите човешки мозъци и три измерено мислене, все пак всичко е много далеч от "тотално доказано".

    До тогава, ни остава да летим върху новата светлинна скорост обявена от ЦЕРН, за да вадим ток, от въртящия се като динамо Айнщайн.

    Ps. Има един много хубав виц, доста циничен но ще ви го разкажа. Предупреждавам ви малко хора ще го разберат.

    Говорят си деканите на Принстън и Оксфорд.
    - Знаеш ли, завеждащия по Физика в нашия университет? - Питал англичанина.
    - Онова здраво, правото момче? Шампиона по бягане? - Отвърнал американеца.
    - Да, същото. Стивън Хокинг.
    - И какво за него?
    - Онзи ден, ония вашия. Айнщайн си купил негова книга.
    - Така ли коя?
    - „Черни дупки, бебета вселени и други есета“
    - И?
    - Ами, ония вашия, като се ядосал и сега нашето момче е в инвалиден стол!

    Е това е от мен.

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. Извинявам се, Наум, малко ми е трудно да не се държа грубо и саркастично, но ще пробвам:

      - Казва се "бозон".

      - Това отгоре е далеч от урок по квантова физика. Точно Стандартен модел за чайници си е.

      - Стандартният модел и Големия взрив са две различни теории. Поясних, че Хигс бозонът има толкова голямо отношение към "началото" на Вселената, колкото всяко друго фундаментално поле.

      - Вероятността това да не е Хигс не е за пренебрегване, но е малка. Дето се вика - ако видиш нещо, което плува като патка и кряка като патка, то най-вероятно е патка. Но не мисля, че под подобен коментар е най-доброто място да обяснявам защо новата частица, открита в Церн кряка като патка.

      - Свръхсветлинии неутрина бяха обявени от експеримента Опера в Италия. ЦЕРН се намира между Франция и Швейцария. Това, че тук се получава неутринния сноп за Гран Сасо, не значи, че ЦЕРН е обявявал псевдонаучни открития и след това се е извинявал за това.

      - Трудно ще намериш учен, който да смята Стандартния модел за завършена теория. То затова се нарича наука (а не догма) - защото се развива. С идеи, проби и грешки.

      - Проблемът с тъмната енергия и материя си остава - никога никой не е смятал, че той ще се разреши от намирането или ненамирането на Хигс бозона.

      - Теория за "космическата интефренеция" няма. Вероятно се бъркаш с инфлационната теория в космологията.

      - Няма учен, който отхвърля всичко необяснимо или смята, че всичко е вече обяснено. Напротив, всички учени се радват, че има необяснени неща, които чакат своето обяснение.

      Изтриване
    2. Да, Silver прав си. Ала виж, аз се сещам за много повече далеч по-съществени физични проблеми, от този на бозона Хигс. Та, това непрекъснато "квичене и мучене" че едва ли не, всичко вече ни е станало ясно ми дойде до гуша.

      Ха-а, колко е приятно да те поправят. Не ми се е случвало често. Благодаря. /наистина не влагам сарказъм/

      Прав си относно интефренеция-та. Действително имам предвид инфлационната теория.

      Скоро, пък бях говорил някъде за "Хелий 4" и вместо "Хелий 4" бях писал "Хелий 3". Признавам, тогава ми идваше да се гръмна.

      Та да си дойдем на думата. Това нито е грубо нито саркастично поведение. Да не те подтиквам де, ама напротив напълно нормално си е. Диалогично.

      Имам един въпрос, стига да не е много нахално де. Според теб Silver, това което е намерено е бозона на Хигс или нещо друго, сходно с него? И ако не, споделяш ли някакви твой лични теории за полетата и възникването на материята?

      /В частност ми е интересно какво мислиш за "Струнната теория". Сега се сещам също ще ми е интересно за мнението ти относно моста на Айнщайн-Розен, както и редица от по-смелите теории за произхода на Вселената./

      Безспорно има да се говори много, по-много въпроси.

      Ps. Добра работа с блога, ще го препоръчам и на други.

      Изтриване
    3. Аз не съм забелязал квичене и мучене от страна на учените, че всичко е станало ясно. Напротив, на пресконференцията се скъсаха да обясняват как много неща не са ясни.

      Да се спекулира в момента дали това е Хигс бозонът предсказан в СМ е безпредметно. Всяко научно твърдение е такова, защото след него следва "защото". В момента мога да кажа само, че със сигурност има новооткрита доста тежка частица, която е с цял спин и нулев заряд. Всичко извън това е спекулация, т.е. е ненаучно и безсмислено.

      Теории за "възникване на материята" и енергията не съществуват и не виждам как могат да бъдат разработени в близко бъдеще.

      Със Струнната теория съм запознат на научно-популярно ниво - математическият апарат, с който борави изисква влагането на прекалено много време. На нивото, което я разбирам ми изглежда като привлекателна идея, защото дава необходимата симетрия и красота на този асиметричен и грозен свят. Тестването й за съжаление е извън всякакъв въпрос, и ще си остане така за много, много дълго време.

      Мостът на Айнщайн-Розен е ненаблюдавана теоретична конструкция. Мнението ми по въпроса е, че ми е ясно как може да се опише математически, но нямам идея какво общо би имала с въпроса за "възникването" на Вселената.

      Повтарям - теории за "възникването" на Вселената не съществуват.

      Изтриване
  15. the one with the truth12 юли 2012 г., 2:09 ч.

    Към Silver и останалите:

    Говорите на свръханглицизиран псевдобългарски език, засрамете се!

    То не бяха "детектирали", "Хигс бозон" (всъщност това означава "бозон НА Хигс"!), не бяха вмъквания на английски (от боклучавия вид, наречен Globbish) между българския текст и т.н., и т.н.

    Или пишете на български, или на английски! Манджа с грозде, при вида на която всеки езиковед, както и всеки обичащ българския език нашенец, биха се самоубили, като видят в каква езикова кочина живеете и с която мислите и действате, не е нужна на никого.

    Вярно е, че голяма част от "световната" "наука" е на английски и това е преднамерена политика -- така се промиват съзнанията на тези, които не говорят на английски и се ускорява глобализацията в посока уеднаквяване на мисленето и възприятията, което е само на крачка разстояние от това да ви сложат чипове и да ви направят роботи-роби, каквато е идеологията на илюминатската религия трансхуманизъм, за чиято скрита природа можете да прочетете най-основното от следния интернет адрес: http://parallelreality-bg.com/index.php/statii/obsti/397-2012-03-02-18-34-06.html.

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. Даваш линк към блог, в който още в първото изречение е употребена думата "компилация", а в следващото е написано "imprint-ва"? И в същото време имаш наглостта да ми вдигаш гири, че съм написал "Хигс-бозон" и "детектира". Моите уважения, но я fuck off, pls. :)

      Изтриване
  16. Силвър, моите поздравления, аз мразя физиката със страст, която не се поддава на обяснение, но ти си написал статията си така, че са едновременно интересни и ми дават поне някакъв поглед върху нещата, които обсъждаш.

    ОтговорИзтриване

Забележка: Само членове на този блог могат да публикуват коментари.