als bestaande uit kwantumschuim, waarbij kwantumfluctuaties groot, gevarieerd en belangrijk zijn op de kleinste schalen. De kwantumvelden die een intrinsiek deel van de natuur zijn, zijn goed gedefinieerd, maar komen niet overeen met onze intuïtieve noties over hoe deeltjes of golven zich zouden moeten gedragen. NASA/CXC/M. Weiss
het universum dat we waarnemen en zien, overal om ons heen, is niet representatief voor wat eigenlijk bestaat op een fundamenteel niveau. In plaats van continue, vaste objecten, bestaat materie uit ondeelbare kwantumdeeltjes, bijeengehouden door onzichtbare krachten die in de lege ruimte werken. Zowel de deeltjes zelf als de krachten kunnen worden beschreven door een onderliggende structuur: kwantumvelden, die alles beschrijven wat we weten over alle deeltjes en antideeltjes van het standaardmodel. Maar zijn deze kwantumvelden echt? En wat vertellen ze ons? Dat is wat Patreon supporter Aaron Weiss wil weten, als hij vraagt:
ik zou zeer geïnteresseerd zijn in een post over kwantumvelden. Wordt algemeen/universeel aangenomen dat ze echt zijn en het meest fundamentele aspect van ons universum of gewoon een wiskundige constructie? Ik heb gelezen dat er 24 fundamentele kwantumvelden zijn: 12 velden voor fermionen en 12 voor bosonen. Maar ik heb ook gelezen over kwantumvelden voor atomen, moleculen, enz. Hoe werkt dat? Komt alles uit deze 24 velden en hun interacties?
laten we beginnen met wat een kwantumveld eigenlijk is.
attendant fields, laat zien hoe, hoewel het bestaat uit puntachtige quarks en gluonen, het een eindige, substantiële grootte heeft die voortkomt uit het samenspel van de kwantumkrachten en velden erin. Het proton zelf is een samengesteld, niet fundamenteel kwantumdeeltje. Brookhaven National Laboratory
in de natuurkunde, een veld, in het algemeen, beschrijft wat sommige eigenschap van het universum is overal in de ruimte. Het moet een magnitude hebben: een hoeveelheid dat het veld aanwezig is. Het kan al dan niet een richting geassocieerd met het; sommige velden wel, zoals elektrische velden, andere niet, zoals spanningsvelden. Toen we alleen maar klassieke velden hadden, stelden we dat de velden een soort bron moeten hebben, zoals deeltjes, wat resulteert in de velden die overal in de ruimte bestaan.
in de kwantumfysica is dit schijnbaar vanzelfsprekende feit echter niet langer waar. Terwijl de klassieke fysica grootheden zoals positie en momentum definieert als eigenschappen van een deeltje, en die eigenschappen zouden een overeenkomstig veld genereren, behandelt de kwantumfysica ze anders. In plaats van hoeveelheden, worden positie en momentum (onder andere hoeveelheden) nu operators, die ons in staat stellen om alle kwantumvrees af te leiden waar je zoveel over hebt gehoord.
theoretisch natuurkundigen, is het muon magnetisch moment berekend tot de Orde van de vijf-lus. De theoretische onzekerheden liggen nu op het niveau van slechts één op twee miljard. Dit is een enorme prestatie die alleen kan worden gemaakt in de context van de kwantumveldentheorie. 2012 American Physical Society
een grootheid zoals een elektron heeft niet langer een duidelijk gedefinieerde positie of momentum, maar eerder een golffunctie die de kansverdeling van alle mogelijke posities en momenta beschrijft.
u hebt deze woorden misschien eerder gehoord, maar hebt u er ooit over nagedacht wat dat eigenlijk betekent?
het betekent dat het elektron helemaal geen deeltje is. Het is niet iets waar je je vinger op kunt leggen en verklaren: “het elektron is hier, beweegt met deze specifieke snelheid in deze specifieke richting.”Je kunt alleen aangeven wat de algemene eigenschappen zijn, gemiddeld, van de ruimte waarin het elektron bestaat.
relatie tussen positie en momentum. Wanneer de een nauwkeuriger bekend is, is de ander van nature minder nauwkeurig bekend. Wikimedia Commons gebruiker Maschen
dat klinkt niet erg partikelachtig, toch? In feite klinkt dat meer veldachtig: een eigenschap van het universum overal in de ruimte. Dat komt omdat, in de kwantumveldentheorie (QFT), kwantumvelden niet worden gegenereerd door materie. In plaats daarvan is wat we interpreteren als “materie” zelf een kwantumveld.
en deze kwantumvelden zelf bestaan uit deeltjes.
