Muinaiset ihmiset luulivat, että me koostumme neljästä "elementistä" - vedestä, maasta, tulesta ja ilmasta; joiden nyt tiedämme, että ne eivät ole elementtejä. Tällä hetkellä elementtejä on noin 118. Kaikki alkuaineet koostuvat atomeista, joita aikoinaan pidettiin jakamattomina. XNUMX-luvun alussa JJ Thompsonin ja Rutherfordin löytöjen jälkeen atomien tiedettiin koostuvan ytimistä (protoneista ja neutroneista) keskellä ja elektroneista. kiertävät noin. 1970-luvulla tiedettiin, että protonit ja neutronit eivät myöskään ole perustavanlaatuisia, vaan ne koostuvat "ylöskvarkeista" ja "alaskvarkeista", jolloin "elektroneista", "ylöskvarkeista" ja "alaskvarkeista" tuli kaiken kolme tärkeintä ainesosaa. in maailmankaikkeus. Kvanttifysiikan uraauurtavan kehityksen myötä opimme, että hiukkaset ovat itse asiassa johdannaisia, eivätkä hiukkasiin viittaavien kenttien energianiput tai -paketit ole perustavanlaatuisia. Olennaista on niiden taustalla oleva kenttä. Voimme nyt sanoa, että kvanttikentät ovat kaiken perustavanlaatuisia rakennuspalikoita maailmankaikkeus (mukaan lukien kehittyneet biologiset järjestelmät, kuten me). Me kaikki koostuvat kvanttikentistä. Hiukkasten ominaisuudet, kuten sähkövaraus ja massa, ovat lausuntoja siitä, kuinka niiden kentät ovat vuorovaikutuksessa muiden kenttien kanssa. Esimerkiksi ominaisuus, jota kutsumme elektronin sähkövaraukseksi, on lausunto siitä, kuinka elektronikenttä on vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen kentän kanssa. Ja. sen massan ominaisuus on lausunto siitä, kuinka se on vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa.
Muinaisista ajoista lähtien ihmiset ovat ihmetelleet, mistä me koostuu? Mikä on maailmankaikkeus koostuu? Mitkä ovat luonnon perusrakennuspalikoita? Ja mitkä ovat luonnon peruslait, jotka hallitsevat kaikkea maailmankaikkeus? Vakiomalli Tiede on teoria, joka vastaa näihin kysymyksiin. Tämän sanotaan olevan viime vuosisatojen aikana koskaan rakennettu onnistunut tieteen teoria, yksi ainoa teoria, joka selittää suurimman osan asioista maailmankaikkeus.
Ihmiset tiesivät jo varhain, että koostumme elementeistä. Jokainen elementti puolestaan koostuu atomeista. Aluksi ajateltiin, että atomit ovat jakamattomia. Kuitenkin vuonna 1897 JJ Thompson löysi elektroneja käyttämällä sähköpurkausta katodisädeputken kautta. Pian sen jälkeen, vuonna 1908, hänen seuraajansa Rutherford osoitti kuuluisalla kultafoliokokeillaan, että atomin keskustassa on pieni positiivisesti varautunut ydin, jonka ympärillä kiertävät negatiivisesti varautuneet elektronit. kiertoradat. Myöhemmin havaittiin, että ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista.
1970-luvulla havaittiin, että neutronit ja protonit eivät ole jakamattomia, joten ne eivät ole perustavanlaatuisia, mutta jokainen protoni ja neutroni koostuu kolmesta pienemmästä hiukkasesta, joita kutsutaan kvarkeiksi ja joita on kahta tyyppiä - "ylöskvarkeja" ja "alaskvarkeja" (" ylös kvarkki" ja "alas kvarkki" ovat vain eri kvarkkeja. Termit "ylös" ja "alas" eivät tarkoita mitään suhdetta suuntaan tai aikaan. Protonit koostuvat kahdesta "ylöskvarkista" ja "alaskvarkista", kun taas neutroni koostuu kahdesta "alaskvarkista" ja "ylöskvarkista". Siten "elektronit", "ylöskvarkit" ja "alaskvarkit" ovat kolme tärkeintä hiukkasta, jotka ovat kaiken rakennuspalikoita. maailmankaikkeus. Tieteen edistymisen myötä myös tämä ymmärrys on kuitenkin muuttunut. Kenttien on havaittu olevan perustavanlaatuisia eikä hiukkasia.
Hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia. Olennaista on niiden taustalla oleva kenttä. Me kaikki koostuvat kvanttikentistä.
Nykyisen tieteenkäsityksen mukaan kaikki maailmankaikkeus koostuu näkymättömistä abstrakteista kokonaisuuksista, joita kutsutaan "kentiksi", jotka edustavat luonnon perusrakennuspalikoita. Kenttä on jotain, joka on hajallaan maailmankaikkeus ja ottaa tietyn arvon jokaisessa avaruuden pisteessä, joka voi muuttua ajan myötä. Se on kuin nesteen väreitä, jotka heiluvat kauttaaltaan maailmankaikkeusEsimerkiksi magneetti- ja sähkökentät ovat hajallaan maailmankaikkeus. Vaikka emme voi nähdä sähkö- tai magneettikenttiä, ne ovat todellisia ja fyysisiä, mistä on osoituksena voima, jonka tunnemme, kun kaksi magneettia tuodaan lähemmäs. Kvanttimekaniikan mukaan kenttien ajatellaan olevan jatkuvia toisin kuin energia, joka on aina jakautunut joihinkin erillisiin kokkareisiin.
Kvanttikenttäteoria on ajatus kvanttimekaniikan yhdistämisestä kenttiin. Tämän mukaan elektronineste (eli tämän nesteen aaltojen aaltoilu) sitoutuu pieniksi energianipuiksi. Näitä energianippuja kutsutaan elektroneiksi. Näin ollen elektronit eivät ole perustavanlaatuisia. Ne ovat saman alla olevan kentän aaltoja. Samoin kahden kvarkkikentän aaltoilu synnyttää "ylöskvarkeja" ja "alaskvarkeja". Ja sama pätee kaikkiin muihinkin partikkeleihin maailmankaikkeus. Kentät ovat kaiken taustalla. Se, mitä pidämme hiukkasina, ovat itse asiassa kenttien aaltoja, jotka on sidottu pieniksi energianipuiksi. Toimintamme peruselementit maailmankaikkeus ovat nämä nestemäiset aineet, joita kutsumme kentäksi. Hiukkaset ovat vain näiden kenttien johdannaisia. Puhtaassa tyhjiössä, kun hiukkaset poistetaan kokonaan, kenttiä on edelleen olemassa.
Kolme luonnollisinta kvanttikenttää ovat "elektroni", "ylöskvarkki" ja "alaskvarkki". On olemassa neljäs, nimeltään neutrino, mutta ne eivät muodosta meitä, vaan niillä on tärkeä rooli muualla maailmassa maailmankaikkeus. Neutriinoja on kaikkialla, ne virtaavat kaiken läpi kaikkialla ilman vuorovaikutusta.
Ainekentät: Neljä peruskvanttikenttää ja niihin liittyvät hiukkaset (eli "elektroni", "ylöskvarkki", "alaskvarkki" ja "neutrino") muodostavat kerroksen kallioperän maailmankaikkeus. Tuntemattomista syistä nämä neljä perushiukkasta uusiutuvat kahdesti. Elektronit tuottavat "muonia" ja "taua" (jotka ovat vastaavasti 200 kertaa ja 3000 kertaa raskaampia kuin elektronit); ylös kvarkit synnyttävät "outo kvarkki" ja "bottom kvark"; untuvakvarkit synnyttävät "charm quark" ja "top quark"; kun taas neutriinot synnyttävät "muonneutrino" ja "tau neutrino".
Siten on 12 kenttää, jotka synnyttävät hiukkasia, kutsumme niitä ainekenttiä.
Alla on luettelo 12 ainekentästä, jotka muodostavat 12 hiukkasta maailmankaikkeus.
