ca constând din spumă cuantică, unde fluctuațiile cuantice sunt mari, variate și importante pe cea mai mică scară. Câmpurile cuantice care sunt o parte intrinsecă a naturii sunt bine definite, dar nu se conformează noțiunilor noastre intuitive despre cum ar trebui să se comporte particulele sau undele. NASA / CXC / M. Weiss
universul pe care îl percepem și îl vedem, în jurul nostru, nu este reprezentativ pentru ceea ce există de fapt la un nivel fundamental. În loc de obiecte continue, solide, materia este compusă din particule cuantice indivizibile, ținute împreună prin forțe invizibile care acționează în spațiul gol. Atât particulele în sine, cât și forțele pot fi descrise de o structură subiacentă: câmpurile cuantice, care descriu tot ceea ce știm despre toate particulele și antiparticulele Modelului Standard. Dar sunt aceste câmpuri cuantice reale? Și ce ne spun ei? Asta vrea să știe suporterul Patreon Aaron Weiss, așa cum întreabă el:
aș fi foarte interesat de un post despre câmpurile cuantice. Sunt ele în general/universal considerate a fi reale și aspectul cel mai fundamental al universului nostru sau doar un construct matematic? Am citit că există 24 de câmpuri cuantice fundamentale: 12 câmpuri pentru fermioni și 12 pentru bosoni. Dar am citit și despre câmpurile cuantice pentru atomi, molecule etc. Cum funcționează asta? Totul iese din aceste 24 de câmpuri și interacțiunile lor?
să începem cu ceea ce este de fapt un câmp cuantic.
câmpuri însoțitoare, arată cum, deși este făcut din quarci și gluoni asemănători punctului, are o dimensiune finită, substanțială, care apare din interacțiunea forțelor cuantice și a câmpurilor din interiorul său. Protonul, în sine, este o particulă cuantică compusă, nu fundamentală. Laboratorul Național Brookhaven
în fizică, un câmp, în general, descrie ceea ce o anumită proprietate a Universului este peste tot în spațiu. Trebuie să aibă o magnitudine: o sumă pe care câmpul este prezent. Poate avea sau nu o direcție asociată cu aceasta; unele câmpuri fac, cum ar fi câmpurile electrice, altele nu, cum ar fi câmpurile de tensiune. Când tot ce aveam erau câmpuri clasice, am afirmat că câmpurile trebuie să aibă un fel de sursă, cum ar fi particulele, ceea ce duce la existența câmpurilor în tot spațiul.
în fizica cuantică, totuși, acest fapt aparent evident nu mai este adevărat. În timp ce fizica clasică definește cantități precum poziția și impulsul ca proprietăți ale unei particule, iar aceste proprietăți ar genera un câmp corespunzător, fizica cuantică le tratează diferit. În loc de cantități, poziția și impulsul (printre alte cantități) devin acum operatori, ceea ce ne permite să obținem toată ciudățenia cuantică despre care ați auzit atât de multe.
fizicieni teoretici, momentul magnetic muon a fost calculat până la ordinea de cinci bucle. Incertitudinile teoretice sunt acum la nivelul unei singure părți din două miliarde. Aceasta este o realizare extraordinară care poate fi făcută numai în contextul teoriei câmpului cuantic. 2012 American Physical Society
o cantitate ca un electron nu mai are o poziție sau un impuls bine definit, ci mai degrabă o funcție de undă care descrie distribuția probabilității tuturor pozițiilor și momentelor posibile.
este posibil să fi auzit aceste cuvinte înainte, dar te-ai gândit vreodată la ce înseamnă de fapt asta?