- het elektromagnetische veld? Gemaakt van deeltjes die fotonen worden genoemd.
- het sterke kernveld, dat protonen en neutronen bij elkaar houdt? Bestaat uit deeltjes die gluonen worden genoemd.
- het zwakke nucleaire veld, verantwoordelijk voor radioactieve verval? Gemaakt van deeltjes genaamd W-en-Z bosonen.
- zelfs het zwaartekrachtveld, als we proberen een kwantumversie van zwaartekracht te formuleren? Gemaakt van deeltjes die gravitonen worden genoemd.
ja, zelfs de gravitatiegolven die LIGO ontdekte, zo glad en continu als ze leken, zouden uit individuele kwantumdeeltjes moeten bestaan.
afwisselend de ruimte uitzetten en comprimeren in elkaar loodrechte richtingen, gedefinieerd door de polarisatie van de gravitatiegolf. Gravitatiegolven zelf, in een kwantumtheorie van de zwaartekracht, moeten worden gemaakt van individuele kwanta van het gravitatieveld: gravitonen. M. Pössel / Einstein Online
de reden dat we deze termen van deeltjes en velden door elkaar kunnen gebruiken, in QFT, is omdat de kwantumvelden zelf alle informatie voor alles coderen. Een deeltje en antideeltje laten vernietigen? Dat wordt beschreven door gelijke en tegenovergestelde excitaties van een kwantumveld. Wil je de spontane creatie van deeltjes-antideeltjesparen van deeltjes beschrijven? Dat komt ook door excitaties van een kwantumveld.
deeltjes / antideeltje paren pop uit het kwantumvacuüm voor zeer kleine hoeveelheden tijd als gevolg van Heisenberg onzekerheid. Derek B. Leinweber
zelfs deeltjes zelf, zoals elektronen, zijn gewoon opgewekte toestanden van een kwantumveld. Elk deeltje in het universum, zoals we het begrijpen, is een rimpel, of excitatie, of bundel-van-energie, van het onderliggende kwantumveld. Dit geldt voor de quarks, de gluonen, het higgsboson en voor alle andere deeltjes van het standaardmodel.
voor drie van de vier krachten (behalve de zwaartekracht), de volledige suite van ontdekte deeltjes en al hun interacties. Of er extra deeltjes en/of interacties zijn die ontdekt kunnen worden met botsliders die we op aarde kunnen bouwen, is een discutabel onderwerp, maar een waarop we alleen het antwoord weten als we voorbij de bekende energiegrens verkennen. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
hoeveel fundamentele kwantumvelden zijn er? Dat hangt ervan af hoe je de theorie bekijkt. In de eenvoudigste QFT die onze werkelijkheid beschrijft, de kwantumelektrodynamica van Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga en Richard Feynman, zijn er slechts twee kwantumvelden: het elektromagnetische veld en het elektronenveld. Ze interageren; ze brengen energie en momentum en impulsmoment over; excitaties worden gecreëerd en vernietigd. Elke excitatie die mogelijk is heeft een omgekeerde excitatie die ook mogelijk is, dat is waarom deze theorie impliceert het bestaan van positronen (antimaterie tegenhangers van elektronen). Bovendien bestaan fotonen ook als deeltjesequivalenten van het elektromagnetische veld.
wanneer we alle krachten die we begrijpen, dus zonder de zwaartekracht, nemen en de QFT-versie ervan opschrijven, komen we tot de voorspellingen van het standaardmodel.
