Ancient people thought we are made up of four ‘elements’ – water, earth, fire and air; which we now know are not elements. Presently, there are some 118 elements. All elements are made up of atoms which were once thought to be indivisible. By early twentieth century following JJ Thompson’s and Rutherford’s discoveries, atoms were known to be constituted of nuclei (made of protons and neutrons) at the centre and electrons σε τροχιά around. By 1970s, it was known that protons and neutrons are not fundamental either but are made up of ‘up quarks’ and ‘down quarks’ thus making ‘electrons’, ‘up quarks’ and ‘down quarks’ the three most fundamental constituents of everything in the σύμπαν. Με τις πρωτοποριακές εξελίξεις στην κβαντική φυσική, μάθαμε ότι τα σωματίδια είναι στην πραγματικότητα παράγωγα, οι δέσμες ή τα πακέτα ενέργειας στα πεδία που υποδηλώνουν σωματίδια δεν είναι θεμελιώδεις. Αυτό που είναι θεμελιώδες είναι το πεδίο που τα κρύβει. Μπορούμε τώρα να πούμε ότι τα κβαντικά πεδία είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία των πάντων στο σύμπαν (συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων βιολογικών συστημάτων όπως εμείς). Όλοι μας αποτελούνται από κβαντικά πεδία. Οι ιδιότητες των σωματιδίων, όπως το ηλεκτρικό φορτίο και η μάζα, είναι δηλώσεις σχετικά με το πώς τα πεδία τους αλληλεπιδρούν με άλλα πεδία. Για παράδειγμα, η ιδιότητα που ονομάζουμε ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι μια δήλωση σχετικά με το πώς το πεδίο των ηλεκτρονίων αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Και. Η ιδιότητα της μάζας του είναι η δήλωση σχετικά με το πώς αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs.
Από τα αρχαία χρόνια, οι άνθρωποι αναρωτιόντουσαν από τι αποτελούμαστε; Τι είναι το σύμπαν που αποτελείται από? Ποια είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της φύσης; Και ποιοι είναι οι βασικοί νόμοι της φύσης που διέπουν τα πάντα στο σύμπαν? Πρότυπο μοντέλο της επιστήμης είναι η θεωρία που απαντά σε αυτά τα ερωτήματα. Αυτή λέγεται ότι είναι η επιτυχημένη θεωρία της επιστήμης που χτίστηκε ποτέ τους τελευταίους αιώνες, μια μοναδική θεωρία που εξηγεί τα περισσότερα από τα πράγματα στο σύμπαν.
People knew early that we are made up of elements. Each element, in turn, is made up of atoms. Initially, it was thought that atoms are indivisible. However, in 1897 JJ Thompson discovered electrons using electric discharge through cathode ray tube. Soon after, in 1908, his successor Rutherford proved through his famous gold foil experiment that an atom has a tiny positively charged nucleus at the centre around which negatively charged electrons circle in τροχιές. Subsequently, it was found that nuclei are made up of protons and neutrons.
Στη δεκαετία του 1970, ανακαλύφθηκε ότι τα νετρόνια και τα πρωτόνια δεν είναι αδιαίρετα, επομένως δεν είναι θεμελιώδη, αλλά κάθε πρωτόνιο και νετρόνιο αποτελούνται από τρία μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, τα οποία είναι δύο τύπων - "επάνω κουάρκ" και "κάτω κουάρκ" (" επάνω κουάρκ» και «κάτω κουάρκ» είναι απλώς διαφορετικά κουάρκ. Οι όροι «πάνω» και «κάτω» δεν υποδηλώνουν καμία σχέση με την κατεύθυνση ή τον χρόνο). Τα πρωτόνια αποτελούνται από δύο "up quarks" και ένα "down quark" ενώ ένα νετρόνιο αποτελείται από δύο "down quarks" και ένα "up quark". Έτσι, τα «ηλεκτρόνια», τα «επάνω κουάρκ» και τα «κάτω κουάρκ» είναι τρία πιο θεμελιώδη σωματίδια που αποτελούν δομικά στοιχεία των πάντων στο σύμπαν. Ωστόσο, με την πρόοδο της επιστήμης, και αυτή η κατανόηση έχει δει αλλαγές. Τα πεδία βρέθηκαν να είναι θεμελιώδη και όχι σωματίδια.
Τα σωματίδια δεν είναι θεμελιώδη. Αυτό που είναι θεμελιώδες είναι το πεδίο που τα κρύβει. Όλοι μας αποτελούνται από κβαντικά πεδία.
