Древние люди думали, что мы состоим из четырех «элементов» - воды, земли, огня и воздуха; которые, как мы знаем, не являются элементами, а сейчас их около 118 элементов. Все элементы состоят из атомов, которые когда-то считались неделимыми, но к началу двадцатого 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. К 1970-м годам было известно, что протоны и нейтроны также не являются фундаментальными, но состоят из «верхних кварков» и «нижних кварков», что делает «электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» тремя наиболее фундаментальными составляющими всего. во вселенной. Благодаря новаторским достижениям в квантовой физике мы узнали, что частицы являются производными, а сгустки или пакеты энергии в полях, подразумевающих частицы, не являются фундаментальными. Основным является поле, лежащее в их основе. Теперь мы можем сказать, что квантовые поля являются фундаментальными строительными блоками всего во Вселенной (включая такие продвинутые биологические системы, как мы). Мы все состоим из квантовых полей. Свойства частиц, такие как электрический заряд и масса, представляют собой утверждения о том, как их поля взаимодействуют с другими полями. Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, является утверждением о том, как поле электронов взаимодействует с электромагнитным полем. А также. свойство его массы - это утверждение о том, как он взаимодействует с полем Хиггса.
С древних времен люди задавались вопросом, из чего мы состоим? Из чего состоит вселенная? Каковы основные строительные блоки природы? И каковы основные законы природы, управляющие всем во Вселенной? Стандартная модель науки - это теория, которая отвечает на эти вопросы. Говорят, что это успешная научная теория, когда-либо созданная за последние столетия, единственная теория, объясняющая большинство вещей во Вселенной.
Люди рано поняли, что мы состоят из элементов. Каждый элемент, в свою очередь, состоит из атомов. Первоначально считалось, что атомы неделимы. Однако в 1897 году Дж. Дж. Томпсон открыл электроны с помощью электрического разряда через электронно-лучевую трубку. Вскоре после этого, в 1908 году, его преемник Резерфорд посредством своего знаменитого эксперимента с золотой фольгой доказал, что атом имеет крошечное положительно заряженное ядро в центре, вокруг которого вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Впоследствии было обнаружено, что ядра состоят из протонов и нейтронов.
В 1970-х годах было обнаружено, что нейтроны и протоны неделимы, следовательно, не являются фундаментальными, но каждый протон и нейтрон состоят из трех меньших частиц, называемых кварками, которые бывают двух типов - «верхние кварки» и «нижние кварки». (Кварки «верхний кварк» и «нижний кварк» - это просто разные кварки и не имеют никакого отношения к какому-либо направлению или времени). Протоны состоят из двух «верхних кварков» и «нижнего кварка», в то время как нейтрон состоит из двух «нижних кварков» и «верхних кварков». Таким образом, электроны, верхние и нижние кварки являются тремя наиболее фундаментальными частицами и строительными блоками всего во Вселенной. Однако с развитием науки это понимание тоже претерпело изменения. Поля являются фундаментальными, а не частицами, как предполагалось ранее.
Согласно нынешнему пониманию науки, все во Вселенной состоит из невидимых абстрактных сущностей, называемых «полями», и которые представляют собой фундаментальные строительные блоки природы. Поле - это то, что распространяется по Вселенной и принимает определенное значение в каждой точке пространства, которое может меняться со временем. Это похоже на рябь жидкости, которая колеблется по всей Вселенной, например, магнитные и электрические поля распространяются по Вселенной. Хотя мы не можем видеть электрические или магнитные поля, они реальны и являются физическими, и, например, об этом свидетельствует сила, которую мы ощущаем, когда два магнита приближаются друг к другу.
В 1920-е годы произошли революционные изменения в нашем понимании Вселенной. Квантовая механика утверждает, что энергия не является непрерывной, а всегда разбивается на некие дискретные сгустки. С другой стороны, поля считаются непрерывными.
Частицы не являются фундаментальными. Главное - это поле, лежащее в их основе. Мы все состоим из квантовых полей.
Квантовая теория поля - это идея объединения квантовой механики с полями. Согласно этому, электронная жидкость, рябь волн этой жидкости, связана в маленькие пучки энергии по правилам квантовой механики, и эти пучки энергии и есть то, что мы называем частицей, электроном. Электроны не фундаментальны. Это волны одного и того же основного поля. Точно так же рябь двух кварковых полей порождает верхний и нижний кварк. И то же самое верно для любой другой частицы во Вселенной. Есть поля, которые лежат в основе всего. То, что мы считаем частицами, на самом деле вовсе не частицы, это волны этих полей, связанные в маленькие сгустки энергии. Основные фундаментальные строительные блоки нашей Вселенной - это жидкие вещества, которые мы называем полями. Частицы являются производными этих полей, а значит, не являются фундаментальными. В чистом вакууме, когда частицы полностью удалены, все еще существуют поля, которые регулируются правилами квантовой механики.
