Орчлон ертөнц юунаас бүрдсэн бэ

Аянга цахилах, туйлын туяа үзэгдэх, цаг агаар өөрчлөгдөхөөс авахуулаад байгалийн бүхий л үзэгдлийн учир шалтгааныг тохирох онол, түүнийг төлөөлөх нэгдсэн томъёогоор илэрхийлдэг. Томъёоны тусламжтайгаар тухайн үзэгдлийг урьдчилан тааварлаж, тайлбарлах боломжтой. Тэгвэл орчлон ертөнцийн зүй тогтлыг илэрхийлэх төгс зураг төсөл, төгс онол, төгс томъёог олж чадвал тэр нь үнэн чанартаа "бурханы томъёо" байх болно. Европын Цөмийн Судалгааны Байгууллага (ЕЦСБ)-ын хашаанд байрлах хөшөө чулуунд нэгэн томъёог сийлсэн байдаг.

Тэр бол бурханы томъёонд хамгийн их ойртсон гэгдэх орчлон ертөнцийн зүй тогтлын томъёо юм. Томъёог бага зэрэг задлаж, арай дэлгэрэнгүй хэлбэрээр бичиж үзье. Эхний мөр нь орчлон ертөнцийг бүрдүүлэгч хамгийн анхдагч хэсэг буюу эгэл бөөмсийн шинж чанарыг тодорхойлно. Электрон, нейтрино, u болон d кварк хэмээх 4 төрлийн эгэл бөөм бий. Электрон нь атомын цөмийг тойрон эргэдэг бол цөмийг бүрдүүлэгч нь 2 төрлийн кварк юм. Харин атомын цөмөөс цойлон гарах бөөмийг нейтрино гэнэ.

Эдгээр бөөмсийг бөөгнөрүүлэн барьж, эсвэл хөдөлгөж буй зүйл нь 3 төрлийн хүч юм. Электрон нь цахилгаан соронзон хүчний тусламжтайгаар атомын цөмд татагдана. 2 төрлийн кваркийг нэгтгэн барьж буй хүч нь цөмийн хүчтэй харилцан үйлчлэлийн хүч (хүчтэй хүч) юм. Харин нейтриног цөмөөс нисэн гаргахад цөмийн сул харилцан үйлчлэлийн хүч (сул хүч) нөлөөлнө. Эдгээр хүчийг томъёоны 2, 3, 4-р мөрүүд тус тус илэрхийлнэ. Тэгвэл сүүлийн 2 мөр хигс бозоны шинж чанарыг тодорхойлно.

Бурханы томъёог эрэлхийлсэн физикч эрдэмтэдийн 100 гаруй жилийн түүх 1920-оод үед амьдарч байсан нэгэн залуугаас эхэлжээ. Пол Дирак бол Кэмбрижийн их суруулийн хамгийн нэр хүндтэй Лукас профессорын цолонд дөнгөж 30 насандаа хүрэх суут эрдэмтэн байв. Энэ цолыг алдарт Исаак Ньютон, Стивен Хокинг зэрэг хуруу дарам цөөхөн суутан хүртсэн байдаг. Дирак 4 төрлийн эгэл бөөмсөөс тухайн үед цор ганцаар нээгдээд байсан электронд анхаарлаа хандуулжээ. Электрон хасах цэнэг агуулдаг нь нэгэнт тодорхойлогдоод байв. Мөн түүний үндсэн шинж чанарыг тодорхойлох томъёо ч зохиогдсон байжээ.

Шредингерийн тэгшитгэлээр электроны энергийг бараг алдаагүй, зөв тодорхойлох боломжтой. Гэтэл уг томъёогоор тооцоолох боломжгүй өөр нэгэн шинж чанарыг электрон агуулж байгаа нь тодорхой болжээ. Энэ нь зүйрлэвэл дэлхий өөрийн тэнхлэгийг тойрон эргэх, мөн соронзон шинж чанарыг агуулдагтай адил чанар юм. Электроны энэ шинэ шинж чанарыг илэрхийлэх шинэ томъёо бүтээх Диракийн санаа ер бусын зүйл байв. Учир нь тухайн үеийн эрдэмтэд туршилт болон ажиглалтын үр дүнг тэр хэвээр нь томъёонд хувиргах ёстой гэж үзэж байжээ.

