Z czego ostatecznie jesteśmy zbudowani? Jakie są podstawowe elementy konstrukcyjne wszechświata?

Starożytni ludzie myśleli, że składamy się z czterech „żywiołów” – wody, ziemi, ognia i powietrza; które teraz wiemy, że nie są elementami. Obecnie istnieje około 118 elementów. Wszystkie elementy składają się z atomów, które kiedyś uważano za niepodzielne. Na początku XX wieku, po odkryciach JJ Thompsona i Rutherforda, wiadomo było, że atomy składają się z jąder (złożonych z protonów i neutronów) w środku oraz z elektronów orbitujący wokół. W latach siedemdziesiątych XX wieku było wiadomo, że protony i neutrony również nie są pierwiastkami podstawowymi, lecz składają się z „kwarków górnych” i „kwarków dolnych”, co sprawia, że ​​„elektrony”, „kwarki górne” i „kwarki dolne” są trzema najbardziej podstawowymi składnikami wszystkiego w wszechświat. Wraz z przełomowym rozwojem fizyki kwantowej dowiedzieliśmy się, że cząstki są w rzeczywistości pochodnymi, a wiązki lub pakiety energii w polach sugerujących cząstki nie są fundamentalne. Fundamentalna jest dziedzina, która leży u ich podstaw. Możemy teraz powiedzieć, że pola kwantowe są podstawowymi cegiełkami wszystkiego, co istnieje wszechświat (w tym zaawansowane systemy biologiczne takie jak my). Wszyscy składamy się z pól kwantowych. Właściwości cząstek, takie jak ładunek elektryczny i masa, to stwierdzenia dotyczące interakcji ich pól z innymi polami. Na przykład właściwość, którą nazywamy ładunkiem elektrycznym elektronu, jest stwierdzeniem mówiącym o tym, jak pole elektronowe oddziałuje z polem elektromagnetycznym. I. właściwość jego masy jest stwierdzeniem o tym, jak oddziałuje on z polem Higgsa.  

Od czasów starożytnych ludzie zastanawiali się, z czego się składamy? Co to jest wszechświat składa się z? Jakie są podstawowe elementy budujące przyrodę? I jakie są podstawowe prawa natury rządzące wszystkim w wszechświat? Model standardowy nauki jest teorią, która odpowiada na te pytania. Mówi się, że jest to odnosząca sukcesy teoria nauki, jaką kiedykolwiek zbudowano w ciągu ostatnich stuleci, jedna teoria, która wyjaśnia większość rzeczy w wszechświat.  

Ludzie wcześnie wiedzieli, że składamy się z elementów. Z kolei każdy element składa się z atomów. Początkowo sądzono, że atomy są niepodzielne. Jednak w 1897 roku JJ Thompson odkrył elektrony za pomocą wyładowania elektrycznego w lampie elektronopromieniowej. Wkrótce potem, w 1908 roku, jego następca Rutherford w swoim słynnym eksperymencie ze złotej folii udowodnił, że atom ma w centrum maleńkie, dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony. orbity. Następnie odkryto, że jądra składają się z protonów i neutronów.  

W latach siedemdziesiątych XX wieku odkryto, że neutrony i protony nie są niepodzielne, a zatem nie są fundamentalne, ale każdy proton i neutron składają się z trzech mniejszych cząstek zwanych kwarkami, które są dwojakiego rodzaju – „kwarki górne” i „kwarki dolne” („kwarki dolne” („kwarki dolne”) kwark górny” i „kwark dolny” to po prostu różne kwarki. Terminy „górny” i „dolny” nie implikują żadnego związku z kierunkiem lub czasem). Protony składają się z dwóch „kwarków górnych” i „kwarku dolnego”, natomiast neutron składa się z dwóch „kwarków dolnych” i „kwarku górnego”. Zatem „elektrony”, „kwarki górne” i „kwarki dolne” to trzy najbardziej podstawowe cząstki, z których zbudowane jest wszystko we wszechświecie. wszechświat. Jednak wraz z postępem nauki i to rozumienie uległo zmianom. Stwierdzono, że pola są fundamentalne, a nie cząstkowe.  

Cząstki nie są fundamentalne. To, co jest fundamentalne, to dziedzina, na której się one opierają. Wszyscy składamy się z pól kwantowych. 

Zgodnie z obecnym rozumieniem nauki, wszystko w wszechświat składa się z niewidzialnych abstrakcyjnych bytów zwanych „polami”, które reprezentują podstawowe elementy składowe natury. Pole to coś, co jest rozległe wszechświat i przyjmuje w każdym punkcie przestrzeni określoną wartość, która może zmieniać się w czasie. To jest jak fale płynu, które kołyszą się w całym ciele wszechświatna przykład pola magnetyczne i elektryczne są rozłożone w poprzek wszechświat. Chociaż nie widzimy pól elektrycznych ani magnetycznych, są one rzeczywiste i fizyczne, o czym świadczy siła, którą odczuwamy, gdy zbliżamy dwa magnesy. Według mechaniki kwantowej pola są uważane za ciągłe, w przeciwieństwie do energii, która jest zawsze podzielona na dyskretne bryły.

