jako składający się z piany kwantowej, gdzie fluktuacje kwantowe są duże, zróżnicowane i ważne w najmniejszej ze skal. Pola kwantowe, które są nieodłączną częścią natury, są dobrze zdefiniowane, ale nie odpowiadają naszym intuicyjnym wyobrażeniom o tym, jak powinny zachowywać się cząstki lub fale. NASA/CXC/M. Weiss
wszechświat, który postrzegamy i oglądamy, dookoła nas, nie jest reprezentatywny dla tego, co faktycznie istnieje na podstawowym poziomie. Zamiast ciągłych, stałych obiektów, materia składa się z niepodzielnych cząstek kwantowych, utrzymywanych razem przez niewidzialne siły działające w pustej przestrzeni. Zarówno same cząstki, jak i siły mogą być opisane przez strukturę: pola kwantowe, które opisują wszystko, co wiemy o wszystkich cząstkach i antycząstkach Modelu Standardowego. Ale czy te pola kwantowe są prawdziwe? I co nam mówią? Tego chce wiedzieć zwolennik Patreonu Aaron Weiss, który pyta:
byłbym bardzo zainteresowany postem o polach kwantowych. Czy są one ogólnie / powszechnie uważane za rzeczywisty i najbardziej fundamentalny aspekt naszego wszechświata, czy tylko matematyczny konstrukt? Czytałem, że istnieją 24 podstawowe pola kwantowe: 12 pól dla fermionów i 12 dla bozonów. Ale czytałem też o polach kwantowych atomów, cząsteczek itp. Jak to działa? Czy wszystko wyłania się z tych 24 pól i ich interakcji?
Zacznijmy od tego, czym właściwie jest pole kwantowe.
pola towarzyszące, pokazują, że mimo iż zbudowane są z punktowych kwarków i gluonów, ma skończone, znaczne rozmiary, które wynikają z wzajemnego oddziaływania sił kwantowych i pól wewnątrz niego. Proton sam w sobie jest złożoną, a nie fundamentalną cząstką kwantową. Brookhaven National Laboratory
w fizyce dziedzina ogólnie opisuje, czym jest jakaś własność wszechświata w przestrzeni kosmicznej. Musi mieć wielkość: ilość, jaką pole jest obecne. Może, ale nie musi, mieć z tym związany kierunek; niektóre pola, jak pola elektryczne, inne nie, jak pola napięciowe. Kiedy mieliśmy tylko klasyczne pola, stwierdziliśmy, że pola muszą mieć jakieś źródło, jak cząstki, co skutkuje polami istniejącymi w całej przestrzeni.
jednak w fizyce kwantowej ten pozornie oczywisty fakt nie jest już prawdą. Podczas gdy fizyka klasyczna definiuje wielkości takie jak położenie i pęd jako własności cząstki, a te właściwości generują odpowiednie pole, fizyka kwantowa traktuje je inaczej. Zamiast wielkości, Pozycja i pęd (wśród innych wielkości) stają się operatorami, które pozwalają nam uzyskać wszystkie kwantowe dziwactwa, o których tyle słyszałeś.
fizycy teoretyczni, moment magnetyczny mionu został obliczony do rzędu pięciu pętli. Teoretyczna niepewność jest obecnie na poziomie zaledwie jednej części na dwa miliardy. Jest to ogromne osiągnięcie, którego można dokonać tylko w kontekście kwantowej teorii pola. 2012 American Physical Society
ilość taka jak elektron nie ma już dobrze zdefiniowanej pozycji lub pędu, ale raczej funkcję falową, która opisuje rozkład prawdopodobieństwa wszystkich możliwych pozycji i pędu.
być może słyszałeś te słowa wcześniej, ale czy kiedykolwiek myślałeś o tym, co to właściwie oznacza?
oznacza to, że elektron w ogóle nie jest cząstką. To nie jest coś, na czym można położyć palec i zadeklarować: „elektron jest tutaj, porusza się z tą konkretną prędkością w tym konkretnym kierunku.”Można tylko stwierdzić, jakie są ogólne właściwości, średnio, przestrzeni, w której elektron istnieje.
relacja między pozycją a pędu. Kiedy jeden jest znany dokładniej, drugi jest z natury mniej zdolny do dokładnego poznania. Użytkownik Wikimedia Commons Maschen
to nie brzmi zbyt drogo, prawda? W rzeczywistości brzmi to bardziej jak Pole: jakaś właściwość wszechświata wszędzie w kosmosie. Dzieje się tak dlatego, że w kwantowej teorii pola (QFT) pola kwantowe nie są generowane przez materię. Zamiast tego to, co interpretujemy jako” materię”, samo w sobie jest polem kwantowym.
i te pola kwantowe, same w sobie, składają się z cząstek.
