comme composé de mousse quantique, où les fluctuations quantiques sont grandes, variées et importantes sur la plus petite des échelles. Les champs quantiques qui font partie intrinsèque de la nature sont bien définis, mais ne sont pas conformes à nos notions intuitives sur le comportement des particules ou des ondes. NASA/CXC/M.Weiss
L’Univers que nous percevons et que nous voyons, tout autour de nous, n’est pas représentatif de ce qui existe réellement au niveau fondamental. Au lieu d’objets continus et solides, la matière est composée de particules quantiques indivisibles, maintenues ensemble par des forces invisibles qui agissent à travers l’espace vide. Les particules elles-mêmes et les forces peuvent être décrites par une structure sous-jacente: champs quantiques, qui décrivent tout ce que nous savons sur toutes les particules et antiparticules du Modèle standard. Mais ces champs quantiques sont-ils réels ? Et que nous disent-ils ? C’est ce que le partisan de Patreon Aaron Weiss veut savoir, comme il le demande:
Je serais très intéressé par un article sur les champs quantiques. Sont-ils généralement / universellement considérés comme réels et l’aspect le plus fondamental de notre univers ou simplement une construction mathématique? J’ai lu qu’il y a 24 champs quantiques fondamentaux : 12 champs pour les fermions et 12 pour les bosons. Mais j’ai aussi lu sur les champs quantiques pour les atomes, les molécules, etc. Comment ça marche ? Tout émerge-t-il de ces 24 champs et de leurs interactions ?
Commençons par ce qu’est réellement un champ quantique.
champs auxiliaires, montrent comment, même s’il est fait de quarks et de gluons ponctuels, il a une taille finie et substantielle qui résulte de l’interaction des forces quantiques et des champs à l’intérieur. Le proton, lui-même, est une particule quantique composite et non fondamentale. Laboratoire national de Brookhaven
En physique, un domaine, en général, décrit quelle propriété de l’Univers est partout dans l’espace. Il doit avoir une grandeur: une quantité que le champ est présent. Il peut ou non avoir une direction qui lui est associée; certains champs le font, comme les champs électriques, d’autres non, comme les champs de tension. Quand tout ce que nous avions était des champs classiques, nous avons déclaré que les champs devaient avoir une sorte de source, comme des particules, ce qui résultait en des champs existant dans tout l’espace.
En physique quantique, cependant, ce fait apparemment évident n’est plus vrai. Alors que la physique classique définit des quantités comme la position et l’élan comme des propriétés d’une particule, et que ces propriétés généreraient un champ correspondant, la physique quantique les traite différemment. Au lieu de quantités, la position et l’élan (entre autres quantités) deviennent maintenant des opérateurs, ce qui nous permet de déduire toute l’étrangeté quantique dont vous avez tant entendu parler.
physiciens théoriciens, le moment magnétique du muon a été calculé jusqu’à l’ordre de cinq boucles. Les incertitudes théoriques ne sont plus que d’une partie sur deux milliards. C’est une réalisation formidable qui ne peut être réalisée que dans le contexte de la théorie quantique des champs. 2012 American Physical Society
Une quantité comme un électron n’a plus une position ou un élan bien définis, mais plutôt une fonction d’onde qui décrit la distribution de probabilité de toutes les positions et moments possibles.
Vous avez peut-être déjà entendu ces mots, mais avez-vous déjà réfléchi à ce que cela signifie réellement?
Cela signifie que l’électron n’est pas du tout une particule. Ce n’est pas quelque chose sur lequel vous pouvez mettre le doigt et déclarer: « l’électron est ici, se déplaçant avec cette vitesse particulière dans cette direction particulière. »Vous ne pouvez énoncer que les propriétés globales, en moyenne, de l’espace dans lequel l’électron existe.
relation entre la position et l’élan. Lorsque l’un est connu avec plus de précision, l’autre est intrinsèquement moins susceptible d’être connu avec précision. Utilisateur de Wikimedia Commons Maschen
Cela ne ressemble pas à des particules, n’est-ce pas? En fait, cela ressemble plus à un champ: une propriété de l’Univers partout dans l’espace. En effet, dans la théorie quantique des champs (QFT), les champs quantiques ne sont pas générés par la matière. Au lieu de cela, ce que nous interprétons comme « matière » est lui-même un champ quantique.
Et ces champs quantiques, eux-mêmes, sont constitués de particules.
- Le champ électromagnétique? Fait de particules appelées photons.
- Le champ nucléaire fort, qui tient protons et neutrons ensemble? Composé de particules appelées gluons.
- Le champ nucléaire faible, responsable des désintégrations radioactives ? Fait de particules appelées bosons W et Z.
- Même le champ gravitationnel, si nous essayons de formuler une version quantique de la gravité? Fait de particules appelées gravitons.