Дирак "физикийн хууль нь математикийн хувьд үзэсгэлэн төгөлдөр байх ёстой" хэмээх уриа лоозон мэт зарчимыг баримталдаг байв. Үзэсгэлэн төгөлдөр хэмээгч нь хувь хүнээс хамаарах бөгөөд зарим хүн жаргаж буй нарыг, зарим хүн усны толиог үзэсгэлэнтэйд тооцох харьцангуй ойлголт билээ. Гэвч физикчдийн хувьд энэ ойлголт яв цав тогтсон нарийн шалгууртай бөгөөд тэгш хэм хэмээн нэрлэгдэнэ. Гортигоор зурсан зөв тойрог, солгой гараар зурсан муруй хазгай дугуйг харьцуулж үзье. Физикчдийн хувьд зөв тойрог үзэсгэлэн төгөлдөр байна. Энэ нь хэдийгээр мэдээжийн мэт санагдах боловч цаана нь нарийн учир бий.

Зөв тойргийн тэгшитгэлийг авч үзье. Координатын эхлэлийг тойргийн төвтэй давхцуулан тэнхлэгүүдийг ямар ч өнцгөөр эргүүлэхэд тэгшитгэлд өөрчлөлт орохгүй. Энэ чанарыг эргэлтийн? тэгш хэм (revolution symmetry) гэнэ. Иймд физикчид тойргийн тэгшитгэлийг "үзэсгэлэн төгөлдөр" гэнэ. Дунд сургуулийн тууш шугамтай дэвтрийн хуудсыг саная. Хоорондоо адил зайд байрлах параллель шулуун шугамуудын тэгшитгэл үзэсгэлэн төгөлдөр. Учир нь координатын тэнхлэгийг параллелээр аль ч цэгт зөөхөд шулууны тэгшитгэл өөрчлөгдөхгүй. Энэ бол физикчдийн хувьд параллель шилжилтийн? тэгш хэм (translation symmetry) гэх үзэсгэлэн юм.

Гэтэл тойргийн төвөөс координатын тэнхлэгийг шилжүүлэх үед тойргийн тэгшитгэл эрс өөрчлөгдөнө. Зөв тойрог эргэлтийн тэгш хэм хэмээх үзэсгэлэн төгөлдөрийг агуулах боловч параллель шилжилтийн тэгш хэмээх үзэсгэлэн төгөлдөрийг агуулдаггүй гэсэн үг. Ерөнхийд нь дүгнэхэд тэгш хэм гэдэг нь ажиглалтын цэгийг яаж ч өөрчлөхөд мөн чанар, хэлбэр дүрсээ үл өөрчлөх шинж чанарыг илэрхийлнэ. Квадратыг хавтгай гадаргад яаж ч эргүүлэхэд квадрат хэвээрээ л байдагтай адил. Диракийн баримталж байсан өөр нэгэн тэгш хэм бол Лоренцийн тэгш хэм. Энгийн хүнд ойлгоход бага зэрэг төвөгтэй боловч Харьцангуйн онолтой холбогдож, цаг хугацаа болон орон зай нь үндсэн мөн чанарын хувьд адил зүйл хэмээх ойлголт юм.

Хэрэв бурханы томьёо үнэхээр байдаг юм бол тэр нь бүх төрлийн тэгш хэмийг агуулсан, гайхалтай үзэсгэлэн төгөлдөр байх ёстой гэдэгт Дирак итгэж байв. Ингээд туршилтын журмаар Шредингерийн тэгшитгэлийг авч үзье. Тэгшитгэлд цаг хугацааг илэрхийлэх хэмжигдэхүүн (t) нэг ширхэг, орон зайг илэрхийлэх хэмжигдэхүүн (x) хоёр ширхэг (квадрат) байна. Энэ нь Лоренцийн тэгш хэмийг агуулахгүй байгааг илтгэх тул бурханы томьёнд арай л тохирохгүй нь. Дирак 3 сарын турш өрөөндөө хоргодон, гадаад ертөнцтэй харилцаагаа бүрэн таслан байж бүх төрлийн тэгш хэмийг агуулах үзэсгэлэн төгөлдөрийг эрэлхийлэв. Улангассан сэтгэл хөдлөлтэй хамт, айдас түгшүүрт автах өдрүүдийн эцэст тэр хүссэндээ хүрчээ.