Σύμφωνα με την τρέχουσα κατανόηση της επιστήμης, τα πάντα στο σύμπαν αποτελείται από αόρατες αφηρημένες οντότητες που ονομάζονται «πεδία» που αντιπροσωπεύουν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της φύσης. Ένα χωράφι είναι κάτι που απλώνεται παντού σύμπαν και παίρνει μια συγκεκριμένη τιμή σε κάθε σημείο του χώρου που μπορεί να αλλάξει με το χρόνο. Είναι σαν κυματισμοί υγρού που ταλαντεύονται σε όλο το μήκος σύμπαν, για παράδειγμα, τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία απλώνονται σε όλο το σύμπαν. Αν και δεν μπορούμε να δούμε ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία, είναι πραγματικά και φυσικά όπως αποδεικνύεται από τη δύναμη που αισθανόμαστε όταν δύο μαγνήτες έρχονται πιο κοντά. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα πεδία πιστεύεται ότι είναι συνεχή σε αντίθεση με την ενέργεια που είναι πάντα συσσωρευμένη σε ορισμένα διακριτά κομμάτια.
Η κβαντική θεωρία πεδίων είναι η ιδέα του συνδυασμού της κβαντικής μηχανικής με πεδία. Σύμφωνα με αυτό, το υγρό ηλεκτρονίων (δηλαδή οι κυματισμοί των κυμάτων αυτού του ρευστού) δένονται σε μικρές δέσμες ενέργειας. Αυτές οι δέσμες ενέργειας είναι αυτό που ονομάζουμε ηλεκτρόνια. Έτσι, τα ηλεκτρόνια δεν είναι θεμελιώδη. Είναι τα κύματα του ίδιου υποκείμενου πεδίου. Ομοίως, οι κυματισμοί των δύο πεδίων κουάρκ δημιουργούν «κουάρκ προς τα πάνω» και «κάτω κουάρκ». Και το ίδιο ισχύει για κάθε άλλο σωματίδιο στο σύμπαν. Τα χωράφια κρύβονται κάτω από τα πάντα. Αυτό που νομίζουμε ως σωματίδια είναι στην πραγματικότητα κύματα των πεδίων δεμένα σε μικρές δέσμες ενέργειας. Τα βασικά θεμελιώδη δομικά στοιχεία μας σύμπαν είναι αυτές οι υγρές ουσίες που ονομάζουμε πεδία. Τα σωματίδια είναι απλώς παράγωγα αυτών των πεδίων. Στο καθαρό κενό, όταν τα σωματίδια αφαιρούνται εντελώς, πεδία εξακολουθούν να υπάρχουν.
Τα τρία πιο βασικά κβαντικά πεδία στη φύση είναι το «ηλεκτρόνιο», το «επάνω κουάρκ» και το «κάτω κουάρκ». Υπάρχει ένα τέταρτο που λέγεται νετρίνο, ωστόσο, δεν μας αποτελούν αλλά παίζουν σημαντικό ρόλο αλλού στο σύμπαν. Τα νετρίνα είναι παντού, διασχίζουν τα πάντα παντού χωρίς να αλληλεπιδρούν.
https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Πεδία ύλης: Τα τέσσερα βασικά κβαντικά πεδία και τα σχετιζόμενα σωματίδια τους (δηλαδή, «ηλεκτρόνιο», «επάνω κουάρκ», «κάτω κουάρκ» και «νετρίνο») αποτελούν τη βάση του σύμπαν. Για άγνωστους λόγους, αυτά τα τέσσερα θεμελιώδη σωματίδια αναπαράγονται δύο φορές. Τα ηλεκτρόνια αναπαράγουν «μιόνιο» και «ταυ» (τα οποία είναι 200 φορές και 3000 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια αντίστοιχα). Τα επάνω κουάρκ δημιουργούν «παράξενο κουάρκ» και «κουάρκ κάτω». Τα down κουάρκ προκαλούν το "charm quark" και το "top quark". ενώ τα νετρίνα δημιουργούν «μιονικό νετρίνο» και «ταυ νετρίνο».
Έτσι, υπάρχουν 12 πεδία που δημιουργούν σωματίδια, τα ονομάζουμε πεδία ύλης.
Παρακάτω είναι η λίστα με τα 12 πεδία ύλης που αποτελούν 12 σωματίδια στο σύμπαν.
Πεδία δύναμης: Τα 12 πεδία ύλης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω τεσσάρων διαφορετικών δυνάμεων – βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμό, ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις (λειτουργούν μόνο σε μικρή κλίμακα πυρήνα, συγκρατούν τα κουάρκ μαζί μέσα σε πρωτόνια και νετρόνια) και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις (λειτουργούν μόνο σε μικρή κλίμακα πυρήνα, υπεύθυνος για ραδιενεργό διάσπαση και έναρξη πυρηνικής σύντηξης). Κάθε μία από αυτές τις δυνάμεις συνδέεται με ένα πεδίο – με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη πεδίο γλουονίου, πεδία που συνδέονται με ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις είναι Πεδίο μποζονίων W και Z και το πεδίο που σχετίζεται με τη βαρύτητα είναι χωροχρόνος Itself.
