Из чего мы в конечном итоге состоим? Каковы фундаментальные строительные блоки Вселенной?

Древние люди считали, что мы состоим из четырех «элементов» — воды, земли, огня и воздуха; теперь мы знаем, что это не элементы. В настоящее время существует около 118 элементов. Все элементы состоят из атомов, которые когда-то считались неделимыми. К началу ХХ века, после открытий Дж. Дж. Томпсона и Резерфорда, стало известно, что атомы состоят из ядер (состоящих из протонов и нейтронов) в центре и электронов, вращающихся вокруг них. К 1970-м годам стало известно, что протоны и нейтроны также не являются фундаментальными, а состоят из «верхних кварков» и «нижних кварков», таким образом, «электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» являются тремя наиболее фундаментальными составляющими всего во Вселенной . Благодаря новаторским разработкам в квантовой физике мы узнали, что частицы на самом деле являются производными, пучками или пакетами энергии в полях, что подразумевает, что частицы не являются фундаментальными. Фундаментальным является поле, лежащее в их основе. Теперь можно сказать, что квантовые поля являются фундаментальными строительными блоками всего во Вселенной (включая развитые биологические системы, такие как мы). Все мы состоим из квантовых полей. Свойства частиц, такие как электрический заряд и масса, описывают, как их поля взаимодействуют с другими полями. Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, описывает, как поле электрона взаимодействует с электромагнитным полем. А свойство его массы описывает, как оно взаимодействует с полем Хиггса.

С древних времен люди задавались вопросом: из чего мы состоим? Из чего состоит Вселенная ? Каковы фундаментальные строительные блоки природы? И каковы основные законы природы, управляющие всем во Вселенной ? Стандартная модель науки — это теория, которая отвечает на эти вопросы. Считается, что это самая успешная научная теория, созданная за последние столетия, единственная теория, которая объясняет большинство явлений во Вселенной.

Люди рано поняли, что мы состоим из элементов. Каждый элемент, в свою очередь, состоит из атомов. Первоначально считалось, что атомы неделимы. Однако в 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электроны, используя электрический разряд в катодно-лучевой трубке. Вскоре после этого, в 1908 году, его преемник Резерфорд доказал с помощью своего знаменитого эксперимента с золотой фольгой, что атом имеет крошечное положительно заряженное ядро ​​в центре, вокруг которого по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны . Впоследствии было установлено, что ядра состоят из протонов и нейтронов.

В 1970-х годах было обнаружено, что нейтроны и протоны не неделимы, следовательно, не являются фундаментальными частицами, но каждый протон и нейтрон состоят из трех меньших частиц, называемых кварками, которые бывают двух типов – «верхние кварки» и «нижние кварки» («верхний кварк» и «нижний кварк» – это просто разные кварки. Термины «верхний» и «нижний» не подразумевают никакой связи с направлением или временем). Протоны состоят из двух «верхних кварков» и одного «нижнего кварка», а нейтрон – из двух «нижних кварков» и одного «верхнего кварка». Таким образом, «электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» – это три наиболее фундаментальные частицы, являющиеся строительными блоками всего во Вселенной . Однако с развитием науки это понимание также претерпело изменения. Было обнаружено, что фундаментальными частицами являются поля, а не сами частицы.

Частицы сами по себе не являются чем-то фундаментальным. Фундаментальным является поле, лежащее в их основе. Все мы состоим из квантовых полей.

Согласно современным научным представлениям, всё во Вселенной состоит из невидимых абстрактных сущностей, называемых «полями», которые представляют собой фундаментальные строительные блоки природы. Поле — это нечто, распространённое по Вселенной и принимающее определённое значение в каждой точке пространства, которое может меняться со временем. Это подобно ряби жидкости, которая колеблется по всей Вселенной ; например, магнитные и электрические поля распространены по всей Вселенной . Хотя мы не можем видеть электрические или магнитные поля, они реальны и физически ощутимы, о чём свидетельствует сила, которую мы чувствуем, когда два магнита приближаются друг к другу. Согласно квантовой механике, поля считаются непрерывными, в отличие от энергии, которая всегда разделена на дискретные составляющие.

Квантовая теория поля — это идея объединения квантовой механики с полями. Согласно этой теории, электронная жидкость (то есть рябь волн этой жидкости) связывается в небольшие пучки энергии. Эти пучки энергии — это то, что мы называем электронами. Таким образом, электроны не являются фундаментальными. Они представляют собой волны того же самого лежащего в их основе поля. Аналогично, рябь двух кварковых полей порождает «верхние кварки» и «нижние кварки». И то же самое верно для каждой другой частицы во Вселенной . Поля лежат в основе всего. То, что мы считаем частицами, на самом деле является волнами полей, связанными в небольшие пучки энергии. Основными фундаментальными строительными блоками нашей Вселенной являются эти жидкие вещества, которые мы называем полями. Частицы — это всего лишь производные этих полей. В чистом вакууме, когда частицы полностью удалены, поля все еще существуют.

