kvanttivaahdosta koostuvana, jossa kvanttivaihtelut ovat suuria, vaihtelevia ja tärkeitä pienimmillä asteikoilla. Kvanttikentät, jotka ovat olennainen osa luontoa, ovat hyvin määriteltyjä, mutta eivät vastaa intuitiivisia käsityksiämme siitä, miten hiukkasten tai aaltojen pitäisi käyttäytyä. NASA/CXC / M. Weiss
havaitsemamme ja katselemamme maailmankaikkeus, joka on kaikkialla ympärillämme, ei edusta sitä, mitä on todellisuudessa olemassa perustasolla. Jatkuvien, kiinteiden kappaleiden sijaan aine koostuu jakamattomista kvanttihiukkasista, jotka pysyvät koossa näkymättömissä voimissa, jotka toimivat tyhjässä avaruudessa. Sekä itse hiukkasia että voimia voidaan kuvata taustalla olevalla rakenteella: kvanttikentät, jotka kuvaavat kaikkea mitä tiedämme standardimallin hiukkasista ja antihiukkasista. Mutta ovatko nämä kvanttikentät todellisia? Ja mitä he kertovat meille? Sen Patreonin kannattaja Aaron Weiss haluaa tietää, kuten hän kysyy:
olisin hyvin kiinnostunut postaus noin kvanttikenttiä. Uskovatko ne yleisesti / yleisesti todellisiksi ja universumimme perustavanlaatuisimmaksi piirteeksi vai vain matemaattiseksi konstruktioksi? Olen lukenut, että on 24 perustavaa kvanttikenttää: 12 kenttää fermioneille ja 12 bosoneille. Mutta olen myös lukenut kvanttikentistä atomeille, molekyyleille jne. Miten se toimii? Syntyykö kaikki näistä 24 kentästä ja niiden vuorovaikutuksesta?
aloitetaan siitä, mikä kvanttikenttä todellisuudessa on.
apukentät osoittavat, että vaikka se on tehty pistemäisistä kvarkeista ja gluoneista, sillä on äärellinen, huomattava koko, joka syntyy sen sisällä olevien kvanttivoimien ja kenttien vuorovaikutuksesta. Protoni itsessään on kvanttihiukkanen, joka ei ole perustava. Brookhaven National Laboratory
fysiikassa kenttä yleisesti kuvaa sitä, mitä jokin maailmankaikkeuden ominaisuus on kaikkialla avaruudessa. Sillä on oltava suuruus: määrä, että kenttä on läsnä. Se voi olla tai ei ole suunta liittyy siihen; jotkut kentät, kuten sähkökentät, jotkut eivät, kuten jännitekentät. Kun meillä oli vain klassisia kenttiä, totesimme, että kentillä täytyy olla jonkinlainen lähde, kuten hiukkasia, mikä johtaa siihen, että kentät ovat olemassa kaikkialla avaruudessa.
kvanttifysiikassa tämä näennäisen itsestään selvä tosiasia ei kuitenkaan enää pidä paikkaansa. Siinä missä klassinen fysiikka määrittelee suureet kuten aseman ja liikemäärän hiukkasen ominaisuuksiksi, ja nämä ominaisuudet synnyttäisivät vastaavan kentän, kvanttifysiikka käsittelee niitä eri tavalla. Suureiden sijaan asemasta ja liikemäärästä (muiden suureiden joukossa) tulee nyt operaattoreita, joiden avulla voimme johtaa kaiken sen kvanttihörhöyden, josta olette kuulleet niin paljon.
teoreettisten fyysikoiden mukaan muonin magneettinen momentti on laskettu jopa viiden silmukan järjestykseen. Teoreettiset epävarmuustekijät ovat nyt vain yhden osan tasolla kahdesta miljardista. Tämä on valtava saavutus, joka voidaan tehdä vain yhteydessä Kvanttikenttäteoria. 2012 American Physical Society
elektronin kaltaisella suureella ei ole enää tarkoin määriteltyä asemaa tai liikemäärää, vaan aaltofunktio, joka kuvaa todennäköisyysjakaumaa kaikille mahdollisille paikoille ja momentalle.
olet ehkä kuullut nämä sanat aiemmin, mutta oletko koskaan ajatellut, mitä se oikeastaan tarkoittaa?
se tarkoittaa, että elektroni ei ole hiukkanen lainkaan. Se ei ole asia, johon voi laittaa sormensa ja julistaa: ”elektroni on tässä, liikkuu tällä tietyllä nopeudella tähän tiettyyn suuntaan.”Voidaan vain todeta, mitkä ovat keskimäärin sen tilan kokonaisominaisuudet, jossa elektroni on olemassa.
