som består av kvanteskum, hvor kvantesvingninger er store, varierte og viktige på de minste skalaene. Kvantefeltene som er en iboende del av naturen er veldefinerte, men samsvarer ikke med våre intuitive forestillinger om hvordan partikler eller bølger skal oppføre seg. NASA/CXC / M. Weiss
Universet vi oppfatter og ser, rundt oss, er ikke representativt for det som faktisk eksisterer på et grunnleggende nivå. I stedet for kontinuerlige, faste gjenstander består materie av udelelige kvantepartikler, holdt sammen gjennom usynlige krefter som virker over tomt rom. Både partiklene selv og kreftene kan beskrives av en underliggende struktur: kvantefelt, som beskriver alt vi vet om alle partikler og antipartikler Av Standardmodellen. Men er disse kvantfeltene ekte? Og hva forteller de oss? Det er Hva Patreon supporter Aaron Weiss ønsker å vite, som han spør:
jeg ville være veldig interessert i et innlegg om quantum fields. Er de generelt/universelt antatt å være ekte og det mest grunnleggende aspektet av vårt univers eller bare en matematisk konstruksjon? Jeg har lest at det er 24 grunnleggende kvantefelt: 12 felt for fermioner og 12 for bosoner. Men jeg har også lest om kvantefelt for atomer, molekyler, etc. Hvordan fungerer det? Kommer alt fra disse 24 feltene og deres samspill?
La oss starte med hva et kvantefelt faktisk er.
attendant fields, vis hvordan selv om den er laget av punktlignende kvarker og gluoner, har den en endelig, betydelig størrelse som oppstår fra samspillet mellom kvantekreftene og feltene i den. Protonen selv er en sammensatt, ikke grunnleggende, kvantepartikkel. Brookhaven National Laboratory
i fysikk beskriver et felt generelt Hva en del av Universet er overalt i rommet. Det må ha en størrelse: et beløp som feltet er til stede. Det kan eller ikke har en retning knyttet til den; noen felt gjør, som elektriske felt, noen gjør det ikke, som spenningsfelt. Når alt vi hadde var klassiske felt, uttalte vi at feltene må ha en slags kilde, som partikler, noe som resulterer i at feltene eksisterer i hele rommet.
i kvantfysikk er dette tilsynelatende selvsagt faktum ikke lenger sant. Mens klassisk fysikk definerer mengder som posisjon og momentum som egenskaper av en partikkel, og disse egenskapene vil generere et tilsvarende felt, behandler kvantfysikk dem annerledes. I stedet for mengder blir posisjon og momentum (blant annet mengder) nå operatører, noe som gjør at vi kan utlede all kvantekvaliteten du har hørt så mye om.
teoretiske fysikere, det myonmagnetiske øyeblikket er beregnet opp til fem-løkke rekkefølge. Den teoretiske usikkerheten er nå på nivå med bare en del i to milliarder. Dette er en enorm prestasjon som bare kan gjøres i sammenheng med kvantfeltteori. 2012 American Physical Society
en mengde som et elektron har ikke lenger en veldefinert posisjon eller momentum, men snarere en bølgefunksjon som beskriver sannsynlighetsfordelingen av alle mulige posisjoner og momenta.
du har kanskje hørt disse ordene før, men har du noen gang tenkt på hva det egentlig betyr?
det betyr at elektronen ikke er en partikkel i det hele tatt. Det er ikke noe du kan sette fingeren på og erklære, «elektronen er her, beveger seg med denne spesielle hastigheten i denne bestemte retningen.»Du kan bare angi hva de generelle egenskapene i gjennomsnitt er av rommet der elektronen eksisterer.
forholdet mellom posisjon og momentum. Når man er kjent mer nøyaktig, er den andre iboende mindre i stand til å bli kjent nøyaktig. Wikimedia Commons bruker Maschen
det høres ikke veldig partikkelaktig ut, gjør det? Faktisk høres det mer feltlignende ut: Noen egenskaper Av Universet overalt i rommet. Det er fordi, i quantum field theory (QFT), er kvantefelt ikke generert av materie. I stedet er det vi tolker som «materie» i seg selv et kvantefelt.
og disse kvantefeltene består selv av partikler.
- det elektromagnetiske feltet? Laget av partikler som kalles fotoner.
- det sterke atomfeltet, som holder protoner og nøytroner sammen? Består av partikler som kalles gluoner.
- det svake atomfeltet, ansvarlig for radioaktive henfall? Laget av partikler kalt w-Og-Z bosoner.
- selv gravitasjonsfeltet, hvis vi prøver å formulere en kvanteversjon av tyngdekraften? Laget av partikler kalt gravitoner.
Ja, selv gravitasjonsbølgene SOM LIGO oppdaget, så glatte og kontinuerlige som de dukket opp, burde være laget av individuelle kvantepartikler.
vekselvis utvide og komprimere plass i gjensidig vinkelrette retninger, definert av gravitasjonsbølgens polarisasjon. Gravitasjonsbølger selv, i en kvanteteori om tyngdekraften, bør være laget av individuelle kvanta av gravitasjonsfeltet: gravitoner. M. Pö / Einstein Online
grunnen til at vi kan bruke disse vilkårene for partikler og felt om hverandre, I QFT, er fordi kvantefeltene selv koder for all informasjon for alt. Har partikkel og antipartikkel utslettet? Det er beskrevet av like-og-motsatte excitasjoner av et kvantefelt. Vil du beskrive den spontane opprettelsen av partikkel-antipartikkel par partikler? Det skyldes også excitasjoner av et kvantefelt.