Три основных квантовых поля в природе — это «электрон», «верхний кварк» и «нижний кварк». Существует четвёртое поле, называемое нейтрино, однако они не составляют нас, но играют важную роль в других областях Вселенной . Нейтрино повсюду, они проходят сквозь всё и везде, не взаимодействуя друг с другом.

Поля материи : Четыре основных квантовых поля и связанные с ними частицы (а именно, «электрон», «верхний кварк», «нижний кварк» и «нейтрино») составляют основу Вселенной . По неизвестным причинам эти четыре фундаментальные частицы воспроизводят себя дважды. Электроны воспроизводят «мюон» и «тау-кварк» (которые в 200 и 3000 раз тяжелее электронов соответственно); верхние кварки порождают «странный кварк» и «нижний кварк»; нижние кварки порождают «очарованный кварк» и «верхний кварк»; а нейтрино порождают «мюонное нейтрино» и «тау-нейтрино».

Таким образом, существует 12 полей, которые порождают частицы, мы называем их полями материи.

Ниже приведён список из 12 полей материи, из которых состоят 12 частиц во Вселенной.

Силовые поля : 12 полей материи взаимодействуют друг с другом посредством четырех различных сил – гравитации , электромагнетизма , сильных ядерных сил (действующих только в малом масштабе ядра, удерживающих кварки внутри протонов и нейтронов) и слабых ядерных сил (действующих только в малом масштабе ядра, ответственных за радиоактивный распад и инициирующих ядерный синтез). Каждая из этих сил связана с полем – электромагнитная сила связана с полем глюонов , поля, связанные с сильными и слабыми ядерными силами, – это поля W- и Z-бозонов , а поле, связанное с гравитацией, – это само пространство-время.

Ниже приведен список четырех силовых полей, связанных с четырьмя силами.    

Вселенная наполнена этими 16 полями (12 полями материи плюс 4 поля , связанные с четырьмя силами). Эти поля взаимодействуют друг с другом гармоничным образом. Например, когда электронное поле (одно из полей материи) начинает колебаться вверх и вниз (потому что там находится электрон), это запускает одно из других полей, скажем, электромагнитное поле, которое, в свою очередь, также будет колебаться и создавать рябь. Будет испускаться свет, который также будет немного колебаться. В какой-то момент он начнет взаимодействовать с кварковым полем, которое, в свою очередь, будет колебаться и создавать рябь. В итоге мы получаем гармоничный танец всех этих полей, переплетающихся друг с другом.

Поле Хиггса

В 1960-х годах Питер Хиггс предсказал существование ещё одного поля. К 1970-м годам оно стало неотъемлемой частью нашего понимания Вселенной . Однако экспериментальных доказательств (то есть, если мы заставим поле Хиггса пульсировать, мы должны увидеть связанную с ним частицу) не было до 2012 года, когда исследователи из ЦЕРН на Большом адронном коллайдере сообщили о его открытии. Частица вела себя в точности так, как предсказывала модель. Частица Хиггса имеет очень короткое время жизни, около 10–22 ^секунд.

Это был последний строительный блок Вселенной . Это открытие было важным, потому что именно это поле отвечает за то, что мы называем массой во Вселенной.

Свойства частиц (например, электрический заряд и масса) — это утверждения о том, как их поля взаимодействуют с другими полями.  

Взаимодействие полей, присутствующих во Вселенной, обуславливает такие свойства различных частиц, как масса, заряд и т. д., которые мы наблюдаем. Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, описывает взаимодействие поля электрона с электромагнитным полем. Аналогично, свойство его массы описывает взаимодействие с полем Хиггса.

Понимание поля Хиггса было действительно необходимо для того, чтобы мы поняли смысл массы во Вселенной . Открытие поля Хиггса также подтвердило Стандартную модель, существовавшую с 1970-х годов.

Квантовые поля и физика элементарных частиц являются динамическими областями исследования. С момента открытия поля Хиггса произошло несколько изменений, имеющих отношение к Стандартной модели. Поиски ответов на ограничения стандартной модели продолжаются.

Стандартная модель элементарных частиц: 12 фундаментальных фермионов и 5 фундаментальных бозонов.

источники:  

Королевский институт, 2017. Квантовые поля: реальные строительные блоки Вселенной – с Дэвидом Тонгом. Доступно онлайн по адресу https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ – Быстрый взгляд