som består av kvantskum, där kvantfluktuationer är stora, varierade och viktiga på de minsta skalorna. Kvantfälten som är en inneboende del av naturen är väldefinierade, men överensstämmer inte med våra intuitiva föreställningar om hur partiklar eller vågor ska bete sig. NASA / CXC / M. Weiss
universum vi uppfattar och ser, runt omkring oss, är inte representativt för vad som faktiskt finns på en grundläggande nivå. I stället för kontinuerliga, fasta föremål består materia av odelbara kvantpartiklar, som hålls samman genom osynliga krafter som verkar över tomt utrymme. Både partiklarna själva och krafterna kan beskrivas med en underliggande struktur: kvantfält, som beskriver allt vi vet om alla partiklar och antipartiklar i Standardmodellen. Men är dessa kvantfält verkliga? Och precis vad säger de oss? Det är vad Patreon supporter Aaron Weiss vill veta, som han frågar:
jag skulle vara mycket intresserad av ett inlägg om kvantfält. Är de allmänt/universellt tros vara verkliga och den mest grundläggande aspekten av vårt universum eller bara en matematisk konstruktion? Jag har läst att det finns 24 grundläggande kvantfält: 12 fält för fermioner och 12 för bosoner. Men jag har också läst om kvantfält för atomer, molekyler etc. Hur fungerar det? Kommer allt från dessa 24 fält och deras interaktioner?
Låt oss börja med vad ett kvantfält faktiskt är.
attendant fields, visa hur även om den är gjord av punktliknande kvarkar och gluoner, har den en ändlig, väsentlig storlek som uppstår genom samspelet mellan kvantkrafterna och fälten inuti den. Protonen är i sig en sammansatt, inte grundläggande kvantpartikel. Brookhaven National Laboratory
i fysik beskriver ett fält i allmänhet vad någon egenskap hos universum finns överallt i rymden. Det måste ha en storlek: ett belopp som fältet är närvarande. Det kan eller inte kan ha en riktning i samband med det; vissa fält gör, som elektriska fält, andra inte, som spänningsfält. När allt vi hade var klassiska fält, uppgav vi att fälten måste ha någon form av källa, som partiklar, vilket resulterar i de fält som finns i hela rymden.
i kvantfysiken är dock detta till synes självklara faktum inte längre sant. Medan klassisk fysik definierar kvantiteter som position och momentum som egenskaper hos en partikel, och dessa egenskaper skulle generera ett motsvarande fält, behandlar kvantfysiken dem annorlunda. I stället för kvantiteter blir position och momentum (bland andra kvantiteter) nu operatörer, vilket gör det möjligt för oss att härleda all den kvant weirdness du har hört så mycket om.
teoretiska fysiker, muonmagnetiska ögonblicket har beräknats upp till fem-loop ordning. De teoretiska osäkerheterna ligger nu på bara en del av två miljarder. Detta är en enorm prestation som endast kan göras i samband med kvantfältteori. 2012 American Physical Society
en kvantitet som en elektron har inte längre en väldefinierad position eller momentum, utan snarare en vågfunktion som beskriver sannolikhetsfördelningen för alla möjliga positioner och momenta.
du kanske har hört dessa ord tidigare, men har du någonsin tänkt på vad det egentligen betyder?
det betyder att elektronen inte alls är en partikel. Det är inte något du kan sätta fingret på och förklara, ”elektronen är här och rör sig med den här hastigheten i den här riktningen.”Du kan bara ange vad de övergripande egenskaperna är i genomsnitt av det utrymme där elektronen finns.
förhållande mellan position och momentum. När man är känd mer exakt, är den andra i sig mindre kapabel att vara känd exakt. Wikimedia Commons-användare Maschen
det låter inte särskilt partikelliknande, eller hur? Faktum är att det låter mer fältliknande: någon egenskap hos universum överallt i rymden. Det beror på att kvantfältteori (QFT) inte genereras av materia. Istället är det vi tolkar som ”materia” i sig ett kvantfält.
och dessa kvantfält består själva av partiklar.
- det elektromagnetiska fältet? Tillverkad av partiklar som kallas fotoner.
- det starka kärnfältet, som håller protoner och neutroner tillsammans? Består av partiklar som kallas gluoner.
- det svaga kärnfältet, ansvarigt för radioaktiva sönderfall? Tillverkad av partiklar som kallas W-och-Z-bosoner.
- även gravitationsfältet, om vi försöker formulera en kvantversion av gravitationen? Tillverkad av partiklar som kallas gravitoner.
ja, även gravitationsvågorna som LIGO upptäckte, så smidiga och kontinuerliga som de verkade, bör göras av enskilda kvantpartiklar.
växelvis expanderande och komprimerande utrymme i ömsesidigt vinkelräta riktningar, definierad av gravitationsvågens polarisering. Gravitationsvågor själva, i en kvantteori om gravitation, bör göras av enskilda kvanta av gravitationsfältet: gravitoner. M. P. bokningar / Einstein Online
anledningen till att vi kan använda dessa termer av partiklar och fält omväxlande, i QFT, beror på att kvantfälten själva kodar all information för allt. Har en partikel och antipartikel förintande? Det beskrivs av lika och motsatta excitationer av ett kvantfält. Vill du beskriva den spontana skapandet av partikel-antipartikelpar av partiklar? Det beror också på excitationer av ett kvantfält.
