Oamenii antici credeau că suntem formați din patru „elemente” – apă, pământ, foc și aer; despre care știm acum că nu sunt elemente. În prezent, există aproximativ 118 elemente. Toate elementele sunt formate din atomi despre care se credea că sunt indivizibili. La începutul secolului al XX-lea, după descoperirile lui JJ Thompson și Rutherford, se știa că atomii erau formați din nuclee (formate din protoni și neutroni) în centru și electroni. orbitează în jurul. Până în anii 1970, se știa că nici protonii și neutronii nu sunt esențiali, ci sunt alcătuiți din „cuarci sus” și „cuarci jos”, făcând astfel „electronii”, „cuarcii sus” și „cuarcii jos” cei mai fundamentali trei constituenți ai tuturor lucrurilor. în univers. Odată cu evoluțiile inovatoare din fizica cuantică, am aflat că particulele sunt de fapt derivate, fasciculele sau pachetele de energie din câmpurile care implică particule nu sunt fundamentale. Ceea ce este fundamental este domeniul care le stă la baza. Putem spune acum că câmpurile cuantice sunt elementele fundamentale ale tuturor lucrurilor din univers (inclusiv sisteme biologice avansate ca noi). Cu toții suntem formați din câmpuri cuantice. Proprietățile particulelor, cum ar fi sarcina electrică și masa, sunt afirmații despre modul în care câmpurile lor interacționează cu alte câmpuri. De exemplu, proprietatea pe care o numim sarcina electrică a unui electron este o afirmație despre modul în care câmpul electronilor interacționează cu câmpul electromagnetic. Și. proprietatea masei sale este afirmația despre modul în care interacționează cu câmpul Higgs.
Încă din cele mai vechi timpuri, oamenii s-au întrebat din ce suntem alcătuiți? Ce este univers alcătuit din? Care sunt elementele fundamentale ale naturii? Și care sunt legile de bază ale naturii care guvernează totul în univers? Model standard a științei este teoria care răspunde la aceste întrebări. Se spune că aceasta este teoria de succes a științei construită vreodată în ultimele secole, o singură teorie care explică majoritatea lucrurilor din univers.
Oamenii au știut devreme că suntem alcătuiți din elemente. Fiecare element, la rândul său, este format din atomi. Inițial, s-a crezut că atomii sunt indivizibili. Cu toate acestea, în 1897, JJ Thompson a descoperit electronii folosind descărcări electrice prin tubul cu raze catodice. Curând după aceea, în 1908, succesorul său Rutherford a dovedit, prin faimosul său experiment cu folie de aur, că un atom are un nucleu minuscul încărcat pozitiv în centrul în jurul căruia electronii încărcați negativ se învârt. orbitele. Ulterior, s-a constatat că nucleele sunt formate din protoni și neutroni.
În anii 1970, s-a descoperit că neutronii și protonii nu sunt indivizibili, deci nu sunt fundamentali, dar fiecare proton și neutron este alcătuit din trei particule mai mici numite quarci, care sunt de două tipuri – „cuarci sus” și „cuarci jos” („ quark up” și „downquark” sunt doar quarci diferiți. Termenii „sus” și „jos” nu implică nicio relație cu direcția sau timpul). Protonii sunt alcătuiți din doi „cuarci up” și un „cuarc jos”, în timp ce un neutron este format din doi „quarci jos” și un „quarc sus”. Astfel, „electronii”, „cuarcii sus” și „cuarcii în jos” sunt trei particule fundamentale care constituie blocuri ale tuturor lucrurilor din univers. Cu toate acestea, odată cu progresele științei, și această înțelegere a cunoscut schimbări. Câmpurile sunt considerate fundamentale și nu particule.
Particulele nu sunt fundamentale. Ceea ce este fundamental este domeniul care le stă la baza. Cu toții suntem formați din câmpuri cuantice.
Conform înțelegerii actuale a științei, totul în univers este alcătuit din entități abstracte invizibile numite „câmpuri” care reprezintă blocurile fundamentale ale naturii. Un câmp este ceva care este răspândit peste tot univers și ia o anumită valoare în fiecare punct din spațiu, care se poate schimba cu timpul. Este ca valuri de fluid care se leagănă în tot univers, de exemplu, câmpurile magnetice și electrice sunt răspândite pe univers. Deși nu putem vedea câmpurile electrice sau magnetice, ele sunt reale și fizice, așa cum o demonstrează forța pe care o simțim atunci când doi magneți sunt apropiați. Potrivit mecanicii cuantice, câmpurile sunt considerate a fi continue, spre deosebire de energia care este întotdeauna împărțită în niște bucăți discrete.
Teoria cuantică a câmpurilor este ideea combinării mecanicii cuantice cu câmpuri. În conformitate cu aceasta, fluidul electronic (adică ondulațiile undelor acestui fluid) se leagă în mănunchiuri mici de energie. Aceste fascicule de energie sunt ceea ce numim electroni. Astfel, electronii nu sunt fundamentali. Ele sunt undele aceluiași câmp de bază. În mod similar, ondulațiile celor două câmpuri de quarci dau naștere la „quarci sus” și „cuarcuri jos”. Și același lucru este valabil pentru orice altă particulă din univers. Câmpurile stau la baza totul. Ceea ce credem ca fiind particule sunt de fapt valuri ale câmpurilor legate în mici mănunchiuri de energie. Elementele de bază fundamentale ale noastre univers sunt aceste substanțe asemănătoare fluidelor pe care le numim câmpuri. Particulele sunt doar derivate ale acestor câmpuri. În vid pur, când particulele sunt îndepărtate complet, câmpurile încă există.
