Standardmodellen. Vilket tråkigt namn för den mest exakta vetenskapliga teorin som är känd för människor.

Mer än en fjärdedel av Nobelpriset i fysik under förra seklet är direkta insatser till eller direkta resultat av standardmodellen. Men namnet antyder att om du har råd med några extra dollar i månaden bör du köpa uppgraderingen. Som teoretisk fysiker, Jag föredrar The Absolutely Amazing Theory of Almost Everything. Det är vad Standardmodellen egentligen är.

Många minns spänningen bland forskare och medier över upptäckten av Higgs -bosonen 2012. Men den mycket häftiga händelsen kom inte ur det blå-den begränsade en fem decennier obesegrad rad för Standardmodellen. Varje grundläggande kraft men tyngdkraften ingår i den. Varje försök att välta det för att på laboratoriet visa att det måste omarbetas väsentligt - och det har varit många under de senaste 50 åren - har misslyckats.

Kortfattat, Standardmodellen svarar på denna fråga:Vad består allt av, och hur håller det ihop?

De minsta byggstenarna

Du vet, självklart, att världen runt oss är gjord av molekyler, och molekyler är gjorda av atomer. Kemisten Dmitri Mendeleev kom på det på 1860 -talet och organiserade alla atomer - det vill säga elementen - in i det periodiska systemet som du förmodligen studerade i mellanstadiet. Men det finns 118 olika kemiska element. Det finns antimon, arsenik, aluminium, selen ... och 114 till.

Fysiker gillar enkla saker. Vi vill koka upp saker till deras väsen, några grundläggande byggstenar. Över hundra kemiska grundämnen är inte enkelt. De gamla trodde att allt är gjort av bara fem element - jorden, vatten, brand, luft och eter. Fem är mycket enklare än 118. Det är också fel.

År 1932, vetenskapsmän visste att alla dessa atomer är gjorda av bara tre partiklar - neutroner, protoner och elektroner. Neutronerna och protonerna är hårt bundna till kärnan. Elektronerna, tusentals gånger lättare, virvla runt kärnan i hastigheter som närmar sig ljusets. Fysiker Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg och vänner hade uppfunnit en ny vetenskap - kvantmekanik - för att förklara denna rörelse.

Det hade varit en tillfredsställande plats att stanna. Bara tre partiklar. Tre är ännu enklare än fem. Men hur hålls man ihop? De negativt laddade elektronerna och positivt laddade protonerna är bundna av elektromagnetism. Men protonerna är alla sammanslutna i kärnan och deras positiva laddningar borde pressa dem kraftfullt isär. De neutrala neutronerna kan inte hjälpa.

Vad binder dessa protoner och neutroner ihop? "Gudomligt ingripande" sa en man på ett gathörn i Toronto till mig; han hade en broschyr, Jag kunde läsa allt om det. Men detta scenario verkade som ett stort problem även för en gudomlig varelse - att hålla koll på varenda en av universums 10⁸⁰ protoner och neutroner och böja dem till dess vilja.

Expanderar zoo av partiklar

Under tiden, naturen vägrade grymt att hålla sin zoo av partiklar till bara tre. Verkligen fyra, eftersom vi borde räkna fotonen, ljuspartikeln som Einstein beskrev. Fyra växte till fem när Anderson mätte elektroner med positiv laddning - positroner - som slog jorden från yttre rymden. Åtminstone Dirac hade förutsagt dessa första anti-materiella partiklar. Fem blev sex när pionen, som Yukawa förutspådde skulle hålla ihop kärnan, hittades.

Sedan kom muonen - 200 gånger tyngre än elektronen, men annars en tvilling. "Vem beställde det?" I.I. Rabi kvittade. Det summerar det. Nummer sju. Inte bara inte enkelt, överflödig.

