量子泡からなるものとして、量子ゆらぎが大きく、変化し、最小のスケールで重要である。 自然の本質的な部分である量子場は明確に定義されていますが、粒子や波がどのように振る舞うべきかという直感的な概念には適合しません。 NASA/Cxc/M.ワイス
私たちが知覚し、見ている宇宙は、私たちの周りのすべてで、実際に基本的なレベルで存在するものを代表するものではありません。 連続した固体の物体の代わりに、物質は不可分の量子粒子で構成され、空の空間を横切って作用する目に見えない力によって一緒に保持されます。 粒子自体と力の両方は、基礎となる構造によって記述することができます: 標準モデルのすべての粒子と反粒子について私たちが知っているすべてを記述する量子場。 しかし、これらの量子場は本当ですか？ そして、彼らは私たちに何を教えてくれますか？ それはPatreonのサポーター Aaron Weissが知りたいことです。:
私は量子場についての投稿に非常に興味があります。 それらは一般的に/普遍的に現実であり、私たちの宇宙の最も基本的な側面であると信じられていますか、それとも単に数学的な構造ですか？ 私は24の基本的な量子場があることを読んだ：フェルミオンのための12の場とボソンのための12。 しかし、私は原子、分子などの量子場についても読んだことがあります。 それはどのように動作しますか？ これらの24の分野とその相互作用からすべてが出てくるのでしょうか？
量子場が実際に何であるかから始めましょう。
付随体は、それが点のようなクォークとグルーオンから作られているにもかかわらず、量子力とその中の場の相互作用から生じる有限で実質的な大きさを持っていることを示しています。 陽子自体は、基本的な量子粒子ではなく複合粒子です。 Brookhaven National Laboratory
物理学では、一般的に、ある分野は、宇宙のある性質が宇宙のどこにでもあるかを記述しています。 それは大きさを持っている必要があります：フィールドが存在する量。 それはそれに関連付けられた方向を持っていてもいなくてもよいです; いくつかのフィールドは、電界のように、いくつかは、電圧フィールドのように、しません。 私たちが持っていたすべてが古典的な場であったとき、私たちは、場が粒子のようなある種の源を持たなければならないと述べ、その結果、場は宇宙全体に存在することになると述べました。しかし、量子物理学では、この一見自明な事実はもはや真実ではありません。 古典物理学は粒子の性質として位置や運動量のような量を定義し、それらの特性は対応する場を生成するのに対し、量子物理学はそれらを異なって 量の代わりに、位置と運動量（他の量の中でも）が演算子になり、あなたが聞いたことのあるすべての量子の奇妙さを導き出すことができます。
理論物理学者は、ミューオンの磁気モーメントは五ループオーダーまで計算されています。 理論的な不確実性は現在、20億分の1のレベルにあります。 これは、場の量子論の文脈でしかできない驚異的な成果です。 2012American Physical Society
電子のような量は、もはや明確に定義された位置や運動量ではなく、すべての可能な位置と運動量の確率分布を記述する波動関数を持つ。
これらの言葉は以前に聞いたことがあるかもしれませんが、それが実際に何を意味するのか考えたことはありますか？
それは電子が全く粒子ではないことを意味します。 それはあなたが指を置いて宣言することができるものではありません、”電子はここにあり、この特定の方向にこの特定の速度で動いています。「あなたは、電子が存在する空間の全体的な特性が平均して何であるかを述べることしかできません。
位置と運動量の関係。 一方がより正確に知られている場合、他方は本質的に正確に知ることができない。 ウィキメディア-コモンズのユーザー Maschen
それはあまり粒子のように聞こえませんか？ 実際には、それはよりフィールドのように聞こえる：宇宙のどこにでも宇宙のいくつかのプロパティ。 それは、量子場理論（QFT）では、量子場は物質によって生成されないからです。 代わりに、私たちが「物質」と解釈するのはそれ自体が量子場です。
そして、これらの量子場は、それ自体が粒子で構成されています。
- 電磁場は？ 光子と呼ばれる粒子でできています
- 陽子と中性子を一緒に保持している強い核のフィールド？ グルオンと呼ばれる粒子で構成されています
- 放射性崩壊の原因となる弱い核分野？ W-と-Zボソンと呼ばれる粒子で作られています。
- 重力場でさえ、重力の量子バージョンを定式化しようとすると？ 重力子と呼ばれる粒子でできています
はい、LIGOが検出した重力波でさえ、現れたように滑らかで連続的なものであっても、個々の量子粒子で作られるべきです。
重力波の偏光によって定義される、相互に垂直な方向に空間を交互に拡大および圧縮する。 重力波自体は、重力の量子論では、重力場の個々の量子、すなわち重力子で作られるべきである。 M.Pössel/Einstein Online
QFTでこれらの粒子と場の用語を交換可能に使用できる理由は、量子場自体がすべての情報をエンコードするためです。 粒子と反粒子の消滅を持っていますか？ これは、量子場の等しい反対の励起によって記述されます。 粒子の粒子-反粒子ペアの自発的な作成を記述したいですか？ それは量子場の励起によるものでもあります。
