kvantumhabból áll, ahol a kvantumingadozások nagyok, változatosak és a legkisebb skálán is fontosak. A természet belső részét képező kvantummezők jól meghatározottak, de nem felelnek meg intuitív elképzeléseinknek arról, hogy a részecskéknek vagy a hullámoknak hogyan kell viselkedniük. NASA/CXC / M. Weiss
a körülöttünk lévő univerzum, amelyet észlelünk és látunk, nem reprezentálja azt, ami valójában létezik egy alapvető szinten. A folytonos, szilárd tárgyak helyett az anyag oszthatatlan kvantumrészecskékből áll, amelyeket láthatatlan erők tartanak össze, amelyek az üres térben hatnak. Mind a részecskék, mind az erők leírhatók egy mögöttes szerkezettel: kvantummezők, amelyek leírnak mindent, amit a Standard modell összes részecskéjéről és antirészecskéjéről tudunk. De ezek a kvantummezők valóságosak? És mit mondanak nekünk? Aaron Weiss, a Patreon támogatója ezt akarja tudni, ahogy kérdezi:
nagyon érdekelne egy bejegyzés a kvantummezőkről. Általánosan / általánosan úgy gondolják, hogy valóságosak és univerzumunk legalapvetőbb aspektusai, vagy csak matematikai konstrukció? Olvastam, hogy 24 alapvető kvantumtér van: 12 mező a fermionoknak és 12 a bozonoknak. De olvastam az atomok, molekulák stb. kvantummezőiről is. Ez hogy működik? Minden ebből a 24 mezőből és azok kölcsönhatásaiból származik?
kezdjük azzal, hogy mi is valójában a kvantummező.
kísérő mezők, mutasd meg, hogy bár pontszerű kvarkokból és gluonokból áll, véges, jelentős mérete van, ami a benne lévő kvantumerők és mezők kölcsönhatásából származik. Maga a proton összetett, nem alapvető kvantumrészecske. Brookhaven Nemzeti Laboratórium
a fizikában egy mező általában leírja, hogy az univerzum bizonyos tulajdonságai mindenütt az űrben vannak. Nagyságrenddel kell rendelkeznie: olyan összeggel, amelyet a mező jelen van. Lehet, hogy nincs hozzá kapcsolódó iránya; egyes mezők igen, mint az elektromos mezők, mások nem, mint a feszültség mezők. Amikor csak klasszikus mezők voltak, kijelentettük, hogy a mezőknek valamilyen forrással kell rendelkezniük, mint a részecskék, ami azt eredményezi, hogy a mezők az egész térben léteznek.
a kvantumfizikában azonban ez a látszólag magától értetődő tény már nem igaz. Míg a klasszikus fizika olyan mennyiségeket határoz meg, mint a pozíció és a lendület, mint egy részecske tulajdonságai, és ezek a tulajdonságok megfelelő mezőt generálnának, a kvantumfizika másképp kezeli őket. A mennyiségek helyett a pozíció és a lendület (más mennyiségek mellett) operátorokká válnak, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy levezetjük az összes kvantum furcsaságot, amiről oly sokat hallottál.
elméleti fizikusok, a müon mágneses Momentumot öt hurokrendre számították ki. Az elméleti bizonytalanságok most csak egy rész kétmilliárd szintjén vannak. Ez egy óriási eredmény, amelyet csak a kvantumtérelmélet összefüggésében lehet elérni. 2012 American Physical Society
az elektronhoz hasonló mennyiségnek már nincs jól meghatározott pozíciója vagy lendülete, hanem egy hullámfüggvénye, amely leírja az összes lehetséges pozíció és Momentum valószínűségi eloszlását.
lehet, hogy már hallotta ezeket a szavakat, de gondolt már arra, hogy ez valójában mit jelent?
ez azt jelenti, hogy az elektron egyáltalán nem részecske. Ez nem olyasmi, amire ráteheted az ujjad és kijelentheted: “az elektron itt van, ezzel a különleges sebességgel mozog ebben az irányban.”Csak azt lehet megállapítani, hogy átlagosan milyen általános tulajdonságai vannak annak a térnek, amelyben az elektron létezik.
kapcsolat a pozíció és a lendület között. Ha az egyik pontosabban ismert, a másik eredendően kevésbé képes pontosan megismerni. Wikimedia Commons felhasználó Maschen
ez nem hangzik túl részecskeszerűnek, ugye? Valójában ez inkább mezőszerűnek hangzik: az univerzum valamilyen tulajdonsága mindenütt az űrben. Ez azért van, mert a kvantumtérelméletben (QFT) a kvantummezőket nem az anyag generálja. Ehelyett, amit “anyagként” értelmezünk, maga is kvantum mező.