Cele mai de bază trei câmpuri cuantice din natură sunt „electron”, „cuarc sus” și „cuarc jos”. Există un al patrulea numit neutrino, cu toate acestea, ei nu ne constituie, ci joacă un rol important în altă parte în univers. Neutrinii sunt peste tot, curg prin tot peste tot fără a interacționa.
https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Câmpurile de materie: Cele patru câmpuri cuantice de bază și particulele asociate acestora (adică „electron”, „cuarc sus”, „cuarc în jos” și „neutrino”) formează piatra de bază a univers. Din motive necunoscute, aceste patru particule fundamentale se reproduc de două ori. Electronii reproduc „muon” și „tau” (care sunt de 200 de ori și, respectiv, de 3000 de ori mai grei decât electronii); quarcurile up dau naștere la „quarc ciudat” și „cuarc inferior”; quarcurile down dau naștere la „quarc de farmec” și „quarc de top”; în timp ce neutrinii dau naștere „neutrinului muon” și „neutrinului tau”.
Astfel, există 12 câmpuri care dau naștere la particule, le numim domeniile materiei.
Mai jos este lista a 12 câmpuri de materie care alcătuiesc 12 particule în univers.
Câmpuri de forță: Cele 12 câmpuri de materie interacționează între ele prin patru forțe diferite - gravitate, electromagnetism, forte nucleare puternice (funcționează numai la scară mică de nucleu, țin quarcii împreună în interiorul protonilor și neutronilor) și forte nucleare slabe (funcționează doar la scară mică a nucleului, responsabil de dezintegrarea radioactivă și inițiază fuziunea nucleară). Fiecare dintre aceste forțe este asociată unui câmp – forța electromagnetică este asociată câmp de gluoni, câmpurile asociate cu forțe nucleare puternice și slabe sunt Câmpul bosonilor W și Z iar câmpul asociat gravitaţiei este spațiu timp însăși.
Mai jos este lista celor patru câmpuri de forță asociate cu patru forțe.
| forta electromagnetica | câmp de gluoni |
| Forțe nucleare puternice și slabe | câmpul bosonilor w & z |
| gravitate | spațiu timp |
univers este umplut cu aceste 16 câmpuri (12 câmpuri de materie plus 4 câmpuri asociate cu patru forțe). Aceste câmpuri interacționează împreună în moduri armonioase. De exemplu, atunci când câmpul de electroni (unul dintre câmpurile de materie), începe să fluture în sus și în jos (pentru că există un electron acolo), acesta declanșează unul dintre celelalte câmpuri, să spunem câmpul electromagnetic care, la rândul său, va de asemenea, oscilează și ondula. Va fi lumină care este emisă astfel încât va oscila puțin. La un moment dat, va începe să interacționeze cu câmpul de quarci, care, la rândul său, va oscila și va ondula. Poza finală cu care ajungem, este dansul armonios dintre toate aceste câmpuri, care se întrepătrund între ele.
Câmpul Higgs
În anii 1960, un alt domeniu a fost prezis de Peter Higgs. Până în anii 1970, acest lucru a devenit parte integrantă a înțelegerii noastre despre univers. Dar nu au existat dovezi experimentale (adică, dacă facem un câmp Higgs, ar trebui să vedem particule asociate) până în 2012, când cercetătorii CERN de la LHC au raportat descoperirea sa. Particula s-a comportat exact în modul prezis de model. Particula Higgs are o viață foarte scurtă, de aproximativ 10-22 secunde.
Acesta a fost blocul final al univers. Această descoperire a fost importantă deoarece acest domeniu este responsabil pentru ceea ce numim masă în univers.
Proprietățile particulelor (cum ar fi sarcina electrică și masa) sunt afirmații despre modul în care câmpurile lor interacționează cu alte câmpuri.
Este interacțiunea câmpurilor prezente în univers care dau naștere la proprietăți precum masa, sarcina etc. ale diferitelor particule experimentate de noi. De exemplu, proprietatea pe care o numim sarcină electrică a unui electron este o afirmație despre modul în care câmpul electronilor interacționează cu câmpul electromagnetic. În mod similar, proprietatea masei sale este afirmația despre modul în care interacționează cu câmpul Higgs.
Era cu adevărat necesară înțelegerea câmpului Higgs, astfel încât să înțelegem semnificația masei în univers. Descoperirea câmpului lui Higgs a fost, de asemenea, o confirmare a modelului standard care a fost în vigoare din anii 1970.
Câmpurile cuantice și fizica particulelor sunt domenii dinamice de studiu. De la descoperirea câmpului lui Higgs, au avut loc mai multe dezvoltări care au legătură cu modelul Standard. Căutarea de răspunsuri pentru limitările modelului standard continuă.
***
Surse:
The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe – cu David Tong. Disponibil online la https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