Alle modellen zijn nu direct gedetecteerd, waarbij de laatste holdout, het higgsboson, eerder dit decennium op de LHC daalde. Al deze deeltjes kunnen worden gecreëerd bij LHC-energieën, en de massa ‘ s van de deeltjes leiden tot fundamentele constanten die absoluut noodzakelijk zijn om ze volledig te beschrijven. Deze deeltjes kunnen goed worden beschreven door de fysica van de kwantumveldentheorieën die ten grondslag liggen aan het standaardmodel. E. Siegel / voorbij het Melkwegstelsel
hier komt het idee van 12 fermionvelden en 12 bosonvelden vandaan. Deze velden zijn excitaties van de onderliggende theorieën (het standaardmodel) die het bekende universum in zijn geheel beschrijven, en omvatten:
- De zes (up, down, strange, charm, bottom, top) quarks en hun antiquark collega ‘ s,
- De drie opgeladen (elektron, muon, tau) en drie neutrale (electron-neutrino, muon neutrino, tau-neutrino) leptonen, en hun antimaterie tegenhanger
- De acht gluonen (want van de acht kleuren combinaties mogelijk),
- De twee zwakke (W en Z) bosonen,
- De een elektromagnetische (foton) – boson,
- En het Higgs-boson.
de quarks en leptonen zijn fermionen, daarom hebben ze antimaterie-tegenhangers, en het W-boson komt in twee gelijke en tegengestelde varianten (positief en negatief geladen), maar alles bij elkaar zijn er 24 unieke, fundamentele excitaties van kwantumvelden mogelijk. Dit is waar het “24 velden” idee vandaan komt.
verscheidenheid aan kwantumtoestanden. Terwijl drie kwantumgetallen veel kunnen verklaren, moet’ spin ‘ worden toegevoegd om het periodiek systeem en het aantal elektronen in orbitalen voor elk atoom te verklaren. PoorLeno / Wikimedia Commons
hoe zit het dan met complexe systemen, zoals protonen, atomen, moleculen en meer? Je moet begrijpen dat net zoals de 24 velden eigenlijk excitaties zijn van de onderliggende QFT die onze fysieke realiteit beschrijft, deze complexe systemen meer zijn dan alleen maar combinaties van deze velden samengebracht in een stabiele of quasi-stabiele gebonden toestand.
in plaats daarvan is het nauwkeuriger om het hele universum te zien als een ingewikkeld kwantumveld dat zelf de hele fysica bevat. Kwantumvelden kunnen een willekeurig groot aantal deeltjes beschrijven die op alle mogelijke manieren interageren. En ze doen dit niet in een vacuüm van lege ruimte, maar te midden van een achtergrond van niet-zo-lege ruimte, die ook volgens de regels van QFT speelt.
berekening met virtuele deeltjes in het kwantumvacuüm. (Specifiek, voor de sterke interacties. Zelfs in de lege ruimte is deze vacuümenergie niet-nul. Derek Leinweber
deeltjes, antideeltjes en allerlei excitaties van de velden worden voortdurend gecreëerd en vernietigd. De werkelijkheid is fundamenteel anders dan ons klassieke beeld van een glad, continu, goed gedefinieerd universum. Hoewel het waar is dat deze kwantumvelden begonnen als een wiskundige constructie, beschrijven ze onze fysieke, waarneembare werkelijkheid nauwkeuriger dan elke andere theorie die we hebben verzonnen. Ze stellen ons in staat om ongelooflijk precieze voorspellingen te doen over wat de resultaten van elk experiment met de kwanta van het standaardmodel zullen opleveren: voorspellingen die zijn bevestigd door elk experiment dat gevoelig genoeg is om ze te testen.Het universum mag dan geen intuïtieve plaats zijn, maar voor zover een natuurkundige theorie zichzelf reflectief van de werkelijkheid kan noemen, heeft QFT geen gelijke in termen van zijn kracht. Zolang de natuurkunde een experimentele wetenschap blijft, zal dit de standaard zijn die elke kandidaat-theorie zal moeten vervangen.
stuur je ask Ethan vragen naar startswithabang op gmail dot com!
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een aantal van mijn andere werk hier.