Kwantowa teoria pola to koncepcja łączenia mechaniki kwantowej z polami. Zgodnie z tym płyn elektronowy (czyli zmarszczki fal tego płynu) zostaje powiązany w małe wiązki energii. Te wiązki energii nazywamy elektronami. Zatem elektrony nie są fundamentalne. Są to fale tego samego pola podstawowego. Podobnie, zmarszczki dwóch pól kwarkowych powodują powstanie „kwarków górnych” i „kwarków dolnych”. To samo dotyczy każdej innej cząstki w wszechświat. Pola leżą u podstaw wszystkiego. To, co uważamy za cząstki, to tak naprawdę fale pól powiązane w małe wiązki energii. Podstawowe elementy składowe naszego wszechświat to te płynne substancje, które nazywamy polami. Cząstki są jedynie pochodnymi tych pól. W czystej próżni, gdy cząstki zostaną całkowicie usunięte, pola nadal istnieją.   

Trzy najbardziej podstawowe pola kwantowe w przyrodzie to „elektron”, „kwark górny” i „kwark dolny”. Istnieje czwarte, zwane neutrinem, jednak nie stanowią one nas, ale odgrywają ważną rolę gdzie indziej wszechświat. Neutrina są wszędzie, przepływają przez wszystko i wszędzie, nie oddziałując ze sobą.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Pola materii: Cztery podstawowe pola kwantowe i powiązane z nimi cząstki (tj. „elektron”, „kwark górny”, „kwark dolny” i „neutrino”) tworzą podstawę wszechświat. Z nieznanych powodów te cztery podstawowe cząstki odtwarzają się dwukrotnie. Elektrony odtwarzają „mion” i „tau” (które są odpowiednio 200 i 3000 razy cięższe od elektronów); z kwarków górnych powstają „kwarki dziwne” i „kwarki dolne”; kwarki dolne dają początek „kwarkowi powabnemu” i „kwarkowi górnemu”; podczas gdy neutrino daje początek „neutrino mionowe” i „neutrino taonowe”.  

Zatem istnieje 12 pól, które powodują powstawanie cząstek, jak je nazywamy pola materii.

Poniżej znajduje się lista 12 pól materii tworzących 12 cząstek w wszechświat.  

Pola siłowe: 12 pól materii oddziałuje ze sobą poprzez cztery różne siły – powaga, elektromagnetyzm, silne siły jądrowe (działają tylko w małej skali jądra, utrzymują razem kwarki wewnątrz protonów i neutronów) i słabe siły jądrowe (działają tylko w małej skali jądra, odpowiadają za rozpad radioaktywny i inicjują syntezę jądrową). Każda z tych sił jest powiązana z polem – z którym jest powiązana siła elektromagnetyczna pole gluonowe, pola związane z silnymi i słabymi siłami nuklearnymi to Pole bozonowe W i Z a pole związane z grawitacją to czas, przestrzeń sama.

Poniżej znajduje się lista czterech pól siłowych powiązanych z czterema siłami.    

Połączenia wszechświat jest wypełniony tymi 16 polami (12 pól materii plus 4 pola związane z czterema siłami). Pola te współdziałają ze sobą w harmonijny sposób. Na przykład, kiedy pole elektronowe (jedno z pól materii) zaczyna falować w górę i w dół (ponieważ jest tam elektron), uruchamia to jedno z pozostałych pól, powiedzmy pole elektromagnetyczne, które z kolei będzie również oscylują i falują. Będzie emitowane światło, które będzie trochę oscylować. W pewnym momencie zacznie oddziaływać z polem kwarkowym, które z kolei będzie oscylować i falować. Ostateczny obraz, jaki nam się ukazuje, to harmonijny taniec pomiędzy wszystkimi tymi polami, splatającymi się ze sobą.  

Pole Higgsa

W latach sześćdziesiątych Peter Higgs przewidział jeszcze jedno pole. W latach 1960. XX wieku stało się to integralną częścią naszego rozumienia zjawiska wszechświat. Nie było jednak żadnych dowodów eksperymentalnych (co oznacza, że ​​jeśli wywołamy falowanie pola Higgsa, powinniśmy zobaczyć powiązane cząstki) aż do 2012 roku, kiedy badacze z CERN w LHC zgłosili swoje odkrycie. Cząstka zachowywała się dokładnie tak, jak przewidywał model. Cząstka Higgsa ma bardzo krótkie życie, około 10^-22 towary drugiej jakości.  

To był ostatni element budulcowy wszechświat. To odkrycie było ważne, ponieważ to pole jest odpowiedzialne za to, co nazywamy masą w wszechświat.  

Właściwości cząstek (takie jak ładunek elektryczny i masa) to stwierdzenia dotyczące interakcji ich pól z innymi polami.  

Jest to interakcja pól obecnych w wszechświat które powodują powstawanie właściwości takich jak masa, ładunek itp. różnych cząstek, których doświadczamy. Na przykład właściwość, którą nazywamy ładunkiem elektrycznym elektronu, jest stwierdzeniem mówiącym o tym, jak pole elektronowe oddziałuje z polem elektromagnetycznym. Podobnie właściwością jego masy jest stwierdzenie dotyczące jego interakcji z polem Higgsa.

Naprawdę potrzebne było zrozumienie pola Higgsa, abyśmy zrozumieli znaczenie masy w wszechświat. Odkrycie pola Higgsa było także potwierdzeniem Modelu Standardowego obowiązującego od lat 1970. XX wieku.

Pola kwantowe i fizyka cząstek elementarnych to dynamiczne dziedziny nauki. Od odkrycia pola Higgsa miało miejsce kilka zmian, które mają związek z modelem standardowym. Poszukiwanie odpowiedzi na ograniczenia modelu standardowego trwa.

*** 

Źródła:  

The Royal Institution 2017. Pola kwantowe: prawdziwe cegiełki wszechświata – z Davidem Tongiem. Dostępne online pod adresem https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***