asennon ja liikemäärän suhde. Kun toinen tunnetaan tarkemmin, toinen on luonnostaan kykenemättömämpi tuntemaan tarkasti. Wikimedia Commons user Maschen
tuo ei kuulosta kovin hiukkasmaiselta, eihän? Itse asiassa tuo kuulostaa kenttämäisemmältä: joltain kaikkeuden omaisuudelta kaikkialla avaruudessa. Tämä johtuu siitä, että kvanttikenttäteoriassa (QFT) kvanttikenttiä ei synny Materiasta. Sen sijaan se, mitä tulkitsemme ”materiaksi”, on itsessään kvanttikenttä.
ja nämä kvanttikentät itsessään koostuvat hiukkasista.
- sähkömagneettinen kenttä? Se koostuu hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi.
- vahva ydinkenttä, joka pitää protonit ja neutronit koossa? Se koostuu gluoneiksi kutsutuista hiukkasista.
- heikko ydinkenttä, joka on vastuussa radioaktiivisesta hajoamisesta? Se koostuu hiukkasista, joita kutsutaan W-ja-Z-bosoneiksi.
- jopa gravitaatiokenttä, jos yritämme muotoilla gravitaatiosta kvanttiversion? Se on tehty gravitoneiksi kutsutuista hiukkasista.
kyllä, jopa ligon havaitsemien gravitaatioaaltojen, niin tasaisia ja jatkuvia kuin ne näyttivätkin, tulisi koostua yksittäisistä kvanttihiukkasista.
vuorotellen avaruus laajenee ja tiivistyy toisiinsa nähden kohtisuoraan suuntaan, jota määrittelee gravitaatioaallon polarisaatio. Gravitaatioaallot itsessään pitäisi painovoiman kvanttiteoriassa koostua gravitaatiokentän yksittäisistä kvanteista: gravitoneista. M. Pössel / Einstein Online
syy, miksi voimme käyttää näitä partikkelien ja kenttien termejä vaihdellen, QFT: ssä, on se, että kvanttikentät itse koodaavat kaiken informaation kaikelle. Hiukkanen ja antihiukkanen tuhoutuvat? Sitä kuvaavat kvanttikentän yhtäläiset ja vastakkaiset eksitaatiot. Haluatko kuvata partikkeli-antihiukkasparien spontaania muodostumista? Se johtuu myös kvanttikentän eksitaatioista.
hiukkas – / antihiukkasparit poksahtavat kvanttityhjiöstä hyvin vähäksi aikaa Heisenbergin epävarmuuden seurauksena. Tri Derek B. Leinweber
jopa itse hiukkaset, kuten elektronit, ovat vain kvanttikentän jännittyneitä tiloja. Jokainen hiukkanen maailmankaikkeudessa, kuten ymmärrämme, on aaltoilu, tai heräte, tai nippu-energia, taustalla kvanttikentän. Tämä pätee kvarkeille, gluoneille, Higgsin bosonille ja kaikille muille standardimallin hiukkasille.
kolme neljästä voimasta (painovoimaa lukuun ottamatta), koko löydettyjen hiukkasten sarja ja kaikki niiden vuorovaikutukset. On kiistanalaista, löytyykö maahan törmääjien kanssa uusia hiukkasia ja/tai vuorovaikutuksia, mutta tiedämme vastauksen vain, jos tutkimme tunnetun energiarajan ohi. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
joten kuinka monta perustavaa kvanttikenttää on olemassa? Riippuu teoriasta. Yksinkertaisimmassa todellisuutta kuvaavassa QFT: ssä, Julian Schwingerin, Shinichiro Tomonagan ja Richard Feynmanin kvanttielektrodynamiikassa, on vain kaksi kvanttikenttää: sähkömagneettinen kenttä ja elektronikenttä. Ne vuorovaikuttavat; ne siirtävät energiaa ja liikemäärä ja kulmamomentti; excitaatioita syntyy ja tuhoutuu. Jokainen mahdollinen eksitaatio on käänteinen eksitaatio, joka on myös mahdollinen, minkä vuoksi tämä teoria viittaa positronien (elektronien antimateriakomponenttien) olemassaoloon. Lisäksi fotoneja on olemassa myös sähkömagneettisen kentän hiukkasvastineina.
kun otamme kaikki ymmärtämämme voimat eli painovoimaa lukuun ottamatta ja kirjoitamme niistä QFT-version, päädymme standardimallin ennusteisiin.
