Was ist die absolut erstaunliche Theorie von fast allem?

Das Standardmodell. Was für ein langweiliger Name für die genaueste wissenschaftliche Theorie, die den Menschen bekannt ist.

Mehr als ein Viertel der Nobelpreise in der Physik des letzten Jahrhunderts sind direkte Eingaben oder direkte Ergebnisse des Standardmodells. Doch der Name deutet darauf hin, dass wenn Sie sich ein paar zusätzliche Dollar pro Monat leisten können, sollten Sie das Upgrade kaufen. Als theoretischer Physiker würde ich die absolut erstaunliche Theorie von fast allem bevorzugen. Das ist das Standardmodell.

Viele erinnern an die Aufregung unter Wissenschaftlern und Medien über die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012. Aber dieses vielballige Ereignis kam nicht aus heiterem Himmel - es krönte eine fünf Jahrzehnte andauernde Serie ohne Niederlage für das Standardmodell. Jede fundamentale Kraft außer der Schwerkraft ist darin enthalten. Jeder Versuch, sie umzudrehen, um im Labor nachzuweisen, dass sie substantiell überarbeitet werden muss - und es gab viele in den letzten 50 Jahren - ist gescheitert.

Kurz gesagt, das Standardmodell beantwortet diese Frage: Woraus besteht alles und wie hält es zusammen?

Die kleinsten Bausteine

Du weißt natürlich, dass die Welt um uns herum aus Molekülen besteht und Moleküle aus Atomen bestehen. Der Chemiker Dmitri Mendelejew hat dies in den 1860er Jahren herausgefunden und alle Atome - das heißt die Elemente - in das Periodensystem eingeordnet, das Sie wahrscheinlich in der Mittelschule gelernt haben. Aber es gibt 118 verschiedene chemische Elemente. Es gibt Antimon, Arsen, Aluminium, Selen ... und 114 mehr.

Physiker mögen Dinge einfach. Wir wollen die Dinge auf ihre Essenz reduzieren, ein paar Grundbausteine. Über hundert chemische Elemente sind nicht einfach. Die Alten glaubten, dass alles nur aus fünf Elementen besteht - Erde, Wasser, Feuer, Luft und Äther. Fünf ist viel einfacher als 118. Es ist auch falsch.

Bis 1932 wussten Wissenschaftler, dass all diese Atome aus nur drei Teilchen bestehen - Neutronen, Protonen und Elektronen. Die Neutronen und Protonen sind fest in den Kern gebunden. Die Elektronen, tausende Male leichter, wirbeln mit Lichtgeschwindigkeiten um den Kern herum. Die Physiker Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg und Freunde hatten eine neue Wissenschaft - die Quantenmechanik - erfunden, um diese Bewegung zu erklären.

Das wäre ein befriedigender Ort gewesen, um aufzuhören. Nur drei Teilchen. Drei ist noch einfacher als fünf. Aber zusammengehalten wie? Die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Protonen sind durch Elektromagnetismus miteinander verbunden. Aber die Protonen sind alle im Kern zusammengedrängt und ihre positiven Ladungen sollten sie kraftvoll auseinandertreiben. Neutrale Neutronen können nicht helfen.

Was bindet diese Protonen und Neutronen zusammen? "Göttliches Eingreifen", erzählte mir ein Mann an einer Straßenecke in Toronto. Er hatte eine Broschüre, ich konnte alles darüber lesen. Aber dieses Szenario schien selbst für ein göttliches Wesen eine Menge Ärger zu sein - jedes einzelne der 10ÔüŞÔü░ Protonen und Neutronen des Universums im Auge zu behalten und sie zu seinem Willen zu biegen.

Den Zoo der Partikel erweitern

Inzwischen hat die Natur grausam abgelehnt, um seinen Zoo von Partikeln auf nur drei zu behalten. Wirklich vier, weil wir das Photon zählen sollten, das Lichtteilchen, das Einstein beschrieben hat. Vier wuchs auf fünf an, als Anderson Elektronen mit positiver Ladung - Positronen - aus dem Weltraum auf die Erde traf. Zumindest hatte Dirac diese ersten Antimateriepartikel vorhergesagt. Fünf wurden sechs, als das Pion, das Yukawa vorhergesagt hatte, den Kern zusammen halten würde, gefunden wurde.

Dann kam das Myon - 200 mal schwerer als das Elektron, sonst aber ein Zwilling. "Wer hat das bestellt?" I.I. Rabi witzelte. Das fasst es zusammen. Nummer sieben. Nicht nur nicht einfach, überflüssig.

In den 1960er Jahren gab es Hunderte von "fundamentalen" Teilchen. Anstelle des gut organisierten Periodensystems gab es nur lange Listen von Baryonen (schwere Teilchen wie Protonen und Neutronen), Mesonen (wie Yukawas Pionen) und Leptonen (Lichtteilchen wie das Elektron und die schwer fassbaren Neutrinos) - ohne Organisation und keine Leitsätze.