partikkel/antipartikkelpar spretter ut av kvantevakuumet i svært små mengder tid som følge Av Heisenbergs usikkerhet. Derek B. Leinweber
selv partikler selv, som elektroner, er bare opphissede tilstander av et kvantefelt. Hver partikkel i Universet, som vi forstår det, er en krusning, eller eksitasjon, eller bunt av energi, av det underliggende kvantefeltet. Dette gjelder for kvarker, gluoner, Higgs boson og for Alle De Andre partiklene I Standardmodellen.
for tre av de fire kreftene (unntatt tyngdekraften), hele pakken med oppdagede partikler og alle deres interaksjoner. Hvorvidt det er flere partikler og / eller interaksjoner som kan oppdages med kollidere vi kan bygge på Jorden, er et diskutabelt emne, men en vi bare vet svaret på hvis vi utforsker forbi den kjente energifrensen. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
Så hvor mange grunnleggende kvantefelt er det? Vel, det avhenger av hvordan du ser på teorien. I den enkleste QFT som beskriver vår virkelighet, Kvanteelektrodynamikken Til Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga Og Richard Feynman, er det bare to kvantefelt: det elektromagnetiske feltet og elektronfeltet. De samhandler; de overfører energi og momentum og vinkelmoment; excitasjoner opprettes og ødelegges. Hver eksitasjon som er mulig, har en omvendt eksitasjon som også er mulig, og derfor innebærer denne teorien eksistensen av positroner (antimatter-motstykker av elektroner). I tillegg eksisterer fotoner også som partikkelekvivalenter av det elektromagnetiske feltet.
når vi tar alle de kreftene vi forstår, dvs. ikke inkludert tyngdekraften, og skriver NED QFT-versjonen av dem, kommer Vi til spådommene Til Standardmodellen.
Modellen har nå blitt oppdaget direkte, med Den siste holdout, Higgs Boson, som faller på LHC tidligere i tiåret. Alle disse partiklene kan opprettes VED LHC-energier, og massene av partiklene fører til grunnleggende konstanter som er absolutt nødvendige for å beskrive dem fullt ut. Disse partiklene kan beskrives godt av fysikken til kvantfeltteoriene som ligger til Grunn For Standardmodellen. E. Siegel /Beyond The Galaxy
det er her ideen om 12 fermionfelt og 12 bosonfelt kommer fra. Disse feltene er eksitasjoner av de underliggende teoriene (Standardmodellen) som beskriver Det kjente Universet i sin helhet, og inkluderer:
- de seks (opp, ned, merkelig, sjarm, bunn, topp) kvarker, og deres antikvark kolleger,
- de tre ladet (elektron, myon, tau) og tre nøytrale (elektronnutrino, myon neutrino, tau neutrino) leptoner, og deres antimaterie kolleger,
- de åtte gluoner (på grunn av de åtte mulige fargekombinasjoner),
- de to svake (w-og-z) bosonene,
- det ene elektromagnetiske (foton) bosonet,
- og higgs bosonet.
kvarkene og leptonene er fermioner, og derfor har De antimatter-kolleger, Og w-bosonet kommer i to like og motsatte varianter (positivt og negativt ladet), men alle fortalt er det 24 unike, grunnleggende excitasjoner av kvantefelt mulig. Det er her «24 felt» ideen kommer fra.
utvalg av kvantetilstander. Mens tre kvante tall kan forklare mye, må’ spinn ‘ legges til for å forklare det periodiske bordet og antall elektroner i orbitaler for hvert atom. PoorLeno / Wikimedia Commons
så hva med komplekse systemer, da, som protoner, atomer, molekyler og mer? Du må forstå at akkurat som de 24 feltene faktisk er excitasjoner av den underliggende QFT som beskriver vår fysiske virkelighet, er disse komplekse systemene mer enn bare kombinasjoner av disse feltene satt sammen i en stabil eller kvasi-stabil bundet tilstand.
I Stedet er det mer nøyaktig å se hele Universet som et komplisert kvantefelt som selv inneholder all fysikk. Kvantefelt kan beskrive et vilkårlig stort antall partikler som samhandler på alle måter våre teorier kan tenkes å tillate. Og de gjør dette ikke i noe vakuum av tomt rom, men midt i en bakgrunn av ikke-så-tomrom, som også spiller ETTER qfts regler.
beregning som viser virtuelle partikler i kvantevakuumet. (Spesielt for de sterke interaksjonene.) Selv i tomt rom er denne vakuumenergien ikke-null. Derek Leinweber
Partikler, antipartikler og alle slags excitasjoner av feltene blir stadig skapt og ødelagt. Virkeligheten er fundamentalt forskjellig fra vårt klassiske bilde av et jevnt, kontinuerlig, veldefinert Univers. Selv om det er sant at disse kvantefeltene begynte som en matematisk konstruksjon, beskriver de vår fysiske, observerbare virkelighet mer nøyaktig enn noen annen teori vi har kokt sammen. De tillater oss å lage utrolig presise spådommer om hva resultatene av ethvert eksperiment som involverer kvanta Av Standardmodellen vil gi: spådommer som har blitt båret ut av hvert eksperiment som er følsomt nok til å teste dem.
Universet er kanskje ikke et intuitivt sted, Men så langt som noen fysisk teori kan kalle seg reflekterende av virkeligheten, HAR QFT ikke likeverdig med hensyn til sin kraft. Så lenge fysikk forblir en eksperimentell vitenskap, vil dette være standarden som enhver kandidatteori må erstatte.
Send Inn Dine Spør Ethan spørsmål til startswithabang på gmail dot com!
Følg Meg På Twitter. Sjekk ut min hjemmeside eller noen av mine andre arbeid her.