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. орбитальный 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. в вселенная. Благодаря новаторским разработкам в квантовой физике мы узнали, что частицы на самом деле являются производными, а 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 в мире. вселенная (включая развитые биологические системы, подобные нам). Мы все состоим из квантовых полей. Свойства частиц, такие как электрический заряд и масса, — это утверждения 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 — это утверждение о том, как он взаимодействует с полем Хиггса.
С древних времен люди задавались вопросом, из чего мы состоим? Что вселенная состоит из? Каковы фундаментальные строительные блоки природы? И каковы основные законы природы, управляющие всем в мире? вселенная? стандартное исполнение науки – это теория, которая отвечает на эти вопросы. Говорят, что это успешная теория науки, когда-либо созданная за последние столетия, единая теория, которая объясняет большую часть вещей в мире. вселенная.
Люди рано знали, что мы состоим из элементов. Каждый элемент, в свою очередь, состоит из атомов. Первоначально считалось, что атомы неделимы. Однако в 1897 году Дж. Дж. Томпсон обнаружил 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 отрицательно заряженные электроны. орбиты. Впоследствии было установлено, 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» («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 «нижнего кварка», а нейтрон — из двух «нижних кварков» и «верхнего кварка». Таким образом, «электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» — это три наиболее фундаментальные частицы, которые являются строительными блоками всего в мире. вселенная. Однако с развитием науки это понимание тоже 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 в вселенная состоит из невидимых абстрактных сущностей, называемых «полями», которые представляют собой фундаментальные строительные блоки природы. Поле – это нечто, распространённое по вселенная и принимает определенное значение в каждой точке пространства, которое может меняться со временем. Это похоже на рябь жидкости, которая колеблется по всему телу. вселеннаяНапример, магнитные и электрические поля распространяются по всему телу. вселенная. Хотя мы не можем видеть электрические или магнитные поля, они реальны и физичны, о чем свидетельствует сила, которую мы чувствуем, когда два магнита приближаются. Согласно квантовой механике, поля считаются непрерывными, в отличие от энергии, которая всегда разбита на отдельные фрагменты.
Квантовая теория поля — это идея объединения квантовой механики с полями. В соответствии с этим электронная жидкость (т. е. рябь волн этой жидкости) связывается в небольшие 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 пульсации двух кварковых полей порождают «верхние кварки» и «нижние кварки». И то же самое верно для любой другой частицы в вселенная. Поля лежат в основе всего. То, что мы считаем частицами, на самом деле является волнами полей, связанными в маленькие сгустки энергии. Основные фундаментальные строительные блоки нашего вселенная это подобные жидкости 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 четвертое, называемое нейтрино, однако оно не составляет нас, а играет важную роль в других частях Вселенной. вселенная. Нейтрино повсюду, они проходят сквозь 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 вселенная. По неизвестным причинам эти четыре фундаментальные частицы воспроизводят себя дважды. Электроны воспроизводят «мюон» и «тау» (которые соответственно в 200 и 3000 раз тяжелее электронов); верхние кварки порождают «странный кварк» и «нижний кварк»; нижние кварки порождают «чарм-кварк» и «топ-кварк»; а нейтрино порождают «мюонное нейтрино» и «тау-нейтрино».
Таким образом, существует 12 полей, порождающих частицы, мы называем их поля материи.
Ниже приведен список из 12 полей материи, которые составляют 12 частиц в вселенная.
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.
| электромагнитная сила | глюонное поле |
| Сильные и слабые ядерные силы | w & z бозонное поле |
| вес | пространство-время |
The вселенная заполнен этими 16 полями (12 полей материи плюс 4 поля, связанных 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, будет также колеблются и пульсируют. Будет излучаться свет, который будет немного колебаться. В какой-то момент оно начнет взаимодействовать с полем кварков, которое, в свою очередь, будет колебаться и пульсировать. Итоговая картина, которую мы получаем, — это гармоничный танец всех этих полей, переплетающихся друг с другом.
Поле Хиггса
В 1960-х годах Питер Хиггс предсказал еще одно месторождение. К 1970-м годам это стало неотъемлемой частью нашего понимания вселенная. Но экспериментальных доказательств (то есть, если мы создадим пульсацию поля Хиггса, мы должны увидеть связанные с ней частицы) не было до 2012 года, когда исследователи ЦЕРН на БАКе сообщили об его открытии. Частица вела себя именно так, как предсказывала модель. Частица Хиггса имеет очень короткую жизнь, около 10-22 секунд.
