Standardmodellen
Man brukar säga att det finns fyra fundamentala krafter inom fysiken.
Den starka växelverkan för partiklar och atomkärnor.
Den svaga växelverkan förvandlar partiklar till andra partiklar.
Elektromagnetismen bygger även upp atomer och sen mer komplexa molekyler.
Gravitationen drar samman partiklar, atomer och molekyler till astronomiska objekt.
Kvarkar föreslogs teoretiskt först 1964.
Den starka växelverkan binder ihop kvarkar till protoner och neutroner, som tillsammans kallas nukleoner. Kvarkarna utväxlar gluoner med varandra som förmedlar den starka växelverkan. Gluoner är masslösa och har spinn ett. Den starka växelverkan håller även ihop protoner och neutroner i atomkärnor, men då med kraftpartiklar som kallas pioner och som finns i tre varianter.
Kvarkar påträffas aldrig fria under normala omständigheter. Det heter att kvarkarna är innestängda i hadroner, confinement. När man splittrar nukleoner i partikelacceleratorer så skapas ögonblickligen komplement, andra kvarkar, till de fria kvarkarna så att de inte kan vara ensamma. Hur detta sker, hadronisering, "är inte väl förstått".
Eftersom gluoner kan växelverka med andra gluoner så blir den starka växelverkan starkare ju längre ifrån varandra som kvarkarna är, men om spänningen blir för stark så kan istället nya kvarkar skapas i mellanrummet.
Dock så har en typ av kvarkar, toppkvarken, så kort livslängd att den inte hinner få en partner, och därför anser man nu att man i experiment har sett ensamma toppkvarkar. Det är även så att vid extremt höga temperaturer så ersätts confinement av asymptotisk frihet vilket innebär att kvarkarna i allt högre grad kan röra sej fritt och obehindrat.
Vid Big Bang så tror man att det fanns en kvark-gluon-materia som snarare påminde om en vätska än om plasma, som man annars kan vänta sej vid mycket höga temperaturer.
Teorin om den starka växelverkan kallas QCD, QuantumChromodynamics. Man känner till sex sorters kvarkar varav bara två sorter har längre livslängd och finns rikligt i universum. De sex typerna kallas för sex olika "aromer". Kvarkar har även en unik kvarkegenskap som kallas för färgladdning. Kvarkar kan vara "röda", "blå" eller "gröna". Detta har ingenting med riktiga färger att göra utan är bara ett poetiskt namn på något egentligen okänt. Samspelet mellan kvarkar och gluoner påminner lite om elektroner och fotoner.
Den svaga växelverkan kan förvandla vilken fermion som helst till andra partiklar. Termen QuantumFlavourDynamics används aldrig eftersom man bara jobbar med den elektrosvaga kraften. Svag växelverkan och elektromagnetism visades 1968 vara två varianter av samma fundamentala kraft.
Den svaga växelverkan orsakar radioaktiv strålning, är med i fusionsreaktionen som driver solen, och gör så att kol-14-metoden fungerar. Dess kraftpartiklar, w och z bosoner, är stora och tunga för att vara kraftpartiklar, vilket förklarar varför den har så kort räckvidd, egentligen bara inom en atomkärna.
Av de fyra fundamentala krafterna så verkar annars den svaga växelverkan vara den minst nödvändiga.
Eller kanske inte. Universums fysik verkar vara svår att förändra utan att universum blir obeboeligt.
Den svaga växelverkan har en assymmetrisk egenskap som gör den till en kandidat för att förklara varför det verkar finnas mer materia än antimateria i universum.
Stark växelverkan och elektrosvag växelverkan är det som Standardmodellen handlar om. Vad den inte innehåller är främst en teori om tyngdkraften, men det finns även en del andra oklara frågor.
Det finns ingenting i standardmodellen som kan förklara mörk materia eller mörk energi.
Man har inte hittat gravitonen eller Higgs-partikeln.
Inte heller förklarar standardmodellen varför partiklarna har just de massor som de har. Det finns över tjugo olika variabler i modellen som man bara har bestämt utifrån experiment och inte har någon helt utömmande teoretisk förklaring till, och massorna är en av dessa variabler.
Så varför inte låta verkligheten beskrivas av standardmodellen + en teori om gravitationen? Fysiker har i generationer strävat efter att skapa en enda sammanhängande teori för hela fysiken. Att universum skulle behöva två olika teorier för att beskrivas vore "oestetisk"; metafysiskt motbjudande. Strävan efter sammanhang och enhet liksom efter enkelhet och "skönhet" har många gånger visat sej leda vägen till nya upptäckter.
1930 publicerades Ambarzumian-Ivanenko hypotesen som sa att alla sorters partiklar kunde skapas ur kvantfält när andra partiklar samverkade med varandra.
Inom kvantfältteorier så uppstår partiklar ur underliggande kvantfält, vilket får dem att se ut som att de uppstod ur tomma intet. Fält betraktas som mer grundläggande än partiklar men samtidigt så har man ingen direkt tillgång till fälten utan dessa kan enbart utforskas via partiklarna. Krafter överförs även via partiklar och relationer mellan partiklar kan konkretiseras till nya partiklar. Alla partiklar kan omvandlas till andra partiklar. Detta ledde sen till en teori om att det egentligen inte fanns några fundamentala partiklar. S-matris-teorin och bootstrap-teorin blev föregångare till strängteorin.
Våg/partikel-dualiteten säger att alla partiklar även har vågegenskaper, men Heisenbergs osäkerhetsrelation kan tolkas som att alla partiklar egentligen är en sorts vågor tills vi observerar dem. (Och en "observation" kan tolkas som "entaglement")
Ursprungligen sågs alla partiklar som matematiska punkter utan rumslig utsträckning, vilket antagligen var ett misstag som ledde till teoretiska svårigheter.
Protonen är bara lite lättare än neutronen men elektronens massa är 1/1386 av protonens. Detta brukar anges som att elektronen är så mycket "mindre" än protonen. Men jag har också hittat att radien på elektronens vågpaket i själva verket är flera gånger större än protonen. Att försöka ange en absolut storlek till dessa saker verkar vara att gå bortom dagens vetenskap.
Det visar sej även att det går att "dela" elektronen. Elementarpartiklar ska man ju inte kunna dela. Det finns även s.k. kvasipartiklar som har en del egenskaper som elementarpartiklar har, som t.ex spinn eller elektrisk laddning, utan att vara elementarpartiklar.
Vad betyder det att man ser svag växelverkan och elektromagnetism som två varianter av samma kraft? Vid mycket höga temperaturer så så blir de identiska. De får samma partiklar och samma egenskaper. Vid Big Bang så var de två krafterna först en kraft innan universum svalnade av och de splittrades i två. Man tror även att vid mycket höga temperaturer så kan även den starka växelverkan och kanske även gravitationen smälta samman med de övriga krafterna.
Detta är ju mycket intressant men väcker flera frågor. Varför splittras den ursprungliga Kraften upp i 3-4 olika krafter vid lägre temperaturer? Är dessa fortfarande att betrakta som varianter av varandra? Och varför verkar universum vara finsjusterat för liv?
När jag ställer "varför"-frågan så är jag inte ute efter någon gudomlig avsiktsförklaring, utan mera nånting i stil med en teoretisk kontext. Många av dessa resultat svävar i ett filosofiskt vakuum.
Hur som helst så är det förståeligt att forskare i decennier har jobbat på flera alternativ till standardmodellen, varav m-teorin är det mest kända.
andra bloggar om