înseamnă că electronul nu este deloc o particulă. Nu este ceva pe care să-ți pui degetul și să declari: „electronul este aici, mișcându-se cu această viteză specială în această direcție particulară.”Puteți afirma doar care sunt proprietățile generale, în medie, ale spațiului în care există electronul.
relația dintre poziție și impuls. Când unul este cunoscut mai precis, celălalt este în mod inerent mai puțin capabil să fie cunoscut cu exactitate. Utilizatorul Wikimedia Commons Maschen
asta nu sună foarte asemănător particulelor, nu-i așa? De fapt, asta sună mai mult ca un câmp: o proprietate a Universului peste tot în spațiu. Asta pentru că, în teoria câmpului cuantic (QFT), câmpurile cuantice nu sunt generate de materie. În schimb, ceea ce interpretăm ca „materie” este în sine un câmp cuantic.
și aceste câmpuri cuantice, ele însele, sunt alcătuite din particule.
- câmpul electromagnetic? Format din particule numite fotoni.
- câmpul nuclear puternic, care ține protonii și neutronii împreună? Format din particule numite gluoni.
- câmpul nuclear slab, responsabil pentru dezintegrările radioactive? Format din particule numite bosoni W-și-Z.
- chiar și câmpul gravitațional, dacă încercăm să formulăm o versiune cuantică a gravitației? Format din particule numite gravitoni.
da, chiar și undele gravitaționale pe care LIGO le-a detectat, la fel de netede și continue pe cât au apărut, ar trebui să fie făcute din particule cuantice individuale.
extinderea și comprimarea alternativă a spațiului în direcții reciproc perpendiculare, definite de polarizarea undei gravitaționale. Undele gravitaționale în sine, într-o teorie cuantică a gravitației, ar trebui să fie făcute din cuante individuale ale câmpului gravitațional: gravitoni. M. P Inkssel / Einstein Online
motivul pentru care putem folosi acești Termeni de particule și câmpuri în mod interschimbabil, în QFT, este pentru că câmpurile cuantice în sine codifică toate informațiile pentru orice. Au anihilat o particulă și o antiparticulă? Aceasta este descrisă de excitațiile egale și opuse ale unui câmp cuantic. Doriți să descrieți crearea spontană a perechilor de particule particule-antiparticule? Acest lucru se datorează și excitațiilor unui câmp cuantic.
perechile de particule/antiparticule ies din vidul cuantic pentru cantități foarte mici de timp ca o consecință a incertitudinii lui Heisenberg. Derek B. Leinweber
chiar și particulele în sine, ca electronii, sunt doar stări excitate ale unui câmp cuantic. Fiecare particulă din univers, așa cum o înțelegem, este o undă, sau excitație, sau pachet de energie, a câmpului cuantic subiacent. Acest lucru este valabil pentru quarci, gluoni, bosonul Higgs și pentru toate celelalte particule ale Modelului Standard.
pentru trei dintre cele patru forțe (cu excepția gravitației), suita completă de particule descoperite și toate interacțiunile lor. Dacă există particule suplimentare și / sau interacțiuni care pot fi descoperite cu colizorii pe care îi putem construi pe Pământ este un subiect discutabil, dar unul la care vom ști răspunsul doar dacă explorăm dincolo de frontiera energetică cunoscută. Proiect de educație fizică contemporană / DOE / NSF / LBNL
deci, câte câmpuri cuantice fundamentale există? Depinde cum privești teoria. În cel mai simplu QFT care descrie realitatea noastră, electrodinamica cuantică a lui Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga și Richard Feynman, există doar două câmpuri cuantice: câmpul electromagnetic și câmpul electronic. Ei interacționează; ei transferă energia și impulsul și impulsul unghiular; excitațiile sunt create și distruse. Fiecare excitație posibilă are o excitație inversă, care este de asemenea posibilă, motiv pentru care această teorie implică existența pozitronilor (omologii antimateriei electronilor). În plus, fotonii există, de asemenea, ca echivalenți de particule ai câmpului electromagnetic.
când luăm toate forțele pe care le înțelegem, adică, fără a include gravitația, și notăm versiunea QFT a acestora, ajungem la predicțiile modelului Standard.