malli on nyt kaikki havaittu suoraan, ja viimeinen holdout, Higgsin bosoni, putosi LHC: ssä aiemmin tällä vuosikymmenellä. Kaikki nämä hiukkaset voidaan luoda LHC-energioilla, ja hiukkasten massat johtavat perusvakioihin, jotka ovat ehdottoman välttämättömiä niiden täydelliselle kuvaamiselle. Näitä hiukkasia voidaan hyvin kuvata standardimallin taustalla olevien kvanttikenttäteorioiden fysiikalla. E. Siegel / Beyond the Galaxy
tästä on peräisin ajatus 12 fermionikentästä ja 12 bosonikentästä. Nämä kentät ovat excitaatioita taustalla olevista teorioista (standardimalli), jotka kuvaavat tunnettua maailmankaikkeutta kokonaisuudessaan, ja sisältävät:
- kuusi (ylös, alas, outo, charmi, alhaalta, ylhäältä) kvarkkia ja niiden antikvarkkikollegat,
- kolme varautunutta (elektroni, muoni, tau) ja kolme neutraalia (elektronineutriino, myonineutriino, tau-neutriino) leptonia ja niiden antimateriakollegat,
- kahdeksan gluonia (kahdeksan mahdollisen väriyhdistelmän vuoksi),
- kaksi heikkoa (W-ja-Z) bosonia,
- yksi sähkömagneettinen (fotoni) bosoni,
- ja Higgsin bosoni.
kvarkit ja leptonit ovat fermioneja, minkä vuoksi niillä on antimateriakomponentteja, ja W-bosonilla on kaksi yhtä ja vastakkaista muunnosta (positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet), mutta kaiken kaikkiaan kvanttikenttien ainutlaatuisia, perustavanlaatuisia excitaatioita on 24 mahdollista. Tästä ”24 kenttää” – idea tulee.
erilaisia kvanttitiloja. Vaikka kolme kvanttilukua voisi selittää paljon, ”spin” on lisättävä selittämään Jaksollinen järjestelmä ja elektronien määrä orbitaaleissa kunkin atomin. Pourleno / Wikimedia Commons
joten entä kompleksiset systeemit, kuten protonit, atomit, molekyylit ja muut? Sinun on ymmärrettävä, että aivan kuten 24 kenttää ovat itse asiassa fyysisen todellisuutemme kuvaavan QFT: n eksitaatioita, nämä monimutkaiset systeemit ovat enemmän kuin vain näiden kenttien yhdistelmiä, jotka on koottu johonkin vakaaseen tai kvasivakaaseen sidottuun tilaan.
sen sijaan on tarkempaa tarkastella koko maailmankaikkeutta monimutkaisena kvanttikenttänä, joka itsessään sisältää kaiken fysiikan. Kvanttikentät voivat kuvata mielivaltaisen suurta määrää hiukkasia, jotka vuorovaikuttavat kaikilla teorioidemme mahdollisilla tavoilla. Ja he eivät tee tätä jossain tyhjiössä, vaan ei-niin-tyhjän tilan taustalla, joka pelaa myös QFT: n säännöillä.
laskelma, joka osoittaa virtuaalihiukkasia kvanttityhjiössä. (Erityisesti vahvoille vuorovaikutuksille.) Tyhjässäkin avaruudessa tämä tyhjiöenergia on ei-nolla. Derek Leinweber
hiukkasia, antipartikkeleita ja kaikenlaisia kenttien eksitaatioita syntyy ja tuhoutuu jatkuvasti. Todellisuus eroaa olennaisesti klassisesta kuvauksestamme tasaisesta, jatkuvasta, hyvin määritellystä maailmankaikkeudesta. Vaikka on totta, että nämä kvanttikentät alkoivat matemaattisena konstruktiona, ne kuvaavat fyysistä, havaittavaa todellisuuttamme tarkemmin kuin mikään muu teoria, jonka olemme keksineet. Niiden avulla voimme tehdä uskomattoman tarkkoja ennusteita siitä, mitä standardimallin kvanttia sisältävien kokeiden tulokset tuottavat: ennusteita, joita jokainen koe, joka on riittävän herkkä testaamaan niitä, on vahvistanut.
kaikkeus ei ehkä ole intuitiivinen paikka, mutta sikäli kuin mikä tahansa fysikaalinen teoria voi kutsua itseään todellisuuden heijastavaksi, QFT: llä ei ole voimiensa puolesta vertaista. Niin kauan kuin fysiikka pysyy kokeellisena tieteenä, tämä on se standardi, joka minkä tahansa kandidaattiteorian on korvattava.
lähetä Kysy Ethanilta-kysymyksesi gmail dot comissa sijaitsevaan startwithabangiin!
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu sivustooni tai joihinkin muihin töihini täällä.