Это был последний строительный блок вселенная. Это открытие было важным, потому что это поле отвечает за то, что мы называем массой в вселенная.
Свойства частиц (например, электрический заряд и масса) — это утверждения о том, как их поля взаимодействуют с другими полями.
Это взаимодействие полей, присутствующих в вселенная которые порождают такие свойства, как масса, заряд и т. д. различных частиц, которые мы воспринимаем. Например, свойство, которое мы называем электрическим зарядом электрона, представляет собой утверждение о том, как поле электрона взаимодействует с электромагнитным полем. Аналогично, свойство его массы — это утверждение о том, как он взаимодействует с полем Хиггса.
Понимание поля Хиггса было действительно необходимо, чтобы мы поняли значение массы в вселенная. Открытие поля Хиггса также стало подтверждением Стандартной модели, действовавшей 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 в Интернете по адресу https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ – Быстрый взгляд
| Фундаментальные частицы классифицируются на фермионы и бозоны на основе спина. |
| [А]. ФЕРМИОНЫ |
| Фермионы имеют спин в нечётных полуцелых числах (½, 3/2, 5/2, …). частицы материи состоящий из всех кварков и лептонов. – следуйте статистике Ферми–Дирака, – имеют полунечетно-целый спин – подчиняются принципу запрета Паули, то есть два одинаковых фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние или одно и то же место в пространстве с одинаковым квантовым числом. Они не могут вращаться в одном направлении, но могут вращаться в противоположных направлениях. – Фермионы включают в себя все кварки и лептоны, а также все составные частицы, состоящие из нечетного их числа. – Кварки = шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, нижний и верхний кварки). – Объединяются, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны. – Невозможно наблюдать вне адронов. – Лептоны = электроны + мюоны + тау + нейтрино + мюонное нейтрино + тау-нейтрино. – «Электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» – три наиболее фундаментальных составляющих всего во Вселенной. – Протоны и нейтроны не являются фундаментальными, но состоят из «верхних кварков» и «нижних кварков», поэтому являются композитные частицыПротоны и нейтроны состоят из трёх кварков: протон — из двух «верхних» кварков и одного «нижнего» кварка, а нейтрон — из двух «нижних» и одного «верхнего». «Верхний» и «нижний» — это два «аромата» или разновидности кварков. – Барионы являются составными фермионами, состоящими из трех кварков, например, протоны и нейтроны являются барионами – Адроны состоят только из кварков, например, барионы (состоит из двух или более кварков) и мезоны (состоит из кварка и антикварка). |
| [Б]. БОЗОНЫ |
| Бозоны имеют спин в целочисленных значениях (0, 1, 2, 3, ….) – Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна; имеют целый спин. – назван в честь Сатьендра Нат Бос (1894–1974), который вместе с Эйнштейном разработал основные идеи статистической термодинамики бозонного газа. – не подчиняются принципу исключения Паули, т.е. два одинаковых бозона могут занимать одно и то же квантовое состояние или одно и то же место в пространстве с одним и тем же квантовым числом. Они оба могут вращаться в одном и том же направлении, – Элементарные бозоны – это фотон, глюон, Z-бозон, W-бозон и бозон Хиггса. У бозона Хиггса спин = 0, а у калибровочных бозонов (то есть у фотона, глюона, Z-бозона и W-бозона) спин = 1. |
| [C]. КОМПОЗИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ |
| Составные частицы могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их компонентов. – Все составные частицы, состоящие из четного числа фермионов, являются бозонами (потому что бозоны имеют целый спин, а фермионы имеют нечетный полуцелый спин). – Все мезоны являются бозонами (потому что все мезоны состоят из равного числа кварков и антикварков). – Стабильные ядра с четными массовыми числами – это бозоны, например, дейтерий, гелий-4, углерод-12 и т. д. – Составные бозоны также не подчиняются принципу исключения Паули. – Несколько бозонов в одном и том же квантовом состоянии объединяются, образуя «Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК)». |