Vid 1960 -talet fanns det hundratals "grundläggande" partiklar. I stället för det välorganiserade periodiska systemet, det fanns bara långa listor över baryoner (tunga partiklar som protoner och neutroner), mesoner (som Yukawas pioner) och leptoner (ljuspartiklar som elektronen, och de svårfångade neutrinerna) - utan organisation och utan vägledande principer.

I detta brott sidled standardmodellen. Det var inte en glimt över natten. Ingen Arkimedes hoppade ut ur ett badkar och skrek "eureka". Istället, det fanns en rad viktiga insikter av några få nyckelpersoner i mitten av 1960-talet som förvandlade denna kärr till en enkel teori, och sedan fem decennier av experimentell verifiering och teoretisk utarbetning.

Quarks. De finns i sex sorter vi kallar smaker. Som glass, förutom inte lika gott. Istället för vanilj, choklad och så vidare, vi har upp, ner, konstig, charm, botten och topp. År 1964, Gell-Mann och Zweig lärde oss recepten:Blanda och matcha tre kvarkar för att få en baryon. Protoner är två ups och en down quark bundna ihop; neutroner är två nedgångar och en upp. Välj en kvark och en antikvark för att få en meson. En pion är en upp eller ner kvark bunden till en anti-up eller en anti-down. Allt material i vårt dagliga liv består av bara upp och ner kvarker och anti-kvarker och elektroner.

Enkel. Väl, enkel, för att hålla kvar dessa kvarkar är en prestation. De är knutna till varandra så tätt att du aldrig någonsin hittar en kvark eller antikvark på egen hand. Teorin om den bindningen, och partiklarna som kallas gluoner (skratt) som är ansvariga, kallas kvantkromodynamik. Det är en viktig del av standardmodellen, men matematiskt svårt, till och med utgör ett olöst problem med grundläggande matematik. Vi fysiker gör vårt bästa för att beräkna med det, men vi lär oss fortfarande hur.

Den andra aspekten av standardmodellen är "A Model of Leptons." Det är namnet på landmärket 1967 från Steven Weinberg som tog ihop kvantmekanik med de viktiga kunskapsdelarna om hur partiklar interagerar och organiserade de två i en enda teori. Den införlivade den välkända elektromagnetismen, förenade den med vad fysiker kallade "den svaga kraften" som orsakar vissa radioaktiva sönderfall, och förklarade att de var olika aspekter av samma kraft. Den införlivade Higgs -mekanismen för att ge massa till grundläggande partiklar.

Sedan dess, Standardmodellen har förutsagt resultaten från experiment efter experiment, inklusive upptäckten av flera varianter av kvarker och W- och Z -bosonerna - tunga partiklar som är för svaga interaktioner vad fotonen är för elektromagnetism. Möjligheten att neutrinoer inte är masslösa förbises på 1960 -talet, men gled lätt in i standardmodellen på 1990 -talet, några decennier sent till festen.

Upptäck Higgs boson 2012, länge förutsagt av standardmodellen och länge eftertraktat, var en spänning men inte en överraskning. Det var ännu en avgörande seger för Standardmodellen över de mörka krafter som partikelfysiker vid upprepade tillfällen har varnat över. Bekymrad för att standardmodellen inte i tillräcklig utsträckning förkroppsligade deras förväntningar på enkelhet, orolig för sin matematiska självkonsistens, eller ser fram emot den eventuella nödvändigheten för att få in tyngdkraften i vecket, fysiker har lagt fram många förslag till teorier utöver standardmodellen. Dessa bär spännande namn som Grand Unified Theories, Supersymmetri, Technicolor, och strängteori.

Tyvärr, åtminstone för sina förespråkare, teorier utöver standardmodellen har ännu inte framgångsrikt förutsagt något nytt experimentellt fenomen eller någon experimentell avvikelse med standardmodellen.

Efter fem decennier, långt ifrån att kräva en uppgradering, Standardmodellen är värd att firas som den absolut fantastiska teorin om nästan allt.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.