1928 онд хэвлүүлсэн өгүүллээр Диракийн тэгшитгэл олонд танил болов. Цаг хугацаа болон орон зайн хэмжигдэхүүн тус бүр нэг ширхэгийг агуулж, Лоренцийн тэгш хэм хадгалагдав. Үүнээс гадна эргэлтийн, параллель шилжилтийн тэгш хэм ч бас давхар хангагджээ. Электроний эргэлт, мөн соронзон хэмээх нууцлаг шинж чанарыг ч бүрэн тайлбарлаж, бурханы томъёонд хамгийн их ойртож очсон томъёоны эхний мөр хялбарчилсан Диракийн тэгшитгэлээр бүрэлдэв. Электроны нарийн төвөгтэй бүхий л шинж чанарыг тэгш хэмийн ачаар нэг л томъёонд багтааж чадсан нь физикч эрдэмтэдийг балмагдуулж, бас гайхашруулжээ. Түүгээр ч зогсохгүй сүүлд нээгдсэн кварк, нейтрино бөөмст ч мөн адил Диракийн тэгшитгэл хүчин төгөлдөр байв. Өөрөөр хэлбэл бусад шинэ бөөмсийн оршин байгааг урьдчилан зөгнөсөн хэрэг юм.

Бурханы томъёонд хамгийн ойр гэгдэх томъёог бүтээхэд тулгарсан дараагийн саад бол бөөмсийг хооронд нь нэгтгэж, хөдөлгөх хүчнүүдийн шинж чанарыг тодорхойлж чадаагүй байсан явдал байв. Эдгээрийн дундаас цахилгаан соронзон хүчинд хамгийн анх анхаарлаа хандуулсан эрдэмтэн бол сүүлд атомын бөмбөгний эцэг хэмээн нэрлэгдсэн Роберт Оппенгеймер юм. 1930-аад оны үеэс түүний нэр физикийн янз бүрийн салбарт дуулдах болсон жинхэнэ суутан байв. Тэрээр Диракийн адил зорилгодоо хүрэх түлхүүр нь тэгш хэм хэмээх үзэсгэлэн төгөлдөр гэж үзсэнээр гэйжийн тэгш хэм (gauge symmetry)-ийг баримтлахаар шийдэв. Энэ тэгш хэм нь эргэлтийн тэгш хэмтэй төстэй бөгөөд цахилгаан орны хэмжээг тодорхойлох өнцөг хэмжигчийн эргэлтийн өнцөг яаж ч өөрчлөгдөхөд томъёонд өөрчлөлт орох ёсгүй гэдгийг илэрхийлнэ.

Ингээд Диракийн тэгшитгэлийг дэлгэрүүлж, цахилгаан соронзон хүчийг тодорхойлохоос гадна 4 тэгш хэмийг нэгэн зэрэг агуулсан томъёо бий болов. Томъёоноос өөр нэгэн гайхалтай үр дүн гарсан нь электрон фотон хэмээх гэрлийн бөөмийг ялгаруулж түүгээр атомын цөмтэй холбогдож байв. Цахилгаан соронзон хүчийг дамжуулагч нь мөн адил бөөм хэлбэртэй ажээ. Гэвч томъёонд нэгэн "цоорхой" илэрсэн нь янз бүрийн тооцоо хийж үзэхэд "хязгааргүй" хэмээх утгагүй үр дүн гарч байсан явдал байв. Бодит тоо орлуулан бодолт хийхэд электроны энерги хязгааргүйд хүрч, ямар ч бодис биетээр оршин байх боломжгүй хэмээх бодит байдалтай зөрчилдсөн дүгнэлтэд хүргэнэ. Оппенгеймер нөхдийн хамт тооцоог янз бүрээр хийж үзсэн боловч хязгааргүйн асуудал шийдэгдсэнгүй. Бүгд томъёог алдаатай гэж үзэх болов.