és ezek a kvantummezők maguk is részecskékből állnak.
- az elektromágneses mező? Fotonoknak nevezett részecskékből készült.
- az erős nukleáris mező, amely protonokat és neutronokat tart össze? Gluonoknak nevezett részecskékből áll.
- a gyenge nukleáris mező, felelős a radioaktív bomlásokért? W-és Z-bozonoknak nevezett részecskékből áll.
- még a gravitációs mező is, ha megpróbáljuk megfogalmazni a gravitáció kvantum változatát? Gravitonoknak nevezett részecskékből áll.
igen, még a LIGO által észlelt gravitációs hullámoknak is, olyan sima és folyamatos, mint amilyennek látszottak, egyedi kvantumrészecskékből kell készülniük.
váltakozva táguló és tömörítő tér egymásra merőleges irányban, amelyet a gravitációs hullám polarizációja határoz meg. Magukat a gravitációs hullámokat a gravitáció kvantumelméletében a gravitációs mező egyedi kvantumaiból kell készíteni: gravitonokból. M. P Xhamssel / Einstein online
az ok, amiért ezeket a részecskéket és mezőket felcserélhetően használhatjuk a QFT-ben, az az, hogy a kvantummezők maguk kódolják az összes információt. Egy részecske és egy antirészecske megsemmisül? Ezt egy kvantummező egyenlő és ellentétes gerjesztései írják le. Szeretné leírni a részecske-antirészecske Párok spontán létrehozását? Ez egy kvantummező gerjesztésének is köszönhető.
részecske / antirészecske pár a Heisenberg-bizonytalanság következtében nagyon kis időre kiugrik a kvantumvákuumból. Derek B. Leinweber
még a részecskék is, mint az elektronok, csak egy kvantummező gerjesztett állapotai. Az Univerzum minden részecskéje, ahogy mi értjük, a mögöttes kvantummező hullámzása, gerjesztése vagy energiacsomaga. Ez igaz a kvarkokra, a gluonokra, a Higgs-bozonra és a Standard modell összes többi részecskéjére.
a négy erő közül hármat (kivéve a gravitációt), a felfedezett részecskék teljes körét és minden kölcsönhatásukat. Az, hogy vannak-e további részecskék és/vagy kölcsönhatások, amelyek felfedezhetők a földön építhető ütközőkkel, vitatható téma, de csak akkor tudjuk meg a választ, ha felfedezzük az ismert energiahatárt. Kortárs fizika oktatási projekt / DOE / NSF / LBNL
tehát hány alapvető kvantummező létezik? Nos, ez attól függ, hogy nézzük az elméletet. A valóságunkat leíró legegyszerűbb QFT-ben, Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga és Richard Feynman kvantumelektrodinamikájában csak két kvantumtér van: az elektromágneses mező és az elektron mező. Kölcsönhatásba lépnek; energiát, lendületet és szögmozgást adnak át; gerjesztések jönnek létre és pusztulnak el. Minden lehetséges gerjesztésnek van egy fordított gerjesztése, amely szintén lehetséges, ezért ez az elmélet feltételezi a pozitronokat (elektronok antianyag-megfelelői). Ezenkívül a fotonok is léteznek, mint az elektromágneses mező részecske ekvivalensei.
amikor vesszük az összes megértett erőt, azaz a gravitációt nem számítva, és leírjuk azok QFT változatát, akkor eljutunk a Standard modell előrejelzéseihez.
