come costituito da schiuma quantistica, dove le fluttuazioni quantistiche sono grandi, varie e importanti sulla più piccola delle scale. I campi quantistici che sono una parte intrinseca della natura sono ben definiti, ma non sono conformi alle nostre nozioni intuitive su come le particelle o le onde dovrebbero comportarsi. NASA / CXC / M. Weiss
L’Universo che percepiamo e vediamo, tutto intorno a noi, non è rappresentativo di ciò che esiste effettivamente a un livello fondamentale. Invece di oggetti continui e solidi, la materia è composta da particelle quantistiche indivisibili, tenute insieme attraverso forze invisibili che agiscono attraverso lo spazio vuoto. Sia le particelle stesse che le forze possono essere descritte da una struttura sottostante: campi quantistici, che descrivono tutto ciò che sappiamo su tutte le particelle e antiparticelle del Modello Standard. Ma questi campi quantistici sono reali? E cosa ci dicono? Questo è ciò che il sostenitore di Patreon Aaron Weiss vuole sapere, come chiede:
Sarei molto interessato a un post sui campi quantistici. Sono generalmente / universalmente ritenuti reali e l’aspetto più fondamentale del nostro universo o solo un costrutto matematico? Ho letto che ci sono 24 campi quantici fondamentali: 12 campi per i fermioni e 12 per i bosoni. Ma ho anche letto di campi quantistici per atomi, molecole, ecc. Come funziona? Tutto emerge da questi 24 campi e dalle loro interazioni?
Iniziamo con ciò che è effettivamente un campo quantistico.
attendant fields, mostra come anche se è fatto di quark e gluoni puntiformi, ha una dimensione finita e sostanziale che deriva dall’interazione delle forze quantistiche e dei campi al suo interno. Il protone, di per sé, è una particella quantistica composita, non fondamentale. Brookhaven National Laboratory
In fisica, un campo, in generale, descrive quale proprietà dell’Universo è ovunque nello spazio. Deve avere una grandezza: una quantità che il campo è presente. Può o non può avere una direzione ad esso associata; alcuni campi lo fanno, come i campi elettrici, altri no, come i campi di tensione. Quando tutto quello che avevamo erano campi classici, abbiamo dichiarato che i campi devono avere una sorta di sorgente, come particelle, che si traduce in campi esistenti in tutto lo spazio.
Nella fisica quantistica, tuttavia, questo fatto apparentemente evidente non è più vero. Mentre la fisica classica definisce quantità come posizione e quantità di moto come proprietà di una particella, e quelle proprietà genererebbero un campo corrispondente, la fisica quantistica le tratta in modo diverso. Invece di quantità, posizione e quantità di moto (tra le altre quantità) ora diventano operatori, che ci permettono di ricavare tutte le stranezze quantistiche di cui hai sentito tanto parlare.
fisici teorici, il momento magnetico del muone è stato calcolato fino all’ordine di cinque cicli. Le incertezze teoriche sono ora al livello di solo una parte su due miliardi. Questo è un enorme risultato che può essere fatto solo nel contesto della teoria quantistica dei campi. 2012 American Physical Society
Una quantità come un elettrone non ha più una posizione o momento ben definito, ma piuttosto una funzione d’onda che descrive la distribuzione di probabilità di tutte le possibili posizioni e momenti.
Potresti aver sentito queste parole prima, ma hai mai pensato a cosa significhi in realtà?
Significa che l’elettrone non è affatto una particella. Non è qualcosa su cui puoi mettere il dito e dichiarare: “l’elettrone è qui, si muove con questa particolare velocità in questa particolare direzione.”Puoi solo indicare quali sono le proprietà complessive, in media, dello spazio in cui esiste l’elettrone.
relazione tra posizione e momento. Quando uno è conosciuto con maggiore precisione, l’altro è intrinsecamente meno in grado di essere conosciuto con precisione. Wikimedia Commons user Maschen
Non sembra molto simile alle particelle, vero? In effetti, questo suona più simile al campo: una proprietà dell’Universo ovunque nello spazio. Questo perché, nella teoria quantistica dei campi (QFT), i campi quantistici non sono generati dalla materia. Invece, ciò che interpretiamo come “materia” è di per sé un campo quantistico.
E questi campi quantici, essi stessi, sono costituiti da particelle.
- Il campo elettromagnetico? Fatto di particelle chiamate fotoni.
- Il campo nucleare forte, che tiene insieme protoni e neutroni? Costituito da particelle chiamate gluoni.
- Il campo nucleare debole, responsabile dei decadimenti radioattivi? Fatto di particelle chiamate bosoni W-e-Z.
- Anche il campo gravitazionale, se proviamo a formulare una versione quantistica della gravità? Fatto di particelle chiamate gravitoni.
Sì, anche le onde gravitazionali rilevate da LIGO, lisce e continue come apparivano, dovrebbero essere fatte di singole particelle quantistiche.
espandendo e comprimendo alternativamente lo spazio in direzioni reciprocamente perpendicolari, definite dalla polarizzazione dell’onda gravitazionale. Le onde gravitazionali stesse, in una teoria quantistica della gravità, dovrebbero essere fatte di singoli quanti del campo gravitazionale: gravitoni. M. Pössel / Einstein Online
La ragione per cui possiamo usare questi termini di particelle e campi in modo intercambiabile, in QFT, è perché i campi quantici stessi codificano tutte le informazioni per tutto. Hanno una particella e antiparticella annientare? Questo è descritto da eccitazioni uguali e opposte di un campo quantistico. Vuoi descrivere la creazione spontanea di coppie particella-antiparticella di particelle? Questo è anche dovuto alle eccitazioni di un campo quantico.