Voimakentät: 12 ainekenttää ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa neljän eri voiman kautta – painovoima, sähkömagnetismi, vahvat ydinvoimat (toimivat vain pienessä ytimen mittakaavassa, pitävät kvarkeja yhdessä protonien ja neutronien sisällä) ja heikot ydinvoimat (toimivat vain pienessä ytimen mittakaavassa, vastuussa radioaktiivisesta hajoamisesta ja käynnistävät ydinfuusion). Jokainen näistä voimista liittyy kenttään – sähkömagneettinen voima liittyy gluon-kenttä, vahvoihin ja heikkoihin ydinvoimiin liittyvät kentät ovat W- ja Z-bosonikenttä ja painovoimaan liittyvä kenttä on aika-aika itse.
Alla on luettelo neljästä voimakentästä, jotka liittyvät neljään voimaan.
| sähkömagneettinen voima | gluon-kenttä |
| Vahvat ja heikot ydinvoimat | w & z bosonikenttä |
| painovoima | aika-avaruus |
maailmankaikkeus on täynnä näillä 16 kentällä (12 ainekenttää plus 4 kenttää, jotka liittyvät neljään voimaan). Nämä kentät ovat vuorovaikutuksessa harmonisesti. Esimerkiksi kun elektronikenttä (yksi ainekentistä) alkaa aaltoilla ylös ja alas (koska siellä on elektroni), se laukaisee toisen kentistä, esimerkiksi sähkömagneettisen kentän, joka puolestaan myös värähtelee ja värähtelee. Tulee valoa, joka säteilee niin, että se värähtelee hieman. Jossain vaiheessa se alkaa olla vuorovaikutuksessa kvarkkikentän kanssa, joka vuorostaan värähtelee ja värähtelee. Lopullinen kuva, johon päädymme, on harmoninen tanssi kaikkien näiden kenttien välillä, jotka lukkiutuvat toisiinsa.
Higgsin kenttä
1960-luvulla Peter Higgs ennusti toisen kentän. 1970-luvulla tästä tuli olennainen osa ymmärrystämme maailmankaikkeus. Mutta ei ollut kokeellista näyttöä (eli jos saamme Higgsin kentän aaltoilemaan, meidän pitäisi nähdä siihen liittyvät hiukkaset) ennen vuotta 2012, jolloin LHC:n CERN-tutkijat ilmoittivat löydöstään. Hiukkanen käyttäytyi täsmälleen mallin ennustamalla tavalla. Higgsin hiukkasen elinikä on hyvin lyhyt, noin 10-22 sekuntia.
Tämä oli viimeinen rakennuspalikka maailmankaikkeus. Tämä löytö oli tärkeä, koska tämä kenttä on vastuussa siitä, mitä kutsumme massaksi maailmankaikkeus.
Hiukkasten ominaisuudet (kuten sähkövaraus ja massa) ovat lausuntoja siitä, kuinka niiden kentät ovat vuorovaikutuksessa muiden kenttien kanssa.
Se on kentässä olevien kenttien vuorovaikutusta maailmankaikkeus jotka synnyttävät kokemiemme eri hiukkasten ominaisuuksia, kuten massaa, varausta jne. Esimerkiksi ominaisuus, jota kutsumme elektronin sähkövaraukseksi, on lausunto siitä, kuinka elektronikenttä on vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen kentän kanssa. Vastaavasti sen massan ominaisuus on lausunto siitä, kuinka se on vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa.
Higgsin kentän ymmärtäminen tarvittiin todella, jotta ymmärsimme massan merkityksen maailmankaikkeus. Higgsin kentän löytäminen oli myös vahvistus 1970-luvulta lähtien käytössä olleelle standardimallille.
Kvanttikentät ja hiukkasfysiikka ovat dynaamisia tutkimusaloja. Higgsin kentän löytämisen jälkeen on tapahtunut useita kehityskulkuja, jotka vaikuttavat Standard-malliin. Vastausten etsiminen Standard-mallin rajoituksiin jatkuu.
Alkeishiukkasten standardimalli: 12 perusfermionia ja 5 perusbosonia.