a fost acum detectat direct, cu ultima rezistență, bosonul Higgs, care a căzut la LHC la începutul acestui deceniu. Toate aceste particule pot fi create la energiile LHC, iar masele particulelor conduc la constante fundamentale care sunt absolut necesare pentru a le descrie pe deplin. Aceste particule pot fi bine descrise de fizica teoriilor câmpului cuantic care stau la baza modelului Standard. E. Siegel / dincolo de galaxie
de aici provine ideea a 12 câmpuri de fermion și 12 câmpuri de boson. Aceste câmpuri sunt excitații ale teoriilor subiacente (modelul Standard) care descriu universul cunoscut în întregime și includ:
- cei șase (sus, jos, ciudat, farmec, jos, sus) quarci și omologii lor antiquark,
- cei trei încărcați (electron, muon, tau) și trei neutri (neutrin de electroni, muon neutrino, tau neutrino) leptoni și omologii lor antimaterie,
- cei opt gluoni (din cauza celor opt combinații posibile de culori),
- cei doi bosoni slabi (W-și-z),
- un boson electromagnetic (foton),
- și bosonul Higgs.
quarcii și leptonii sunt fermioni, motiv pentru care au omologi antimaterie, iar bosonul W vine în două soiuri egale și opuse (încărcate pozitiv și negativ), dar toate au spus, există 24 de excitații unice, fundamentale ale câmpurilor cuantice posibile. De aici vine ideea” 24 de câmpuri”.
varietate de stări cuantice. În timp ce trei numere cuantice ar putea explica foarte mult, trebuie adăugat spin pentru a explica tabelul periodic și numărul de electroni din orbitali pentru fiecare atom. PoorLeno / Wikimedia Commons
deci, cum rămâne cu sistemele complexe, cum ar fi protonii, atomii, moleculele și multe altele? Trebuie să înțelegeți că, așa cum cele 24 de câmpuri sunt de fapt excitații ale QFT-ului de bază care descrie realitatea noastră fizică, aceste sisteme complexe sunt mai mult decât simple combinații ale acestor câmpuri puse împreună într-o stare de legătură stabilă sau cvasi-stabilă.
în schimb, este mai precis să privim întregul univers ca pe un câmp cuantic complicat care, în sine, conține toată fizica. Câmpurile cuantice pot descrie un număr arbitrar de mare de particule care interacționează în toate modurile pe care teoriile noastre le pot permite. Și fac acest lucru nu într-un vid de spațiu gol, ci în mijlocul unui fundal de spațiu nu atât de gol, care joacă și după regulile QFT.
calcul care arată particule virtuale în vidul cuantic. (Mai exact, pentru interacțiunile puternice.) Chiar și în spațiul gol, această energie de vid este diferită de zero. Derek Leinweber
particule, antiparticule și tot felul de excitații ale câmpurilor sunt în mod constant create și distruse. Realitatea este fundamental diferită de imaginea noastră clasică a unui univers neted, continuu, bine definit. Deși este adevărat că aceste câmpuri cuantice au început ca o construcție matematică, ele descriu realitatea noastră fizică, observabilă mai precis decât orice altă teorie pe care am inventat-o. Ele ne permit să facem predicții incredibil de precise cu privire la rezultatele oricărui experiment care implică cuantele Modelului Standard: predicții care au fost confirmate de fiecare experiment suficient de sensibil pentru a le testa.
universul poate să nu fie un loc intuitiv, dar în măsura în care orice teorie fizică se poate numi reflectantă a realității, QFT nu are egal în ceea ce privește puterea sa. Atâta timp cât fizica rămâne o știință experimentală, acesta va fi standardul pe care orice teorie candidată va trebui să îl înlocuiască.
trimite în dumneavoastră pune întrebări Ethan la startswithabang la gmail dot com!
Urmărește-mă pe Twitter. Check out site-ul meu sau o parte din alte munca mea aici.