le coppie particella/antiparticella escono dal vuoto quantico per piccolissime quantità di tempo come conseguenza dell’incertezza di Heisenberg. Derek B. Leinweber
Anche le particelle stesse, come gli elettroni, sono solo stati eccitati di un campo quantistico. Ogni particella nell’Universo, come la intendiamo noi, è un’ondulazione, o eccitazione, o fascio di energia, del campo quantico sottostante. Questo è vero per i quark, i gluoni, il bosone di Higgs e per tutte le altre particelle del Modello Standard.
per tre delle quattro forze (eccetto la gravità), la suite completa di particelle scoperte e tutte le loro interazioni. Se ci sono particelle e/o interazioni aggiuntive che sono rilevabili con i collider che possiamo costruire sulla Terra è un argomento discutibile, ma a cui sapremo la risposta solo se esploreremo oltre la frontiera energetica conosciuta. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
Quindi quanti campi quantici fondamentali ci sono? Beh, dipende da come guardi la teoria. Nel più semplice QFT che descrive la nostra realtà, l’elettrodinamica quantistica di Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga e Richard Feynman, ci sono solo due campi quantistici: il campo elettromagnetico e il campo elettronico. Interagiscono; trasferiscono energia e quantità di moto e momento angolare; le eccitazioni vengono create e distrutte. Ogni eccitazione possibile ha un’eccitazione inversa che è anche possibile, motivo per cui questa teoria implica l’esistenza di positroni (controparti antimateria di elettroni). Inoltre, i fotoni esistono anche come equivalenti di particelle del campo elettromagnetico.
Quando prendiamo tutte le forze che comprendiamo, cioè non includendo la gravità, e annotiamo la versione QFT di esse, arriviamo alle previsioni del Modello Standard.
I modelli sono stati tutti rilevati direttamente, con l’ultimo holdout, il Bosone di Higgs, che cade all’LHC all’inizio di questo decennio. Tutte queste particelle possono essere create alle energie di LHC, e le masse delle particelle portano a costanti fondamentali che sono assolutamente necessarie per descriverle pienamente. Queste particelle possono essere ben descritte dalla fisica delle teorie di campo quantistiche alla base del Modello Standard. E. Siegel / Al di là della Galassia
Questo è dove l’idea di 12 campi di fermioni e 12 campi di bosoni provengono da. Questi campi sono eccitazioni delle teorie sottostanti (il Modello Standard) che descrivono l’Universo conosciuto nella sua interezza e includono:
- sei (up, down, strange, charm, bottom, top) quark, e la loro antiquark controparti,
- I tre carica (elettrone, muone, tau) e tre neutro (elettrone neutrino, neutrino muonico, il neutrino tau) leptoni, e la loro antimateria controparti,
- otto gluoni (a causa delle otto possibili combinazioni di colore),
- I due debole (W e Z) bosoni,
- La radiazione elettromagnetica (fotoni) di higgs,
- E il bosone di Higgs.
I quark e i leptoni sono fermioni, motivo per cui hanno controparti di antimateria, e il bosone W è disponibile in due varietà uguali e opposte (caricate positivamente e negativamente), ma tutto sommato, ci sono 24 eccitazioni uniche e fondamentali di campi quantici possibili. Questo è dove l’idea” 24 campi ” viene da.
varietà di stati quantici. Mentre tre numeri quantici potrebbero spiegare molto,’ spin ‘ deve essere aggiunto per spiegare la tavola periodica e il numero di elettroni in orbitali per ogni atomo. PoorLeno / Wikimedia Commons
Che dire quindi di sistemi complessi, come protoni, atomi, molecole e altro? Devi capire che proprio come i 24 campi sono in realtà eccitazioni del QFT sottostante che descrive la nostra realtà fisica, questi sistemi complessi sono più che semplici combinazioni di questi campi messi insieme in uno stato legato stabile o quasi stabile.
Invece, è più accurato vedere l’intero Universo come un complicato campo quantistico che, a sua volta, contiene tutta la fisica. I campi quantistici possono descrivere un numero arbitrariamente elevato di particelle che interagiscono in tutti i modi in cui le nostre teorie possono concettualmente consentire. E lo fanno non in un vuoto di spazio vuoto, ma in mezzo a uno sfondo di spazio non così vuoto, che gioca anche secondo le regole di QFT.
calcolo che mostra le particelle virtuali nel vuoto quantistico. (In particolare, per le forti interazioni.) Anche nello spazio vuoto, questa energia del vuoto è diversa da zero. Derek Leinweber
Particelle, antiparticelle e ogni sorta di eccitazioni dei campi vengono costantemente create e distrutte. La realtà è fondamentalmente diversa dalla nostra immagine classica di un Universo liscio, continuo e ben definito. Anche se è vero che questi campi quantistici sono iniziati come un costrutto matematico, descrivono la nostra realtà fisica e osservabile in modo più accurato di qualsiasi altra teoria che abbiamo inventato. Ci permettono di fare previsioni incredibilmente precise su ciò che produrranno i risultati di qualsiasi esperimento che coinvolga i quanti del Modello Standard: previsioni che sono state confermate da ogni esperimento abbastanza sensibile da testarle.
L’Universo potrebbe non essere un luogo intuitivo, ma per quanto qualsiasi teoria fisica possa definirsi riflessiva della realtà, QFT non ha eguali in termini di potenza. Finché la fisica rimane una scienza sperimentale, questo sarà lo standard che qualsiasi teoria candidata dovrà sostituire.
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