- pole elektromagnetyczne? Zbudowane z cząstek zwanych fotonami.
- silne pole jądrowe, które utrzymuje protony i neutrony razem? Składa się z cząstek zwanych gluonami.
- słabe pole jądrowe, odpowiedzialne za rozpady radioaktywne? Zbudowane z cząstek zwanych bozonami W i Z.
- nawet pole grawitacyjne, jeśli spróbujemy sformułować kwantową wersję grawitacji? Zbudowane z cząstek zwanych grawitonami.
tak, nawet fale grawitacyjne, które wykrył LIGO, tak gładkie i ciągłe, jak się pojawiły, powinny być wykonane z pojedynczych cząstek kwantowych.
naprzemiennie rozszerzając i ściskając przestrzeń w wzajemnie prostopadłych kierunkach, określonych przez polaryzację fali grawitacyjnej. Same fale grawitacyjne, w kwantowej teorii grawitacji, powinny być zbudowane z pojedynczych kwantów pola grawitacyjnego: grawitonów. M. Pössel / Einstein Online
powodem, dla którego możemy używać tych terminów cząstek i pól zamiennie, w QFT, jest to, że same pola kwantowe kodują wszystkie informacje dla wszystkiego. Czy cząstka i antycząstka są anihilujące? To jest opisane przez równe i przeciwne wzbudzenia pola kwantowego. Chcesz opisać spontaniczne tworzenie par cząstek cząsteczek-antycząstek? Jest to również spowodowane wzbudzeniem pola kwantowego.
pary cząsteczek/antycząstek wyskakują z próżni kwantowej na bardzo małe ilości czasu w wyniku niepewności Heisenberga. Derek B. Leinweber
nawet same cząstki, jak elektrony, są tylko wzbudzonymi Stanami pola kwantowego. Każda cząstka we wszechświecie, tak jak ją rozumiemy, jest falowaniem, wzbudzeniem lub wiązką energii, leżącego u podstaw pola kwantowego. Dotyczy to kwarków, gluonów, bozonu Higgsa i wszystkich innych cząstek Modelu Standardowego.
dla trzech z czterech sił (z wyjątkiem grawitacji), pełnego zestawu odkrytych cząstek i wszystkich ich oddziaływań. To, czy istnieją dodatkowe cząstki i/lub interakcje, które można odkryć za pomocą zderzaczy, które możemy zbudować na Ziemi, jest dyskusyjnym tematem, ale odpowiedź na to pytanie poznamy tylko wtedy, gdy zbadamy znaną granicę energii. Contemporary Physics Education Project / doe / NSF / LBNL
więc ile jest podstawowych pól kwantowych? To zależy, jak spojrzysz na teorię. W najprostszym QFT opisującym naszą rzeczywistość, elektrodynamice kwantowej Juliana Schwingera, Shinichiro Tomonagi i Richarda Feynmana, istnieją tylko dwa pola kwantowe: pole elektromagnetyczne i pole elektronowe. Oddziałują na siebie; przenoszą energię, pęd i moment pędu; wzbudzenia są tworzone i niszczone. Każde wzbudzenie, które jest możliwe, ma wzbudzenie odwrotne, które jest również możliwe, dlatego teoria ta zakłada istnienie pozytonów (antymateryjnych odpowiedników elektronów). Ponadto fotony istnieją również jako ekwiwalenty cząstek pola elektromagnetycznego.
kiedy weźmiemy wszystkie siły, które rozumiemy, tj. nie licząc grawitacji, i zapiszemy ich wersję QFT, dojdziemy do przewidywań Modelu Standardowego.