modell most már minden közvetlenül kimutatható, az utolsó holdout, a Higgs-bozon, esik az LHC korábban ebben az évtizedben. Mindezek a részecskék LHC energiákon hozhatók létre, és a részecskék tömege alapvető állandókhoz vezet, amelyek feltétlenül szükségesek a teljes leírásukhoz. Ezeket a részecskéket jól leírhatja a standard modell alapjául szolgáló kvantumtér-elméletek fizikája. E. Siegel / a galaxison túl
innen származik a 12 fermionmező és 12 bozonmező ötlete. Ezek a mezők az alapul szolgáló elméletek (a Standard modell) gerjesztései, amelyek az ismert univerzumot teljes egészében leírják, és magukban foglalják:
- a hat (fel, le, furcsa, báj, alsó, felső) kvark és antikvark társaik,
- a három töltött (elektron, müon, tau) és három semleges (elektron-neutrínó, müon-neutrínó, tau-neutrínó) leptonok és antianyag-társaik,
- a nyolc gluon (a nyolc lehetséges színkombináció miatt),
- a két gyenge (w-és-Z) bozon,
- az egyetlen elektromágneses (foton) bozon,
- és a Higgs-bozon.
a kvarkok és leptonok fermionok, ezért vannak antianyag-társaik, és a W bozon két egyenlő és ellentétes változatban (pozitív és negatív töltésű) jön létre, de mindent összevetve, 24 egyedi, alapvető kvantummezők gerjesztése lehetséges. Innen származik a” 24 mező ” ötlet.
különböző kvantumállapotok. Míg három kvantumszám sok mindent megmagyarázhat, a’ spin ‘ – et hozzá kell adni a periódusos rendszer és az egyes atomok pályáin lévő elektronok számának magyarázatához. PoorLeno / Wikimedia Commons
tehát mi a helyzet a komplex rendszerekkel, például protonokkal, atomokkal, molekulákkal és így tovább? Meg kell értened, hogy ahogy a 24 mező valójában az alapul szolgáló QFT gerjesztése, amely leírja fizikai valóságunkat, ezek a komplex rendszerek nem csupán ezeknek a mezőknek a kombinációi, amelyeket valamilyen stabil vagy kvázi-stabil kötött állapotba raknak össze.
ehelyett pontosabb az egész univerzumot bonyolult kvantummezőnek tekinteni, amely magában foglalja az összes fizikát. A kvantummezők tetszőlegesen nagy számú részecskét írhatnak le, amelyek minden olyan módon kölcsönhatásba lépnek, amelyet elméleteink elképzelhetően megengedhetnek. És ezt nem az üres tér vákuumában teszik, hanem a nem annyira üres tér hátterében, amely szintén a QFT szabályai szerint játszik.
számítás, amely virtuális részecskéket mutat a kvantum vákuumban. (Különösen az erős interakciók miatt.) Még üres térben is ez a vákuumenergia nem nulla. Derek Leinweber
részecskék, antirészecskék és a mezők mindenféle gerjesztése folyamatosan létrejön és megsemmisül. A valóság alapvetően különbözik a sima, folyamatos, jól meghatározott univerzum klasszikus képétől. Bár igaz, hogy ezek a kvantummezők matematikai konstrukcióként kezdődtek, pontosabban írják le fizikai, megfigyelhető valóságunkat, mint bármely más elmélet, amelyet kitaláltunk. Lehetővé teszik számunkra, hogy hihetetlenül pontos előrejelzéseket készítsünk arról, hogy a Standard modell kvantumait magában foglaló kísérletek eredményei milyen eredményeket hoznak: olyan előrejelzéseket, amelyeket minden olyan kísérlet alátámasztott, amely elég érzékeny ahhoz, hogy tesztelje őket.
lehet, hogy az univerzum nem intuitív hely, de amennyire bármely fizikai elmélet a valóság tükrözésének nevezheti magát, a QFT-nek nincs egyenlő ereje. Amíg a fizika kísérleti tudomány marad, ez lesz az a szabvány, amelyet minden jelölt elméletnek felül kell írnia.
küldje el az Ask Ethan kérdéseket a startswithabang-nak a gmail dot com-on!
Kövess engem a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.