partikel – / antipartikelpar dyker upp ur kvantvakuumet under mycket små mängder tid som en följd av Heisenbergs osäkerhet. Derek B. Leinweber
även partiklar själva, som elektroner, är bara upphetsade tillstånd i ett kvantfält. Varje partikel i universum, som vi förstår det, är en krusning, eller excitation, eller bunt av energi, av det underliggande kvantfältet. Detta gäller för kvarkarna, gluonerna, Higgs bosonen och för alla andra partiklar i Standardmodellen.
för tre av de fyra krafterna (med undantag för gravitation), hela sviten av upptäckta partiklar och alla deras interaktioner. Huruvida det finns ytterligare partiklar och / eller interaktioner som kan upptäckas med kolliderare som vi kan bygga på jorden är ett diskutabelt ämne, men en vi bara vet svaret på om vi utforskar förbi den kända energigränsen. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
så hur många grundläggande kvantfält finns det? Det beror på hur man ser på teorin. I den enklaste QFT som beskriver vår verklighet, kvantelektrodynamiken hos Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga och Richard Feynman, finns det bara två kvantfält: det elektromagnetiska fältet och elektronfältet. De interagerar; de överför energi och momentum och vinkelmoment; excitationer skapas och förstörs. Varje excitation som är möjlig har en omvänd excitation som också är möjlig, varför denna teori innebär förekomsten av positroner (antimateriella motsvarigheter av elektroner). Dessutom finns fotoner också som partikelekvivalenterna för det elektromagnetiska fältet.
när vi tar alla krafter som vi förstår, dvs inte inklusive gravitation, och skriver ner QFT-versionen av dem, kommer vi fram till förutsägelserna av standardmodellen.
– modellen har nu alla upptäckts direkt, med den sista hållningen, Higgs Boson, som faller vid LHC tidigare detta decennium. Alla dessa partiklar kan skapas vid LHC-energier, och partiklarnas massor leder till grundläggande konstanter som är absolut nödvändiga för att beskriva dem fullständigt. Dessa partiklar kan beskrivas väl av fysiken i kvantfältteorierna som ligger till grund för standardmodellen. E. Siegel / Beyond the Galaxy
det är här tanken på 12 fermionfält och 12 bosonfält kommer ifrån. Dessa fält är excitationer av de underliggande teorierna (standardmodellen) som beskriver det kända universum i sin helhet och inkluderar:
- de sex (upp, ner, konstiga, charm, botten, topp) kvarkar och deras antikvark motsvarigheter,
- de tre laddade (elektron, muon, tau) och tre neutrala (elektronneutrino, muonneutrino, tau neutrino) leptoner och deras antimateria motsvarigheter,
- de åtta gluonerna (på grund av de åtta möjliga färgkombinationerna),
- de två svaga (W-och-z) bosonerna,
- den elektromagnetiska (foton) bosonen,
- och Higgs boson.
kvarkarna och leptonerna är fermioner, varför de har antimateriella motsvarigheter, och W-bosonen kommer i två lika och motsatta sorter (positivt och negativt laddade), men allt sagt, det finns 24 unika, grundläggande excitationer av kvantfält möjliga. Det är här tanken” 24 fält ” kommer ifrån.
olika kvanttillstånd. Medan tre kvantnummer kan förklara en hel del, måste’ spin ’ läggas till för att förklara det periodiska systemet och antalet elektroner i orbitaler för varje atom. PoorLeno / Wikimedia Commons
så hur är det med komplexa system, då, som protoner, atomer, molekyler och mer? Du måste förstå att precis som de 24 fälten faktiskt är excitationer av den underliggande QFT som beskriver vår fysiska verklighet, är dessa komplexa system mer än bara kombinationer av dessa fält sammansatta i något stabilt eller kvasistabilt bundet tillstånd.
istället är det mer exakt att se hela universum som ett komplicerat kvantfält som i sig innehåller all fysik. Kvantfält kan beskriva ett godtyckligt stort antal partiklar som interagerar på alla sätt som våra teorier kan tänkas tillåta. Och de gör det inte i något vakuum av tomt utrymme, men mitt i en bakgrund av inte så tomt utrymme, som också spelar enligt QFT: s regler.
beräkning som visar virtuella partiklar i kvantvakuumet. (Speciellt för de starka interaktionerna.) Även i tomt utrymme är denna vakuumenergi icke-noll. Derek Leinweber
partiklar, antipartiklar och alla slags excitationer av fälten skapas ständigt och förstörs. Verkligheten skiljer sig fundamentalt från vår klassiska bild av ett smidigt, kontinuerligt, väldefinierat universum. Även om det är sant att dessa kvantfält började som en matematisk konstruktion, beskriver de vår fysiska, observerbara verklighet mer exakt än någon annan teori vi har kokat ihop. De tillåter oss att göra otroligt exakta förutsägelser om vad resultaten av något experiment som involverar standardmodellens kvanta kommer att ge: förutsägelser som har bekräftats av varje experiment som är tillräckligt känsliga för att testa dem.
universum kanske inte är en intuitiv plats, men så långt som någon fysisk teori kan kalla sig reflekterande av verkligheten, har QFT inte lika med sin kraft. Så länge fysiken förblir en experimentell vetenskap, kommer detta att vara den standard som någon kandidatteori måste ersätta.
skicka in din fråga Ethan frågor till startswithabang på gmail dot com!
Följ mig på Twitter. Kolla in min hemsida eller något av mitt andra arbete här.