som bestående af kvanteskum, hvor kvantesvingninger er store, varierede og vigtige på de mindste skalaer. Kvantefelterne, der er en iboende del af naturen, er veldefinerede, men er ikke i overensstemmelse med vores intuitive forestillinger om, hvordan partikler eller bølger skal opføre sig. 4418>
det univers, vi opfatter og ser, overalt omkring os, er ikke repræsentativt for, hvad der faktisk eksisterer på et grundlæggende niveau. I stedet for kontinuerlige, faste genstande er stof sammensat af udelelige kvantepartikler, der holdes sammen gennem usynlige kræfter, der virker på tværs af tomt rum. Både partiklerne selv og kræfterne kan beskrives ved en underliggende struktur: kvantefelter, der beskriver alt, hvad vi ved om alle partikler og antipartikler i standardmodellen. Men er disse kvantefelter virkelige? Og hvad fortæller de os? Det er, hvad Patreon-supporter Aaron Vaiss ønsker at vide, som han spørger:
jeg ville være meget interesseret i et indlæg om kvantefelter. Er de generelt/universelt antaget at være virkelige og det mest grundlæggende aspekt af vores univers eller bare en matematisk konstruktion? Jeg har læst, at der er 24 grundlæggende kvantefelter: 12 felter for fermioner og 12 for bosoner. Men jeg har også læst om kvantefelter for atomer, molekyler osv. Hvordan fungerer det? Kommer alt ud af disse 24 felter og deres interaktioner?
lad os starte med, hvad et kvantefelt faktisk er.
attendant fields, viser, hvordan selvom det er lavet af punktlignende kvarker og gluoner, har det en endelig, betydelig størrelse, der stammer fra samspillet mellem kvantekræfterne og felterne inde i det. Protonen er i sig selv en sammensat, ikke grundlæggende kvantepartikel. Brookhaven National Laboratory
i fysik beskriver et felt generelt, hvad universets ejendom er overalt i rummet. Det skal have en størrelse: et beløb, som feltet er til stede. Det kan eller måske ikke have en retning forbundet med det; nogle felter gør, som elektriske felter, nogle gør det ikke, som spændingsfelter. Da alt, hvad vi havde, var klassiske felter, sagde vi, at felterne skal have en slags kilde, som partikler, hvilket resulterer i de felter, der findes overalt i rummet.
i kvantefysik er denne tilsyneladende selvindlysende kendsgerning imidlertid ikke længere sand. Mens klassisk fysik definerer mængder som position og momentum som Egenskaber for en partikel, og disse egenskaber ville generere et tilsvarende felt, behandler kvantefysik dem forskelligt. I stedet for mængder bliver position og momentum (blandt andre mængder) nu operatører, som giver os mulighed for at udlede al den kvante underlighed, du har hørt så meget om.
teoretiske fysikere, det muonmagnetiske øjeblik er beregnet op til fem-loop rækkefølge. De teoretiske usikkerheder er nu på niveau med kun en del ud af to milliarder. Dette er en enorm præstation, der kun kan foretages i sammenhæng med kvantefeltteori. 2012 American Physical Society
en mængde som en elektron har ikke længere en veldefineret position eller momentum, men snarere en bølgefunktion, der beskriver sandsynlighedsfordelingen for alle mulige positioner og momenta.
du har måske hørt disse ord før, men har du nogensinde tænkt over, hvad det egentlig betyder?
det betyder, at elektronen slet ikke er en partikel. Det er ikke noget, du kan sætte fingeren på og erklære, “elektronen er her, bevæger sig med denne særlige hastighed i denne særlige retning.”Du kan kun angive, hvad de samlede egenskaber i gennemsnit er af det rum, hvor elektronen eksisterer.
forholdet mellem position og momentum. Når den ene er kendt mere præcist, er den anden i sagens natur mindre i stand til at være kendt nøjagtigt. Commons bruger Maschen
det lyder ikke meget partikel-lignende, gør det? Faktisk lyder det mere feltlignende: noget af universets ejendom overalt i rummet. Det skyldes, at kvantefelter i kvantefeltteori ikke genereres af materie. I stedet er det, vi fortolker som” materie”, i sig selv et kvantefelt.
og disse kvantefelter består i sig selv af partikler.
- det elektromagnetiske felt? Lavet af partikler kaldet fotoner.
- det stærke atomfelt, der holder protoner og neutroner sammen? Består af partikler kaldet gluoner.
- det svage atomfelt, der er ansvarlig for radioaktive henfald? Lavet af partikler kaldet bosoner.
- selv gravitationsfeltet, hvis vi forsøger at formulere en kvanteversion af tyngdekraften? Lavet af partikler kaldet gravitoner.
ja, selv de gravitationsbølger, som LIGO opdagede, så glatte og kontinuerlige som de syntes, skulle være lavet af individuelle kvantepartikler.
skiftevis udvide og komprimere rummet i indbyrdes vinkelrette retninger, defineret af gravitationsbølgens polarisering. Gravitationsbølger selv, i en kvanteteori om tyngdekraften, bør være lavet af individuelle kvanta af gravitationsfeltet: gravitoner. M. P Kristssel / Einstein Online
grunden til, at vi kan bruge disse udtryk for partikler og felter ombytteligt, i Kft, er fordi kvantefelterne selv koder for al information til alt. Har en partikel og antipartikel udslettende? Det er beskrevet af lige og modsatte Ophidselser af et kvantefelt. Vil du beskrive den spontane oprettelse af partikel-antipartikelpar af partikler? Det skyldes også Ophidselser af et kvantefelt.