Три основных квантовых поля в природе - это электрон, верхний кварк и нижний кварк. Есть четвертый, называемый нейтрино, однако они не составляют нас, но играют важную роль в других частях Вселенной. Нейтрино повсюду, они проникают сквозь все, не взаимодействуя друг с другом. Эти четыре поля и связанные с ними частицы, а именно электрон, верхний кварк, нижний кварк и нейтрино, образуют основу Вселенной. По неизвестным причинам эти четыре частицы воспроизводят их дважды. Электроны воспроизводят мюон и тау (которые в 200 и 3000 раз тяжелее электронов соответственно), верхние кварки порождают странный кварк и нижний кварк, нижние кварки порождают очарованный кварк, а верхний кварк и нейтрино порождают мюонное нейтрино и тау нейтрино. .
Таким образом, существует 12 полей, которые дают материю, мы называем их полями материи. Ниже приведен список из 12 полей (полей материи), составляющих 12 частиц во Вселенной.
| электрон (е) 1 | вверх кварк (u) 8 | вниз кварк (d) 4 | нейтрино (νe) 10-6 |
| Мюон (μ-) 200 | странный кварк (ы) 200 | очаровательный кварк (с) 2000 | мюонное нейтрино (νμ) 10-6 |
| Тау (τ-) 3000 | нижний кварк (б) 8000 | верхний кварк (т) 340,000 | тау-нейтрино (ντ) 10-6 |
Эти 12 полей взаимодействуют друг с другом посредством четырех различных сил - гравитации, электромагнетизма, сильных ядерных сил (действуют только на малых масштабах ядра, удерживают кварки вместе внутри протонов и нейтронов) и слабых ядерных сил (действуют только на малых масштабах ядра, ответственных для радиоактивного распада и инициирования ядерного синтеза).
Каждая из этих сил связана с полем - электромагнитная сила связана с полем глюонов, поля, связанные с сильными и слабыми ядерными силами, - это бозонное поле W и Z, а поле, связанное с гравитацией, - это само пространство-время. Ниже приведен список четырех других полей, связанных с четырьмя силами.
| электромагнитная сила | глюонное поле |
| Сильные и слабые ядерные силы | w & z бозонное поле |
| вес | пространство-время |
Вселенная заполнена этими 16 полями - 12 полями материи плюс 4 поля, связанные с четырьмя силами. Эти поля гармонично взаимодействуют друг с другом. Например, когда электронное поле (одно из полей материи) начинает колебаться вверх и вниз (потому что там находится электрон), это вызывает одно из других полей, скажем, электромагнитное поле, которое, в свою очередь, будет также колеблются и колеблются. Будет свет, который испускается так, что немного колеблется. В какой-то момент он начнет взаимодействовать с кварковым полем, которое, в свою очередь, будет колебаться и колебаться. Финальная картина, которую мы получаем, - это гармоничный танец между всеми этими полями, взаимосвязанными друг с другом.
Поле Хиггса: открытие в 2012 году
В 1960-х Питер Хиггс предсказал еще одно направление. Это поле, получившее название поля Хиггса, стало неотъемлемой частью нашего понимания Вселенной к 1970-м годам. Но не было никаких экспериментальных доказательств (то есть, если мы создадим рябь поля Хиггса, мы должны увидеть связанную частицу) до 2012 года, когда исследователи ЦЕРН на LHC сообщили о своем открытии. Частица вела себя точно так, как предсказывает модель. Частица Хиггса имеет очень короткое время жизни, около 10-22 секунд.
Это был последний строительный блок Вселенной. Это открытие имело важное значение, поскольку это поле отвечает за то, что мы называем массой в космосе. вселенная.
Свойства частиц, такие как электрический заряд и масса, представляют собой утверждения о том, как их поля взаимодействуют с другими полями.
Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, является утверждением о том, как поле электронов взаимодействует с электромагнитным полем. Свойство его массы - это утверждение о том, как он взаимодействует с полем Хиггса. Следовательно, понимание поля Хиггса было действительно необходимо, чтобы мы поняли значение массы во Вселенной. Открытие поля Хиггса также стало подтверждением Стандартной модели, которая существовала с 1970-х годов, хотя это подтверждение заняло около 50 лет.
В заключение, именно взаимодействие полей, присутствующих во Вселенной, порождает такие свойства, как масса, заряд и т. Д., Различных частиц, с которыми мы сталкиваемся. Квантовые поля и физика элементарных частиц - это динамические области изучения. С момента открытия месторождения Хиггса произошло несколько разработок, имеющих отношение к Стандартной модели. Поиск ответов на ограничения Стандартной модели продолжается.
источники:
Королевский институт 2017. Квантовые поля: реальные строительные блоки Вселенной - с Дэвидом Тонгом. Доступно в Интернете по адресу https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