In diese Lücke sliderte das Standardmodell. Es war kein Blitz der Nacht. Nein, Archimedes sprang aus einer Badewanne und rief "Eureka". Stattdessen gab es Mitte der 1960er Jahre eine Reihe entscheidender Einsichten durch einige Schlüsselpersonen, die diesen Sumpf in eine einfache Theorie umwandelten und dann fünf Jahrzehnte experimenteller Verifikation und theoretischer Ausarbeitung.

Quarks. Sie kommen in sechs Sorten, die wir Aromen nennen. Wie Eis, außer nicht so lecker. Statt Vanille, Schokolade und so weiter haben wir oben, unten, seltsam, Charme, unten und oben. 1964 lehrten Gell-Mann und Zweig uns die Rezepte: Mischen und vergleichen Sie drei beliebige Quarks, um ein Baryon zu erhalten. Protonen sind zwei Ups und ein Down Quark, die aneinander gebunden sind; Neutronen sind zwei Tiefen und ein Hoch. Wähle ein Quark und ein Antiquark, um ein Meson zu erhalten. Ein Pion ist ein Up- oder Down-Quark, der an einen Anti-Up oder Anti-Down gebunden ist. Das gesamte Material unseres täglichen Lebens besteht aus reinen Aufwärts- und Abwärtsquarks und Antiquarks und Elektronen.

Einfach. Nun, einfach, denn es ist ein Kunststück, diese Quarks zu binden. Sie sind so eng miteinander verbunden, dass man nie ein Quark oder Anti-Quark allein findet. Die Theorie dieser Bindung und die Teilchen, die als Gluonen (Gluckern) bezeichnet werden, werden als Quantenchromodynamik bezeichnet. Es ist ein wesentlicher Teil des Standardmodells, aber mathematisch schwierig, und stellt sogar ein ungelöstes Problem der grundlegenden Mathematik dar. Wir Physiker tun unser Bestes, um damit zu rechnen, aber wir lernen immer noch wie.

Der andere Aspekt des Standardmodells ist "Ein Modell von Leptonen". Das ist der Name des bahnbrechenden Papiers von Steven Weinberg aus dem Jahr 1967, das die Quantenmechanik mit den entscheidenden Erkenntnissen darüber, wie Teilchen zusammenwirken, zusammenführte und sie in einer einzigen Theorie organisierte.Es beinhaltete den bekannten Elektromagnetismus, verband es mit dem, was Physiker "die schwache Kraft" nannten, die bestimmte radioaktive Zerfälle verursacht, und erklärte, dass sie verschiedene Aspekte derselben Kraft seien. Es beinhaltete den Higgs-Mechanismus, um fundamentalen Teilchen Masse zu verleihen.

Seitdem hat das Standardmodell die Ergebnisse von Experiment für Experiment vorhergesagt, einschließlich der Entdeckung von verschiedenen Quarksorten und der W- und Z-Bosonen - schwere Teilchen, die für schwache Wechselwirkungen stehen, was das Photon für den Elektromagnetismus ist. Die Möglichkeit, dass Neutrinos nicht masselos sind, wurde in den 1960er Jahren übersehen, geriet aber in den 1990er Jahren leicht in das Standardmodell, einige Jahrzehnte später auf die Party.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, lange vom Standardmodell vorhergesagt und lange gesucht, war ein Nervenkitzel, aber keine Überraschung. Es war ein weiterer entscheidender Sieg für das Standardmodell gegenüber den dunklen Kräften, die Teilchenphysiker wiederholt gewarnt hatten. Besorgt darüber, dass das Standardmodell ihre Erwartungen der Einfachheit nicht adäquat verkörpert, besorgt über seine mathematische Selbstkonsistenz oder vorausschauend auf die mögliche Notwendigkeit, die Schwerkraft in die Faltung zu bringen, haben Physiker zahlreiche Vorschläge für Theorien jenseits des Standards gemacht Modell. Diese tragen aufregende Namen wie Grand Unified Theories, Supersymmetrie, Technicolor und String Theory.

Leider haben die Modelle jenseits des Standardmodells, zumindest für ihre Befürworter, noch kein neues experimentelles Phänomen oder irgendeine experimentelle Diskrepanz mit dem Standardmodell vorhergesagt.

Nach fünf Jahrzehnten, die weit davon entfernt sind, ein Upgrade zu verlangen, ist das Standardmodell als die absolut erstaunliche Theorie von fast allem zu feiern.

Glenn Starkman, Universitätsprofessor für Physik, Fall Western Reserve Universität

Dieser Artikel wurde ursprünglich in The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel. Befolgen Sie alle Fragen und Debatten von Expert Voices - und werden Sie Teil der Diskussion - auf Facebook, Twitter und Google +. Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten des Herausgebers wider. Diese Version des Artikels wurde ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.