Παρακάτω είναι η λίστα των τεσσάρων πεδίων δύναμης που σχετίζονται με τέσσερις δυνάμεις.
| ηλεκτρομαγνητική δύναμη | πεδίο γλουονίου |
| Ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις | Πεδίο μποζονίου w & z |
| βαρύτητα | χωροχρόνος |
Η σύμπαν συμπληρώνεται με αυτά τα 16 πεδία (12 πεδία ύλης συν 4 πεδία που σχετίζονται με τέσσερις δυνάμεις). Αυτά τα πεδία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με αρμονικούς τρόπους. Για παράδειγμα, όταν το ηλεκτρονιακό πεδίο (ένα από τα πεδία της ύλης), αρχίζει να κυματίζει προς τα πάνω και προς τα κάτω (επειδή υπάρχει ένα ηλεκτρόνιο εκεί), αυτό εκκινεί ένα από τα άλλα πεδία, ας πούμε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο, με τη σειρά του, θα επίσης ταλαντώνονται και κυματίζουν. Θα υπάρχει φως που εκπέμπεται έτσι που θα ταλαντώνεται λίγο. Σε κάποιο σημείο, θα αρχίσει να αλληλεπιδρά με το πεδίο του κουάρκ, το οποίο με τη σειρά του θα ταλαντωθεί και θα κυματιστεί. Η τελική εικόνα στην οποία καταλήγουμε είναι ο αρμονικός χορός ανάμεσα σε όλα αυτά τα πεδία, που συμπλέκονται μεταξύ τους.
Πεδίο Χιγκς
Στη δεκαετία του 1960, ένα άλλο πεδίο είχε προβλεφθεί από τον Peter Higgs. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, αυτό έγινε αναπόσπαστο μέρος της κατανόησής μας για το σύμπαν. Αλλά δεν υπήρχαν πειραματικά στοιχεία (που σημαίνει ότι αν κάνουμε κυματισμό του πεδίου Higgs, θα πρέπει να δούμε σχετικό σωματίδιο) μέχρι το 2012 όταν οι ερευνητές του CERN στο LHC ανέφεραν την ανακάλυψή του. Το σωματίδιο συμπεριφέρθηκε ακριβώς με τον τρόπο που είχε προβλέψει το μοντέλο. Το σωματίδιο Higgs έχει πολύ μικρή διάρκεια ζωής, περίπου 10-22 δευτερόλεπτα.
Αυτό ήταν το τελευταίο οικοδομικό τετράγωνο του σύμπαν. Αυτή η ανακάλυψη ήταν σημαντική γιατί αυτό το πεδίο είναι υπεύθυνο για αυτό που ονομάζουμε μάζα στο σύμπαν.
Οι ιδιότητες των σωματιδίων (όπως το ηλεκτρικό φορτίο και η μάζα) είναι δηλώσεις σχετικά με το πώς τα πεδία τους αλληλεπιδρούν με άλλα πεδία.
Είναι η αλληλεπίδραση των πεδίων που υπάρχουν στο σύμπαν που δημιουργούν ιδιότητες όπως μάζα, φορτίο κ.λπ. διαφορετικών σωματιδίων που έχουμε βιώσει. Για παράδειγμα, η ιδιότητα που ονομάζουμε ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι μια δήλωση σχετικά με το πώς το πεδίο των ηλεκτρονίων αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Ομοίως, η ιδιότητα της μάζας του είναι η δήλωση σχετικά με το πώς αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs.
Η κατανόηση του πεδίου Higgs ήταν πραγματικά απαραίτητη, ώστε να κατανοήσουμε την έννοια της μάζας στο σύμπαν. Η ανακάλυψη του πεδίου του Higgs ήταν επίσης επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου που υπήρχε από τη δεκαετία του 1970.
Τα κβαντικά πεδία και η σωματιδιακή φυσική είναι δυναμικά πεδία μελέτης. Από την ανακάλυψη του πεδίου του Higgs, έχουν σημειωθεί αρκετές εξελίξεις που έχουν σχέση με το Standard μοντέλο. Η αναζήτηση απαντήσεων για τους περιορισμούς του Standard μοντέλου συνεχίζεται.
***
Πηγές:
The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe – με τον David Tong. Διαθέσιμο online στο https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