Яг энэ цаг үед Герман улс Польшид довтолсноор дэлхийн 2-р дайн эхлэв. Мөн америкийн физикч Ферми ураны цөмийн гинжин урвалыг амжилттай гаргаж авав. Олонхи физикч эрдэмтэд атомын бөмбөгний судалгаанд татагдан орж, америкийн бахархал болсон Оппенгеймер ч Манхаттан төслийн удирдагчаар томилогдов. Бурханы томъёог эрэлхийлсэн судалгаа орхигдож, Оппенгеймер ч цагийн аясыг дагах болжээ. Гэтэл дайны дараа, 1948 онд санаанд оромгүй газраас нэгэн захидал ирэв. Захидал Томонага Шиничиро хэмээх нэрийг нь хэн ч мэдэхгүй японы физикчээс ирсэн байв. Түүнд дайны үед тооцооллын шинэ аргачлалыг боловсруулж "хязгааргүйн" асуудлыг шийдсэн тухай, мөн өөрийн нээлтээ барууны орнуудад толилуулах боломжгүй байгаа тухайгаа дурдсан байв.

Шинэ өгүүлэл Оппенгеймерийн дэмжлэгтэйгээр тухайн үеийн физикийн салбарын хамгийн нөлөө бүхий Физикал Ревью сэтгүүлд нийтлэгдэв. Түүнтэй бараг адил хугацаанд адил онолыг америкийн физикч Ричард Фейман, Жулиан Швингер нар дэвшүүлэв. Шинэ онол Томонагагийн аргачлалтай гайхалтай тохирч хязгааргүйн асуудал дайны дараа нэгэн зэрэг шийдэгджээ. Тухайлбал томъёо зөвхөн тэгш хэмийн үзэсгэлэн төгөлдөрийг агуулахаас гадна түүгээр хийсэн тооцооллоор электронд агуулагдах соронзон хүчний хэмжээ туршилтын үр дүнтэй гайхалтайгаар таарчээ. Хүчний хэмээ 2.0023193043 ... буюу таслалаас хойших 10 орон яв цав таарч байв. Үүгээр бурханы томъёонд хамгийн их ойртсон томъёоны 2 дахь мөр бүрдэв.

Гэтэл 1950-аад оны үеэс эрдэмтдийн төсөөлөөгүй үйл явдал тохионо. Хятадын физикч Ян Ченнин атомын цөм дэх кваркуудыг нэгтгэж буй хүчтэй хүч, нейтриног цөмөөс нисэн гаргахад хүргэх сул хүчийг тус тус судлаж байв. Тэрээр юуны өмнө  өмнөх эрдэмтэдийн адил тэгш хэмийг баримтлахыг эрмэлзэж, цөмийн доторхи үзэсгэлэн төгөлдөрийг шалгах замаар гэйжийн тэгш хэмийг өргөжүүлэхийг эрмэлзжээ. Үр дүнд нь физикчдийн хувьд хамгийн нарийн төвөгтэй гэгдэх "non-abelian gauge symmetry"-г илрүүлэв. 1954 онд Миллстэй хамтран хэвлүүлсэн өгүүлэлд шинэ гэйжийн тэгш хэмийн үзэсгэлэн төгөлдөрийг агуулах шинэ хүчний томъёо хэвлэгдсэнээр бурханы томъёонд хамгийн ойр гэгдэx томъёоны 3, 4 -р мөр бичигдэв. Ингэснээр томъёоны хигс бөөмөөс бусад хэсэг бүрдэнэ.

Гэвч шинэ томъёо бас л шинэ саадтай учирна. Хүчтэй болон сул хүчийг дамжуулах бөөмийн массыг яаж ч тооцсон тэг гарч байв. Гэрлийн бөөм болох фотон ганцаараа массгүй, бусад бүх бөөм масстай байх учиртай. Цөмийн доторхи хүч дамжуулах бөөмс тухайн үед нээгдээгүй байсан боловч харьцангуй хүнд жинтэй байх ёстой гэдэг нь туршилтаар илэрч байжээ. Томъёо гайхалтай үзэсгэлэн төгөлдөр, гэвч хүч дамжуулах бөөмс массгүй хэмээх нь бодит байдалтай зөрчилдөнө. Хэсэг хугацааны туршид массын саадыг эрдэмтэд шийдэж чадсангүй, Ян өөрөө ч бууж өгөв. Гэтэл илүү том саад тулгарсан нь зөвхөн хүч дамжуулах бөөмсөөс гадна биетийн анхдагч хэсгийг бүрдүүлэх эгэл бөөмс хүртэл массгүй хэмээх үр дүн тэгш хэмийн нарийвчилсан судалгаанаас илэрсэн явдал байв.