***
Lähteet:
Kuninkaallinen instituutio 2017. Kvanttikentät: Universumin todelliset rakennuspalikat – David Tongin kanssa. Saatavilla verkossa osoitteessa https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
PERUSHIUKASET – Pikakatsaus
| Perushiukkaset luokitellaan fermioneihin ja bosoneihin spinin perusteella. |
| [A]. FERMIONIT |
| Fermionien spin on pariton puolikas kokonaisluku (½, 3/2, 5/2, ….). Nämä ovat ainehiukkasia joka koostuu kaikista kvarkeista ja leptoneista. – seuraa Fermi–Dirac tilastoja, – on puolipariton kokonaisluku spin – noudattavat Paulin kieltosääntöä eli kaksi identtistä fermionia ei voi olla samassa kvanttitilassa tai samassa paikassa avaruudessa samalla kvanttiluvulla. Ne eivät voi molemmat pyöriä samaan suuntaan, mutta ne voivat pyöriä vastakkaisiin suuntiin. – Fermioneihin kuuluvat kaikki kvarkit ja leptonit sekä kaikki komposiittihiukkaset, jotka ovat muodostuneet parittomuudesta. - Kvarkit = kuusi kvarkkia (ylös, alas, outo, viehätys, ala- ja yläkvarkit). – Yhdistä muodostamaan hadroneja, kuten protoneja ja neutroneja. – Ei voida havaita hadronien ulkopuolella. – Leptonit = elektronit + myonit + tau + neutrino + myonineutrino + tau-neutrino. – "Elektronit", "ylöskvarkit" ja "alaskvarkit" ovat kaiken maailmankaikkeuden kolme tärkeintä ainesosaa. - Protonit ja neutronit eivät ole perustavanlaatuisia, vaan ne koostuvat "ylöskvarkeista" ja "alaskvarkeista", joten komposiittihiukkasiaProtonit ja neutronit koostuvat kumpikin kolmesta kvarkista – protoni koostuu kahdesta ”ylös”-kvarkista ja yhdestä ”alas”-kvarkista, kun taas neutroni sisältää kaksi ”alas”-kvarkkia ja yhden ”ylös”. ”Ylös” ja ”alas” ovat kaksi kvarkkien ”makua” eli muunnelmaa. - Baryonit ovat kolmesta kvarkista koostuvia komposiittifermioneja, esim. protonit ja neutronit ovat baryoneja - Hadronit koostuvat vain kvarkeista, esim. baryonit (koostuu kahdesta tai useammasta kvarkista) ja mesonit (tehty kvarkista ja antikvarkista). |
| [B]. Bosonit |
| Bosoneilla on spin kokonaislukuarvoina (0, 1, 2, 3, ….) – Bosonit seuraavat Bose-Einsteinin tilastoja; on kokonaisluku spin. – nimetty Satyendra Nath Bose (1894–1974), joka yhdessä Einsteinin kanssa kehitti tärkeimmät ideat bosonikaasun tilastollisen termodynamiikan takana. – älä noudata Paulin poissulkemisperiaatetta, eli kaksi identtistä bosonia voi olla samassa kvanttitilassa tai samassa paikassa avaruudessa samalla kvanttiluvulla. Molemmat voivat pyöriä samaan suuntaan, – Alkuainebosonit ovat fotoni, gluoni, Z-bosoni, W-bosoni ja Higgsin bosoni. Higgsin bosonin spin = 0, kun taas mittabosonien (eli fotonin, gluonin, Z-bosonin ja W-bosonin) spin = 1. |
| [C]. KOMPOSIITTIHIUKASET |
| Komposiittihiukkaset voivat olla bosoneja tai fermioneja ainesosistaan riippuen. – Kaikki komposiittihiukkaset, jotka koostuvat parillisesta määrästä fermioneja, ovat bosoneja (koska bosoneissa on kokonaislukuspin ja fermioneissa on pariton puolikokonaisluku). – Kaikki mesonit ovat bosoneja (koska kaikki mesonit koostuvat yhtä suuresta määrästä kvarkkeja ja antikvarkkeja). – Stabiileja ytimiä, joilla on parillinen massaluku, ovat bosonit, esim. deuterium, helium-4, hiili-12 jne. – Myöskään komposiittibosonit eivät noudata Paulin poissulkemisperiaatetta. – Useat bosonit samassa kvanttitilassa yhdistyvät muodostaakseenBose-Einstein-kondensaatti (BEC). |
***