Oui, même les ondes gravitationnelles détectées par LIGO, aussi lisses et continues qu’elles sont apparues, devraient être constituées de particules quantiques individuelles.
expansion et compression alternées de l’espace dans des directions perpendiculaires les unes aux autres, définies par la polarisation de l’onde gravitationnelle. Les ondes gravitationnelles elles-mêmes, dans une théorie quantique de la gravité, devraient être constituées de quanta individuels du champ gravitationnel: les gravitons. M. Pössel / Einstein Online
La raison pour laquelle nous pouvons utiliser ces termes de particules et de champs de manière interchangeable, en QFT, est que les champs quantiques eux-mêmes codent toutes les informations pour tout. Avez-vous une particule et une antiparticule annihilantes? Cela est décrit par des excitations égales et opposées d’un champ quantique. Vous voulez décrire la création spontanée de paires de particules particules-antiparticules? Cela est également dû aux excitations d’un champ quantique.
les paires particules/antiparticules sortent du vide quantique pendant de très petites quantités de temps en raison de l’incertitude de Heisenberg. Derek D. Leinweber
Même les particules elles-mêmes, comme les électrons, ne sont que des états excités d’un champ quantique. Chaque particule de l’Univers, telle que nous la comprenons, est une ondulation, ou excitation, ou faisceau d’énergie, du champ quantique sous-jacent. Cela est vrai pour les quarks, les gluons, le boson de Higgs et pour toutes les autres particules du Modèle standard.
pour trois des quatre forces (à l’exception de la gravité), la suite complète des particules découvertes et toutes leurs interactions. La question de savoir s’il existe d’autres particules et / ou interactions détectables avec des collisionneurs que nous pouvons construire sur Terre est un sujet discutable, mais nous ne connaîtrons la réponse que si nous explorons au-delà de la frontière énergétique connue. Projet d’éducation en physique contemporaine / DOE / NSF / LBNL
Alors, combien y a-t-il de champs quantiques fondamentaux? Eh bien, cela dépend de la façon dont vous regardez la théorie. Dans le QFT le plus simple qui décrit notre réalité, l’électrodynamique quantique de Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga et Richard Feynman, il n’y a que deux champs quantiques: le champ électromagnétique et le champ électronique. Ils interagissent; ils transfèrent de l’énergie et de l’élan et du moment angulaire; les excitations sont créées et détruites. Chaque excitation qui est possible a une excitation inverse qui est également possible, c’est pourquoi cette théorie implique l’existence de positrons (homologues d’antimatière des électrons). De plus, les photons existent également en tant qu’équivalents de particules du champ électromagnétique.
Lorsque nous prenons toutes les forces que nous comprenons, c’est-à-dire sans compter la gravité, et que nous en notons la version QFT, nous arrivons aux prédictions du Modèle standard.
ont maintenant tous été détectés directement, la dernière retenue, le Boson de Higgs, étant tombée au LHC au début de cette décennie. Toutes ces particules peuvent être créées aux énergies du LHC, et les masses des particules conduisent à des constantes fondamentales qui sont absolument nécessaires pour les décrire pleinement. Ces particules peuvent être bien décrites par la physique des théories quantiques des champs sous-jacentes au Modèle standard. E. Siegel / Au-delà de la Galaxie
C’est de là que vient l’idée de 12 champs de fermions et de 12 champs de bosons. Ces champs sont des excitations des théories sous-jacentes (le Modèle standard) qui décrivent l’Univers connu dans son intégralité et incluent:
- Les six quarks (haut, bas, étrange, charme, bas, haut) et leurs homologues antiquark,
- Les trois leptons chargés (électron, muon, tau) et trois neutres (neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino tau), et leurs homologues antimatières,
- Les huit gluons (en raison des huit combinaisons de couleurs possibles),
- Les deux bosons faibles (W et Z),
- Le seul boson électromagnétique (photon),
- Et le boson de Higgs.
Les quarks et les leptons sont des fermions, c’est pourquoi ils ont des homologues d’antimatière, et le boson W se présente en deux variétés égales et opposées (chargées positivement et négativement), mais en tout, il y a 24 excitations fondamentales uniques de champs quantiques possibles. C’est de là que vient l’idée des « 24 champs « .
variété d’états quantiques. Alors que trois nombres quantiques pourraient expliquer beaucoup de choses, il faut ajouter le « spin » pour expliquer le tableau périodique et le nombre d’électrons dans les orbitales pour chaque atome. PoorLeno/ Wikimedia Commons
Alors qu’en est-il des systèmes complexes, comme les protons, les atomes, les molécules, etc.? Vous devez comprendre que tout comme les 24 champs sont en fait des excitations de la QFT sous-jacente qui décrit notre réalité physique, ces systèmes complexes sont plus que de simples combinaisons de ces champs réunis dans un état lié stable ou quasi stable.
Au lieu de cela, il est plus précis de voir l’Univers entier comme un champ quantique compliqué qui, lui-même, contient toute la physique. Les champs quantiques peuvent décrire un nombre arbitrairement élevé de particules qui interagissent de toutes les manières que nos théories peuvent permettre. Et ils ne le font pas dans un vide d’espace vide, mais dans un arrière-plan d’espace pas si vide, qui joue également selon les règles de la FTQ.
calcul montrant des particules virtuelles dans le vide quantique. (Plus précisément, pour les interactions fortes.) Même dans l’espace vide, cette énergie de vide est non nulle. Derek Leinweber
Les particules, les antiparticules et toutes sortes d’excitations des champs sont constamment créées et détruites. La réalité est fondamentalement différente de notre image classique d’un Univers lisse, continu et bien défini. Bien qu’il soit vrai que ces champs quantiques ont commencé comme une construction mathématique, ils décrivent notre réalité physique observable avec plus de précision que toute autre théorie que nous avons concoctée. Ils nous permettent de faire des prédictions incroyablement précises sur ce que donneront les résultats de toute expérience impliquant les quanta du Modèle standard: des prédictions qui ont été confirmées par chaque expérience suffisamment sensibles pour les tester.
L’Univers n’est peut-être pas un lieu intuitif, mais dans la mesure où toute théorie physique peut se dire réfléchissante de la réalité, la QFT n’a pas d’égal en termes de puissance. Tant que la physique restera une science expérimentale, ce sera la norme que toute théorie candidate devra remplacer.
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