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

Древние люди думали, что мы состоим из четырех «элементов» – воды, земли, огня и воздуха; которые, как мы теперь знаем, не являются элементами. В настоящее время насчитывается около 118 элементов. Все элементы состоят из атомов, которые когда-то считались неделимыми. К началу двадцатого века, после открытий Дж. Дж. Томпсона и Резерфорда, было известно, что атомы состоят из ядер (состоящих из протонов и нейтронов) в центре и электронов, вращающихся вокруг. К 1970-м годам стало известно, что протоны и нейтроны также не являются фундаментальными, а состоят из «верхних кварков» и «нижних кварков», что делает «электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» тремя наиболее фундаментальными составляющими всего сущего. во вселенной. С новаторскими разработками в квантовой физике мы узнали, что частицы на самом деле являются производными, пучки или пакеты энергии в полях, подразумевающих частицы, не являются фундаментальными. Фундаментальным является поле, лежащее в их основе. Теперь мы можем сказать, что квантовые поля являются фундаментальными строительными блоками всего во Вселенной (включая такие передовые биологические системы, как мы). Мы все состоим из квантовых полей. Свойства частиц, такие как электрический заряд и масса, являются утверждениями о том, как их поля взаимодействуют с другими полями. Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, представляет собой утверждение о том, как поле электрона взаимодействует с электромагнитным полем. И. свойство его массы является утверждением о том, как оно 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? стандартное исполнение Науки является теория, которая отвечает на эти вопросы. Говорят, что это успешная научная теория, когда-либо созданная за последние столетия, единственная теория, которая объясняет большую часть 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 не являются неделимыми, 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» («нижние кварки» и «верхние 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 «нижнего кварка», а нейтрон состоит из двух «нижних кварков» и «верхнего кварка». Таким образом, «электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» — это три самые фундаментальные частицы, которые являются строительными блоками всего во Вселенной. Однако с развитием науки это понимание также претерпело изменения. Поля оказываются фундаментальными, а не частицами.  

Частицы не являются фундаментальными. Главное - это поле, лежащее в их основе. Мы все состоим из квантовых полей. 

Согласно современному пониманию науки, все во Вселенной состоит из невидимых абстрактных сущностей, называемых «полями», 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 физичны, о чем свидетельствует сила, которую мы ощущаем, когда приближаются два магнита. Согласно квантовой механике поля считаются непрерывными, в отличие от энергии, которая всегда делится на какие-то дискретные куски.

Квантовая теория поля — это идея объединения квантовой механики с полями. В соответствии с этим электронная жидкость (то есть рябь волн этой жидкости) связывается в маленькие сгустки энергии. Эти сгустки энергии и есть то, что мы называем электронами. Таким образом, электроны не являются фундаментальными. Это волны одного и того же основного поля. Точно так же рябь двух полей кварков порождает «верхние кварки» и «нижние кварки». И то же самое верно для любой другой частицы во Вселенной. Поля лежат в основе всего. То, что мы считаем частицами, на самом деле является волнами полей, связанными в маленькие сгустки энергии. Основными фундаментальными строительными блоками нашей вселенной являются эти флюидные субстанции, которые мы называем полями. Частицы являются просто производными этих полей. В чистом вакууме, когда частицы полностью удалены, поля все еще существуют.   

Три самых 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 пронизывают все и везде, не взаимодействуя.

Поля материи: Четыре основных квантовых поля и связанные с ними частицы (а именно, «электрон», «верхний кварк», «нижний кварк» и «нейтрино») образуют основу Вселенной. По неизвестным причинам эти четыре фундаментальные частицы воспроизводят себя дважды. Электроны воспроизводят «мюон» и «тау» (которые в 200 и 3000 раз тяжелее электронов соответственно); верхние кварки дают начало «странным кваркам» и «нижним кваркам»; нижние кварки дают начало «очаровательным кваркам» и «верхним кваркам»; в то время как нейтрино порождают «мюонное нейтрино» и «тау-нейтрино».  

Таким образом, существует 12 полей, порождающих частицы, мы называем их поля материи.

Ниже приведен список 12 полей материи, которые составляют 12 частиц во Вселенной.  

Силовые поля: 12 полей материи взаимодействуют друг с другом посредством четырех различных сил – вес, электромагнетизм, сильные ядерные силы (работают только в малом масштабе ядра, удерживают кварки вместе внутри протонов и нейтронов) и слабые ядерные силы (работают только в малых масштабах ядра, ответственны за радиоактивный распад и инициируют ядерный синтез). Каждая из этих сил связана с полем — электромагнитная сила связана с полем. глюонное поле, поля, связанные с сильными и слабыми ядерными взаимодействиями, Бозонное поле W и Z а поле, связанное с гравитацией, равно пространство-время себя.

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

Вселенная заполнена этими 16 полями (12 полей материи плюс 4 поля, связанные с четырьмя силами). Эти поля гармонично взаимодействуют друг с другом. Например, когда поле электрона (одно из полей материи) начинает колебаться вверх и вниз (потому что там есть электрон), это запускает одно из других полей, скажем, электромагнитное поле, которое, в свою очередь, также колебаться и пульсировать. Будет свет, который излучается так, что будет немного колебаться. В какой-то момент он начнет взаимодействовать с кварковым полем, которое, в свою очередь, будет колебаться и пульсировать. Конечная картина, которую мы получаем в итоге, — это гармоничный танец между всеми этими полями, переплетающимися друг с другом.  

Поле Хиггса

В 1960-х Питер Хиггс предсказал еще одно поле. К 1970-м годам это стало неотъемлемой частью нашего понимания Вселенной. Но не было никаких экспериментальных доказательств (это означает, что если мы создадим рябь поля Хиггса, мы должны увидеть ассоциированную частицу) до 2012 года, когда исследователи ЦЕРН на БАК сообщили об открытии. Частица вела себя именно так, как предсказывала модель. Частица Хиггса имеет очень короткую жизнь, около 10 лет.^-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 (например, электрический заряд и масса) — это утверждения о том, как их поля взаимодействуют с другими полями.  

Именно взаимодействие полей, присутствующих во Вселенной, порождает такие свойства, как масса, заряд и т. д. различных частиц, с которыми мы сталкиваемся. Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, представляет собой утверждение о том, как поле электрона взаимодействует с электромагнитным полем. Точно так же свойство его массы является утверждением о том, как оно взаимодействует с полем Хиггса.

Понимание поля Хиггса было действительно необходимо, чтобы мы поняли значение массы во Вселенной. Открытие поля Хиггса также стало подтверждением Стандартной модели, существовавшей 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.

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