Хэрэв орчлонгийн бүхий л юмс үнэхээр массгүй юм бол аймшигтай үр дүнд хүрнэ. Электрон атомоос нисэн гарч, бусад бөөмс ч гэрлийн хурдаар огторгуйд тархсанаар орчлон ертөнц задарч алга болно. Эрдэмтдийн хувьд тэг массын саадны учрыг олохын тулд хигс бөөмийн таамаглалыг хүлээхээс өөр аргагаүй болов. Гэтэл 1960-аад оны үед нэгэн физикч өмнөх эрдэмтэдээс тэс өөр санааг дэвшүүлжээ. Чикаго их сургуулийн Нанбу Ёичиро үзэсгэлэн төгөлдөрийг дагасан ч бөөмс массгүй байж болно хэмээн нотлож зөрчлийг шийдвэрлэв. Түүний сонирхлыг хамгийн их татаж байсан зүйл бол бидэнд ойрхон жишээгээр харандааг үзүүр дээр нь зогсоохыг оролдох үед ажиглагдах үзэгдэл юм.

Хичнээн оролдсон ч харандаа үзүүр дээрээ зогсохгүй, мэдээжийн мэт санагдах боловч тэг массын асуудлыг шийдэх түлхүүр болно гэдгийг тэр анзаарчээ. Харандааг босоо зогсоох онол, түүний дагуух зураг төсөл байна гэж төсөөлөе. Тэгвэл харандаа эргэлтийн тэгш хэмтэй байна гэдэг нь төслөөс харагдана. Төслийн дагуу харандааг зогсоовол харандаа заавал унана. Өөрөөр хэлбэл харандаа хэзээ ч зураг төсөлд дурдсан шиг эргэлтийн тэгш хэмтэй байдалд орохгүй. Энэ бол Нанбуг сүүлд нобелийн шагнал хүртэхэд хүргэх "аяндаа үүссэн тэгш хэмийн алдагдал (spontaneous symmetry breaking)" хэмээн нэрлэгдэх үзэгдлийн жишээ юм. Энэ үзэгдэл байгал дээрх зураг төсөлд ч бас тохионо, онолын хувьд байж болох тэгш хэм бидний ажиглаж чадах бодит ертөнцөд байхгүй ч байж болно гэсэн санааг 1961 онд хэвлүүлсэн хүчтэй хүчний талаархи өгүүлэл агуулжээ.

Тухайн үеийн түүний томъёог одоогийн нөхцөлд тохируулан бага зэрэг өөрчилбөл хүчтэй хүчийг мэдрэх кваркийн дүр зураг тод харагдана. Энд мөн адил гэйжийн тэгш хэмийг агуулах боловч кваркийн масс тэг байх ёстой гэдэг нь харагдана. Өөрөөр хэлбэл тооцоонд үзүүр дээрээ зогсох боломжтой харандаа бодит байдалд хэзээ ч зогсохгүйтэй адил тооцоонд массгүй байх кварк бодит байдалд масстай байж болно гэсэн үг. Харандааны жишээгээр илэрхийлж, орчлон ертөнц төгс үзэсгэлэн төгөлдөр байлаа ч тэр нь заавал нурах тавилантай хэмээсэн нь хэний ч төсөөлөөгүй нээлт байсан юм. Тэгэхээр хүчтэй хүчний үйлчлэлд орох кваркийн масс аяндаа, автоматаар үүсч болно гэдэг нь ойлгогдоно. Гэтэл уг хүчийг үл мэдрэх электрон, нейтрино, мөн сул хүчийг дамжуулах бөөмс яагаад массгүй байна хэмээх асуудал үлдэнэ.