粒子/反粒子のペアは、ハイゼンベルクの不確実性の結果として、非常に少量の時間のために量子真空から飛び出します。 デレク-B Leinweber
電子のような粒子そのものでさえ、量子場の励起状態に過ぎません。 私たちが理解しているように、宇宙のすべての粒子は、基礎となる量子場のリップル、または励起、またはエネルギーの束です。 これは、クォーク、グルーオン、ヒッグス粒子、および標準モデルの他のすべての粒子に当てはまります。
4つの力（重力を除く）のうちの3つ、発見された粒子の完全なスイート、およびそれらのすべての相互作用について。 私たちが地球上に構築できるコライダーで発見可能な追加の粒子および/または相互作用があるかどうかは議論の余地のある主題ですが、既知のエネル 現代物理教育プロジェクト/DOE/NSF/LBNL
では、基本的な量子場はいくつありますか？ まあ、それはあなたが理論をどのように見ているかに依存します。 私たちの現実を記述する最も単純なQFT、Julian Schwinger、Tomonaga Shinichiro、Richard Feynmanの量子電気力学では、電磁場と電子場の2つの量子場しかありません。 それらは相互作用します;エネルギーおよび運動量および角運動量を移します;刺激は作成され、破壊されます。 可能なすべての励起は、この理論が陽電子（電子の反物質の対応）の存在を意味する理由である、また可能な逆励起を持っています。 さらに、光子も、電磁場の粒子等価物として存在する。
私たちが理解しているすべての力、すなわち重力を含まない力を取り、それらのQFTバージョンを書き留めると、標準モデルの予測に到達します。
モデルはすべて直接検出されており、最後のホールドアウトであるヒッグス粒子はこの十年の初めにLHCに落ちています。 これらの粒子はすべてLHCエネルギーで生成することができ、粒子の質量はそれらを完全に記述するために絶対に必要な基本定数につながります。 これらの粒子は、標準模型の基礎となる場の量子論の物理学によってよく記述することができる。 E.Siegel/銀河を超えて
これは、12個のフェルミオン場と12個のボソン場のアイデアがどこから来たのかです。 これらの分野は、既知の宇宙全体を記述する基礎となる理論（標準モデル）の励起であり、以下を含む:
- 六つのクォークとその反クォークの対応物、
- 三つの荷電（電子、ミューオン、タウ）と三つの中性（電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノ）レプトンとその反物質の対応物、
- 八つのグルオン（八つの可能な色の組み合わせのため）、
- 2つの弱い（WとZ）ボソン、
- 1つの電磁（光子）ボソン、
- とヒッグス粒子。
クォークとレプトンはフェルミオンであるため、反物質の対応物を持ち、Wボソンは二つの等しいと反対の品種（正と負に帯電した）で来るが、すべてが可能な量子場の24のユニークな基本的な励起があると言われている。 これは”24の分野”の考えがどこから来るかである。
様々な量子状態。 三つの量子数は多くを説明することができますが、”スピン”は、周期表と各原子の軌道内の電子の数を説明するために追加する必要があります。 PoorLeno/Wikimedia Commons
それでは、陽子、原子、分子などの複雑なシステムはどうですか？ あなたは、24のフィールドが実際に私たちの物理的現実を記述する基礎となるQFTの励起であるのと同じように、これらの複雑なシステムは、これらのフィー
代わりに、宇宙全体を、それ自体がすべての物理学を含む複雑な量子場として見る方が正確です。 量子場は、私たちの理論がおそらく許すことができるすべての方法で相互作用する任意の多数の粒子を記述することができます。 そして、彼らは空の空間のいくつかの真空ではなく、あまりにも、QFTのルールによって果たしているので、空ではないスペースの背景の中でこれを行います。
量子真空中の仮想粒子を示す計算。 （具体的には、強い相互作用のために。）空の空間でも、この真空エネルギーはゼロではありません。 Derek Leinweber
粒子、反粒子、およびフィールドのあらゆる種類の励起は常に作成され、破壊されています。 現実は、滑らかで連続的で明確に定義された宇宙の古典的な絵とは根本的に異なります。 これらの量子場は数学的な構造として始まったのは事実ですが、私たちが作った他の理論よりも正確に私たちの物理的で観察可能な現実を記述し それらは私達が標準モデルの量子を含むあらゆる実験の結果がもたらすものについての非常に精密な予測をすることを可能にする:それらをテス
宇宙は直感的な場所ではないかもしれませんが、物理理論が現実を反映していると呼ぶことができる限り、QFTはその力に関して同等ではありません。 物理学が実験科学のままである限り、これは任意の候補理論が取って代わらなければならない標準となるでしょう。
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