jako kvantová pěna, kde kvantové fluktuace jsou velké, rozmanité a důležité na nejmenších stupnicích. Kvantová pole, která jsou vnitřní součástí přírody, jsou dobře definována, ale neodpovídají našim intuitivním představám o tom, jak by se částice nebo vlny měly chovat. NASA/CXC/M. Weiss
Vesmír vnímáme a pohled, všude kolem nás, není reprezentativní, co skutečně existuje v základní úrovni. Místo spojitých pevných objektů je hmota složena z nedělitelných kvantových částic, držených pohromadě neviditelnými silami, které působí v prázdném prostoru. Samotné částice i síly mohou být popsány základní strukturou: kvantová pole, která popisují vše, co víme o všech částicích a antičásticích standardního modelu. Ale jsou tato kvantová pole skutečná? A co nám říkají? To chce patreonův příznivec Aaron Weiss vědět, jak se ptá:
velmi by mě zajímal příspěvek o kvantových polích. Jsou obecně / všeobecně považovány za skutečné a nejzákladnější aspekt našeho vesmíru nebo jen matematický konstrukt? Četl jsem, že existuje 24 základních kvantových polí: 12 polí pro fermiony a 12 pro bosony. Ale také jsem četl o kvantových polích pro atomy, molekuly atd. Jak to funguje? Vychází všechno z těchto 24 polí a jejich interakcí?
Začněme tím, co vlastně kvantové pole je.
doprovodná pole ukazují, že i když je vyrobena z bodových kvarků a gluonů, má konečnou podstatnou velikost, která vyplývá ze souhry kvantových sil a polí uvnitř. Proton sám o sobě je složená, nikoli fundamentální kvantová částice. Brookhaven National Laboratory
ve fyzice pole obecně popisuje, jaká je nějaká vlastnost vesmíru všude ve vesmíru. Musí mít velikost: množství, které je pole přítomno. Může nebo nemusí mít s ním spojený směr; některá pole ano, jako elektrická pole, jiná ne, jako napěťová pole. Když jsme měli jen klasická pole, uvedli jsme, že pole musí mít nějaký zdroj, jako částice, což má za následek pole existující v celém prostoru.
v kvantové fyzice však tato zdánlivě samozřejmá skutečnost již neplatí. Zatímco klasická fyzika definuje veličiny jako polohu a hybnost jako vlastnosti částice a tyto vlastnosti by generovaly odpovídající pole, kvantová fyzika s nimi zachází odlišně. Místo veličin se pozice a hybnost (mimo jiné veličiny) nyní stávají operátory, které nám umožňují odvodit veškerou kvantovou podivnost, o které jste tolik slyšeli.
teoretičtí fyzici, muonův magnetický moment byl vypočítán až do řádu pěti smyček. Teoretické nejistoty jsou nyní na úrovni jen jedné části ze dvou miliard. To je obrovský úspěch, který lze dosáhnout pouze v kontextu kvantové teorie pole. 2012 Americké Fyzikální Společnosti
množství jako elektron již má dobře definované polohy nebo hybnosti, ale spíše wavefunction, který popisuje rozdělení pravděpodobnosti všech možných poloh a hybnosti.
možná jste už tato slova slyšeli, ale přemýšleli jste někdy o tom, co to vlastně znamená?
to znamená, že elektron není částice vůbec. Není to něco, na co můžete položit prst a prohlásit: „elektron je tady, pohybuje se touto konkrétní rychlostí v tomto konkrétním směru.“Můžete pouze uvést, jaké jsou v průměru celkové vlastnosti prostoru, ve kterém elektron existuje.
vztah mezi polohou a hybností. Když je jeden znám přesněji, druhý je ze své podstaty méně schopen být přesně znám. Uživatel Wikimedia Commons Maschen
to nezní příliš podobně jako částice, že? Ve skutečnosti to zní více jako pole: nějaká vlastnost vesmíru všude ve vesmíru. Je to proto, že v kvantové teorii pole (QFT) nejsou kvantová pole generována hmotou. Místo toho to, co interpretujeme jako „hmotu“, je samo o sobě kvantové pole.
a tato kvantová pole jsou sama o sobě tvořena částicemi.
- elektromagnetické pole? Vyrobeno z částic zvaných fotony.
- silné jaderné pole, které drží protony a neutrony pohromadě? Skládá se z částic nazývaných gluony.
- slabé jaderné pole, zodpovědné za radioaktivní rozpady? Vyrobeno z částic nazývaných bosony W A Z.
- dokonce i gravitační pole, pokud se pokusíme formulovat kvantovou verzi gravitace? Vyrobeno z částic nazývaných gravitony.
ano, i gravitační vlny, které ligo detekoval, tak hladké a spojité, jak se objevily, by měly být vyrobeny z jednotlivých kvantových částic.
střídavě rozšiřuje a stlačuje prostor ve vzájemně kolmých směrech, definovaných polarizací gravitační vlny. Samotné gravitační vlny by v kvantové teorii gravitace měly být vytvořeny z jednotlivých kvant gravitačního pole: gravitonů. M. Pössel / Einstein Online
důvod, proč můžeme tyto pojmy částic a polí zaměnitelně použít v QFT, je ten, že kvantová pole sama kódují všechny informace pro všechno. Mají částice a antičástice zničující? To je popsáno rovnými a opačnými excitacemi kvantového pole. Chcete popsat spontánní tvorbu částic-antičásticových párů částic? To je také způsobeno excitacemi kvantového pole.