partikel/antipartikelpar springer ud af kvantevakuumet i meget små mængder tid som følge af Heisenberg usikkerhed. Derek B. Selv partikler selv, som elektroner, er bare spændte tilstande af et kvantefelt. Hver partikel i universet, som vi forstår det, er en krusning eller ophidselse eller bundt af energi af det underliggende kvantefelt. Dette gælder for kvarkerne, gluonerne, Higgs bosonen og for alle de andre partikler i standardmodellen.
for tre af de fire kræfter (undtagen tyngdekraften), den fulde pakke af opdagede partikler og alle deres interaktioner. Om der er yderligere partikler og / eller interaktioner, der kan opdages med colliders, vi kan bygge på jorden, er et diskutabelt emne, men vi kender kun svaret på, hvis vi udforsker forbi den kendte energigrænse. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
så hvor mange grundlæggende kvantefelter er der? Det afhænger af, hvordan man ser på teorien. I den simpleste kvantefelt, der beskriver vores virkelighed, er kvanteelektrodynamikken Julian Schvinger, Shinichiro Tomonaga og Richard Feynman kun to kvantefelter: det elektromagnetiske felt og elektronfeltet. De interagerer; de overfører energi og momentum og vinkelmoment; Ophidselser skabes og ødelægges. Enhver ophidselse, der er mulig, har en omvendt ophidselse, der også er mulig, hvorfor denne teori indebærer eksistensen af positroner (antimaterielle modstykker af elektroner). Derudover findes fotoner også som partikelækvivalenter af det elektromagnetiske felt.
når vi tager alle de kræfter, vi forstår, dvs.ikke inklusive tyngdekraften, og skriver ned KVFT-versionen af dem, kommer vi til forudsigelserne af standardmodellen.
modellen er nu alle blevet direkte detekteret, med den sidste holdout, Higgs Boson, der faldt på LHC tidligere i dette årti. Alle disse partikler kan skabes ved LHC-energier, og partiklernes masser fører til grundlæggende konstanter, der er absolut nødvendige for at beskrive dem fuldt ud. Disse partikler kan beskrives godt af fysikken i kvantefeltteorierne, der ligger til grund for standardmodellen. E. Siegel / ud over galaksen
det er her ideen om 12 fermionfelter og 12 bosonfelter kommer fra. Disse felter er Ophidselser af de underliggende teorier (standardmodellen), der beskriver det kendte univers i sin helhed og inkluderer:
- de seks (op, ned, mærkelige, charme, bund, top) kvarker og deres antikvarske modstykker,
- de tre ladede (elektron, muon, tau) og tre neutrale (elektronneutrino, muon neutrino, tau neutrino) leptoner og deres antimaterielle modstykker,
- de otte gluoner (på grund af de otte mulige farvekombinationer),
- de to svage bosoner,
- den ene elektromagnetiske (foton) boson,
- og Higgs bosonen.
kvarkerne og leptonerne er fermioner, hvorfor de har antimaterielle modstykker, og V-bosonen kommer i to lige og modsatte Sorter (positivt og negativt ladet), men alt sagt er der 24 unikke, grundlæggende Ophidselser af kvantefelter mulige. Det er her ideen om” 24 felter ” kommer fra.
forskellige kvantetilstande. Mens tre kvantetal kunne forklare meget, skal’ spin ‘ tilføjes for at forklare det periodiske system og antallet af elektroner i orbitaler for hvert atom. Commons
så hvad med komplekse systemer, så som protoner, atomer, molekyler og meget mere? Du er nødt til at forstå, at ligesom de 24 felter faktisk er Ophidselser af den underliggende kvalitet, der beskriver vores fysiske virkelighed, er disse komplekse systemer mere end bare kombinationer af disse felter sammensat i en stabil eller kvasi-stabil bundet tilstand.
i stedet er det mere præcist at se hele universet som et kompliceret kvantefelt, der i sig selv indeholder al fysik. Kvantefelter kan beskrive et vilkårligt stort antal partikler, der interagerer på alle måder, som vores teorier kan tænkes at tillade. Og de gør dette ikke i et vakuum af tomt rum, men midt i en baggrund af ikke-så-tomt rum, som også spiller efter reglerne.
beregning, der viser virtuelle partikler i kvantevakuumet. (Specielt for de stærke interaktioner.) Selv i tomt rum er denne vakuumenergi ikke-nul. Derek Leinviber
partikler, antipartikler og alle slags Ophidselser af markerne bliver konstant skabt og ødelagt. Virkeligheden er fundamentalt forskellig fra vores klassiske billede af et glat, kontinuerligt, veldefineret univers. Selvom det er rigtigt, at disse kvantefelter begyndte som en matematisk konstruktion, beskriver de vores fysiske, observerbare virkelighed mere præcist end nogen anden teori, vi har sammensat. De giver os mulighed for at lave utroligt præcise forudsigelser om, hvad resultaterne af ethvert eksperiment, der involverer standardmodelens kvanta, vil give: forudsigelser, der er blevet bekræftet af hvert eksperiment, der er følsomt nok til at teste dem.
universet er muligvis ikke et intuitivt sted, men så vidt enhver fysisk teori kan kalde sig reflekterende over virkeligheden, har Kft ingen lige med hensyn til sin magt. Så længe fysik forbliver en eksperimentel videnskab, vil dette være den standard, som enhver kandidatteori skal erstatte.
Send dine Ask Ethan-spørgsmål ind for at starte på gmail dot com!
Følg mig på Facebook. Tjek min hjemmeside eller noget af mit andet arbejde her.