wszystkie modele zostały teraz bezpośrednio wykryte, z ostatnim zatrzymaniem, bozonem Higgsa, spadającym w LHC na początku tej dekady. Wszystkie te cząstki mogą powstawać w energiach LHC, A masy cząstek prowadzą do podstawowych stałych, które są absolutnie niezbędne do ich pełnego opisu. Cząstki te mogą być dobrze opisane przez fizykę kwantowych teorii pola leżących u podstaw Modelu Standardowego. E. Siegel / poza galaktyką
stąd bierze się idea 12 pól fermionowych i 12 pól bozonowych. Pola te są wzbudzeniem teorii leżących u podstaw (Modelu Standardowego), które opisują znany wszechświat w całości i obejmują:
- sześć (góra, dół, dziwne, urok, dół, góra) kwarków i ich antykwarkowe odpowiedniki,
- trzy naładowane (elektron, mion, tau) i trzy neutralne (neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino Tau) leptony i ich antymaterialne odpowiedniki,
- osiem gluonów (ze względu na osiem możliwych kombinacji kolorów),
- dwa słabe (w-i-z) bozony,
- jeden Bozon elektromagnetyczny (fotonowy),
- i bozon Higgsa.
kwarki i leptony są fermionami, dlatego mają odpowiedniki antymaterii, a Bozon W występuje w dwóch równych i przeciwnych odmianach (naładowanych dodatnio i ujemnie), ale wszystko wskazuje na to, że możliwe są 24 unikalne, fundamentalne wzbudzenia pól kwantowych. Stąd bierze się idea „24 pola”.
różnorodność stanów kwantowych. Podczas gdy trzy liczby kwantowe mogą wiele wyjaśnić, „spin” musi zostać dodany, aby wyjaśnić układ okresowy i liczbę elektronów na orbitalach dla każdego atomu. PoorLeno / Wikimedia Commons
a co z układami złożonymi, takimi jak protony, Atomy, cząsteczki i inne? Musicie zrozumieć, że tak jak te 24 pola są w rzeczywistości wzbudzeniem podstawowego QFT, które opisuje naszą fizyczną rzeczywistość, te złożone systemy są czymś więcej niż tylko kombinacjami tych pól połączonych w jakiś stabilny lub quasi-stabilny stan związany.
zamiast tego lepiej jest postrzegać cały wszechświat jako skomplikowane pole kwantowe, które samo w sobie zawiera całą fizykę. Pola kwantowe mogą opisywać arbitralnie dużą liczbę cząstek, które oddziałują na wszystkie sposoby, na które nasze teorie mogą sobie pozwolić. I robią to nie w jakiejś próżni pustej przestrzeni, ale na tle nie-tak-pustej-przestrzeni, która również działa według zasad QFT.
obliczenia pokazujące cząstki wirtualne w próżni kwantowej. (W szczególności dla silnych interakcji.) Nawet w pustej przestrzeni energia próżni jest niezerowa. Derek Leinweber
cząstki, antycząstki i wszelkiego rodzaju wzbudzenia pól są stale tworzone i niszczone. Rzeczywistość zasadniczo różni się od naszego klasycznego obrazu płynnego, ciągłego, dobrze zdefiniowanego wszechświata. Chociaż to prawda, że te pola kwantowe zaczęły się jako konstrukcja matematyczna, opisują one naszą fizyczną, obserwowalną rzeczywistość dokładniej niż jakakolwiek inna teoria, którą wymyśliliśmy. Pozwalają nam one na niezwykle precyzyjne przewidywania, co przyniosą wyniki każdego eksperymentu z udziałem kwantów Modelu Standardowego: przewidywania, które zostały potwierdzone przez każdy eksperyment na tyle wrażliwe, aby je przetestować.
Wszechświat może nie być miejscem intuicyjnym, ale o ile jakakolwiek teoria fizyczna może nazwać siebie odzwierciedleniem rzeczywistości, QFT nie ma sobie równych pod względem swojej mocy. Dopóki fizyka pozostaje nauką eksperymentalną, będzie to standard, który każda teoria kandydata będzie musiała zastąpić.
Wyślij swoje pytania do startswithabang w gmail dot com!
Obserwuj mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.