páry částic / antičástic vyskočí z kvantového vakua po velmi malé množství času v důsledku Heisenbergovy nejistoty. Derek B. Leinweber
dokonce i samotné částice, jako elektrony, jsou jen excitované stavy kvantového pole. Každá částice ve vesmíru, jak ji chápeme, je zvlnění nebo buzení nebo svazek energie základního kvantového pole. To platí pro kvarky, gluony, Higgsův boson a pro všechny ostatní částice standardního modelu.
pro tři ze čtyř sil (s výjimkou gravitace), celou sadu objevených částic a všechny jejich interakce. Zda existují další částice a/nebo interakce, které jsou zjistitelné s urychlovači můžeme stavět na Zemi je diskutabilní téma, ale jednou se dozvíme odpověď na to, když jsme prozkoumat minulosti známé energetické hranice. Projekt současné fyziky / Doe / NSF / LBNL
takže kolik základních kvantových polí existuje? No, to záleží na tom, jak se díváte na teorii. V nejjednodušším QFT, který popisuje naše realita, kvantová elektrodynamika, Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga a Richard Feynman, tam jsou jen dva kvantových polí: elektromagnetické pole a elektronového pole. Interagují; přenášejí energii a hybnost a moment hybnosti; excitace jsou vytvářeny a zničeny. Každá excitace, která je možná, má reverzní excitaci, která je také možná, což je důvod, proč tato teorie předpokládá existenci pozitronů (protikladů antihmoty elektronů). Kromě toho existují i fotony jako částicové ekvivalenty elektromagnetického pole.
Když vezmeme všechny síly, které jsme pochopili, tj. včetně gravitace, a zapište QFT verzi z nich, dojdeme k předpovědi Standardního Modelu.
Model byl nyní detekován přímo, s posledním zpožděním, Higgsovým bosonem, padajícím na LHC počátkem tohoto desetiletí. Všechny tyto částice mohou být vytvořeny na LHC energie, a masy částic vést k základní konstanty, které jsou naprosto nezbytné k jejich popisu plně. Tyto částice mohou být dobře popsány fyzikou teorií kvantového pole, které jsou základem standardního modelu. E. Siegel / za galaxií
odtud pochází myšlenka 12 fermionových polí a 12 bosonových polí. Tato pole jsou excitací základních teorií (standardní Model), které popisují známý vesmír jako celek a zahrnují:
- šest (up, down, strange, charm, bottom, top) kvarky, a jejich antiquark protějšky,
- tři nabitý (elektron, mion, tau) a tři neutrální (elektronové neutrino, mion neutrino, tau neutrino) leptony, antihmoty a jejich protějšky,
- osmi gluony (protože z osmi možných barevných kombinací),
- dvě slabé (W-a-Z) bosony,
- elektromagnetické (fotonové) boson,
- A Higgsova bosonu.
kvarky a leptony jsou fermiony, což je důvod, proč mají antihmoty protějšky, a W bosonu je dodáván ve dvou stejných a opačných odrůd (pozitivně a negativně nabité), ale všichni říkali, tam jsou 24 unikátních, základní excitace kvantového pole je to možné. Odtud pochází myšlenka „24 polí“.
rozmanitost kvantových stavů. Zatímco tři kvantová čísla by mohla hodně vysvětlit, je třeba přidat „spin“, aby se vysvětlila periodická tabulka a počet elektronů v orbitálech pro každý atom. PoorLeno / Wikimedia Commons
Takže co složité systémy, jako protony, atomy, molekuly a další? Musíte pochopit, že stejně jako 24 pole jsou vlastně buzení podkladových QFT, který popisuje naše fyzická realita, tyto komplexní systémy jsou více než jen kombinací těchto polí dát dohromady do nějaké stabilní nebo kvazi-stabilní svázal stát.
místo toho je přesnější vidět celý vesmír jako komplikované kvantové pole, které samo o sobě obsahuje veškerou fyziku. Kvantová pole mohou popisovat libovolně velké množství částic, které interagují všemi způsoby, které naše teorie mohou teoreticky dovolit. A nedělají to v nějakém vakuu prázdného prostoru, ale uprostřed pozadí ne tak prázdného prostoru, který hraje podle pravidel QFT, také.
výpočet zobrazující virtuální částice v kvantovém vakuu. (Konkrétně pro silné interakce.) I v prázdném prostoru je tato vakuová energie nenulová. Derek Leinweber
částice, antičástice a nejrůznější excitace polí jsou neustále vytvářeny a ničeny. Realita se zásadně liší od našeho klasického obrazu hladkého, souvislého, dobře definovaného vesmíru. I když je pravda, že tato kvantová pole začala jako matematický konstrukt, popisují naši fyzickou, pozorovatelnou realitu přesněji než jakákoli jiná teorie, kterou jsme vymysleli. Umožňují nám dělat neuvěřitelně přesné předpovědi o tom, co přinesou výsledky jakéhokoli experimentu zahrnujícího kvanta standardního modelu: předpovědi, které byly potvrzeny každým experimentem dostatečně citlivým na jejich testování.
vesmír nemusí být intuitivním místem, ale pokud se jakákoli fyzikální teorie může nazývat odrazem reality, QFT nemá stejnou sílu, pokud jde o jeho sílu. Dokud fyzika zůstane experimentální vědou, bude to standard, který bude muset každá kandidátská teorie nahradit.
Odeslat v Ask Ethan otázky startswithabang na gmail dot com!
Následujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo některé z mých dalších prací zde.