Үүнийг шийдэхээр зориглосон хүн бол Хигс бөөм хэмээх шинэ санааг ашигласан Стивен Вайнберг юм. Тэрээр Нанбугийн тэгш хэм алдагдах үзэгдэл бусад бөөмст ч бас хамаарах юм биш биз гэж бодож байсны үр дүнд физикчдийн хувьд өмнө нь хэн ч алхаж зүрхлээгүй байсан хориотой бүст нэвтрэх болно. 1964 онд хэвлэгдсэн Питер Xигсийн нэгэн өгүүлэл Вайнбергийн судалгааны үндэс болжээ. Ерөөсөө энэ ертөнцөд оршин байхгүй тохиромжтой нэгэн бөөм, эсвэл хүч буюу оронг тооцоонд оруулахад л хангалттай. Энэ тохиолдолд бусад бүх бөөмс масс агуулах болно. Тэр тохиромжтой бөөм нь орчлон ертөнц үүсэх үед огт байгаагүй боловч их тэсрэлтийн дараа орчлон ертөнцийг аяндаа зайгүй чигжсэн. Түүний нөлөөгөөр гэрлийн хурдаар нисч байсан бөөмсийн хөдөлгөөн удааширч, массыг агуулах болсон.

Энэ нь эхлээд төгс үзэсгэлэн төгөлдөр байсан орчлон ертөнц үүсэнийхээ дараахан түүнийгээ алдсан хэмээх Нанбугийн нээлтээс улбаалсан санаа байв. 1967 онд нийтлүүлсэн Вайнбергийн өгүүллээр электрон болон сул хүчийг мэдрэх бөөмст масс өгөв. Гэвч түүний онолын нэр хүнд тийм ч сайн биш байв. Шинэ томъёо огт үзэсгэлэн төгөлдөр харагдахгүй байна. Түүнээс гадна шинэ бөөм хэтэрхий тохиромжтой, хэтэрхий зохиомол, хүчээр тулгасан зүйл хэмээн физикчид эргэлзэж байв. Нобелийн шагнал хүртсэн бусад физикчдээс ч эсэргүүцсэн дуу хоолой сонсогдож, тэр ч байтугай тэргэнцэрт алдартан Хокинс хүртэл шинэ бөөм байх ёсгүй гэдгийг нотлох судалгаанд хөрөнгө гаргаж байв.

Түүнээс хойш 40-өөд жилийн дараа дэлхийн хамгийн их хэмжээний энерги бүхий туршилтын төхөөрөмж ажиллаж, хигс бөөмийг эрж хайж эхэлжээ. 2 жил үргэлжилсэн туршилтын дараа, өнгөрөгч онд хигс бөөм байж болох дохиоллыг илрүүлэв. Вайнбергийн онол батлагдаж дэлхий даяараа алга ташин хүлээж авчээ. Үүгээр бурханы томъёонд хамгийн ойр гэгдэх хамгийн сүүлийн үеийн томъёо бүрэлдэв. Орчлонгийн эд эс болсон атомыг бүрдүүлэгч 3 хүч, 4 бөөмийн үндсэн шинж чанар хоорондын ямар ч зөрчилгүйгээр нэгэн томъёонд нэгтгэгдэж, физикч эрдэмтэдийн 100 жилийн тэмцлийн үр дүнд Стандарт загварын онол батлагдав.

Гэвч физикч эрдэмтэд үүгээр сэтгэл ханасангүй, тэд ирээдүйг урьдчилан харахыг хүсч, илүү их зүйлд тэмүүлсээр байх болно. Стандарт загварын онол нь зөвхөн атом доторхи микро ертөнцөд хүчин төгөлдөр бөгөөд аварга од, гаригсад үйлчлэх таталцлын хүчийг нэгтгэж байж жинхэнэ бурханы томъёонд ойртож очих учиртай хэмээх санаа физикчдийн дунд ноёлж байна. Тэд замдаа тохиолдсон олон том саад бэрхшээлийг давж, хар нүхний учрыг тайлж, утасны онол, бүх юмны онолыг бүтээж, орчлонгийн гарал үүслийн нууцыг тайлахыг хичээсээр байх болно.

үргэлжилнэ ...

Физик