Древните хора са смятали, че сме съставени от четири „елемента“ – вода, земя, огън и въздух; които сега знаем, че не са елементи. В момента има около 118 елемента. Всички елементи са съставени от атоми, за които някога се е смятало, че са неделими. До началото на двадесети век, след откритията на Дж. Дж. Томпсън и Ръдърфорд, беше известно, че атомите са съставени от ядра (изградени от протони и неутрони) в центъра и електрони орбита наоколо. През 1970-те години на миналия век се знаеше, че протоните и неутроните също не са фундаментални, а са съставени от „горещи кварки“ и „долни кварки“, което прави „електрони“, „горещи кварки“ и „низходящи кварки“ трите най-фундаментални съставни части на всичко в вселена. С революционните разработки в квантовата физика научихме, че частиците всъщност са производни, сноповете или пакетите енергия в полетата, предполагащи частици, не са фундаментални. Основното е полето, което е в основата им. Сега можем да кажем, че квантовите полета са основните градивни елементи на всичко в вселена (включително напреднали биологични системи като нас). Всички сме изградени от квантови полета. Свойствата на частиците като електрически заряд и маса са твърдения за това как техните полета взаимодействат с други полета. Например свойството, което наричаме електрически заряд на електрона, е твърдение за това как полето на електроните взаимодейства с електромагнитното поле. И. свойството на неговата маса е твърдението за това как тя взаимодейства с полето на Хигс.
От древни времена хората са се чудили от какво сме съставени? Какво е вселена съставена от? Кои са основните градивни елементи на природата? И какви са основните закони на природата, управляващи всичко в вселена? Стандартен модел на науката е теорията, която отговаря на тези въпроси. Твърди се, че това е успешната научна теория, създавана някога през последните векове, една единствена теория, която обяснява повечето от нещата в вселена.
Хората разбраха рано, че сме съставени от елементи. Всеки елемент от своя страна е изграден от атоми. Първоначално се е смятало, че атомите са неделими. Въпреки това, през 1897 г. JJ Thompson открива електрони, използвайки електрически разряд през катодно-лъчева тръба. Скоро след това, през 1908 г., неговият наследник Ръдърфорд доказва чрез известния си експеримент със златно фолио, че атомът има малко положително заредено ядро в центъра, около което кръжат отрицателно заредени електрони орбити. Впоследствие беше установено, че ядрата са изградени от протони и неутрони.
През 1970-те години на миналия век беше открито, че неутроните и протоните не са неделими, следователно не са фундаментални, но всеки протон и неутрон са съставени от три по-малки частици, наречени кварки, които са от два вида – „горещи кварки“ и „долни кварки“ (“ нагоре кварк” и „надолу кварк” са просто различни термини „нагоре” и „надолу” не предполагат никаква връзка с посоката или времето). Протоните се състоят от два „нагоре кварка“ и „надолу кварк“, докато неутронът е изграден от два „надолу кварка“ и „нагоре кварк“. По този начин „електрони“, „горещи кварки“ и „низходящи кварки“ са три най-фундаментални частици, които са градивни елементи на всичко в вселена. Въпреки това, с напредъка на науката, това разбиране също претърпя промени. Установено е, че полетата са фундаментални, а не частици.
Частиците не са фундаментални. Основното е полето, което стои в основата им. Всички ние сме съставени от квантови полета.
Според сегашното разбиране на науката, всичко в вселена се състои от невидими абстрактни единици, наречени „полета“, които представляват основните градивни елементи на природата. Полето е нещо, което е разпръснато вселена и приема определена стойност във всяка точка в пространството, която може да се променя с времето. Това е като вълни от течност, които се люлеят навсякъде вселена, например, магнитните и електрическите полета се разпространяват в вселена. Въпреки че не можем да видим електрически или магнитни полета, те са реални и физически, както се вижда от силата, която усещаме, когато два магнита се доближат. Според квантовата механика се смята, че полетата са непрекъснати за разлика от енергията, която винаги е разделена на някои отделни бучки.
Квантовата теория на полето е идеята за комбиниране на квантовата механика с полетата. Според това електронният флуид (т.е. вълните на вълните на този флуид) се свързват в малки снопчета енергия. Тези снопове енергия са това, което наричаме електрони. Следователно електроните не са фундаментални. Те са вълните на едно и също основно поле. По подобен начин, вълните на двете кваркови полета пораждат „горещи кварки“ и „низходящи кварки“. И същото важи за всяка друга частица в вселена. Полетата са в основата на всичко. Това, което смятаме за частици, всъщност са вълни от полета, свързани в малки снопчета енергия. Основните фундаментални градивни елементи на нашия вселена са тези течноподобни вещества, които наричаме полета. Частиците са просто производни на тези полета. В чистия вакуум, когато частиците се извадят напълно, полетата все още съществуват.
Трите най-основни квантови полета в природата са „електрон“, „горен кварк“ и „нисходящ кварк“. Има и четвърто, наречено неутрино, но те не представляват нас, а играят важна роля другаде в вселена. Неутрино са навсякъде, те преминават през всичко навсякъде, без да си взаимодействат.
Полета на материята: Четирите основни квантови полета и свързаните с тях частици (а именно „електрон“, „горен кварк“, „нисходящ кварк“ и „неутрино“) формират основата на вселена. По неизвестни причини тези четири основни частици се възпроизвеждат два пъти. Електроните възпроизвеждат „мюон“ и „тау“ (които са съответно 200 пъти и 3000 пъти по-тежки от електроните); горните кварки пораждат „странен кварк“ и „долен кварк“; низходящите кварки пораждат „кварк на очарованието“ и „топ кварк“; докато неутриното поражда „мюонно неутрино“ и „тау неутрино“.
Така че има 12 полета, които пораждат частици, ние ги наричаме полета на материята.
По-долу е списъкът с 12 полета на материята, които съставят 12 частици в вселена.
Силови полета: 12-те полета на материята взаимодействат едно с друго чрез четири различни сили – тегло, електромагнетизма, силни ядрени сили (работят само в малък мащаб на ядрото, задържат кварките заедно вътре в протони и неутрони) и слаби ядрени сили (работят само в малък мащаб на ядро, отговорни за радиоактивния разпад и инициират ядрен синтез). Всяка от тези сили е свързана с поле – електромагнитната сила е свързана с глуонно поле, са полета, свързани със силни и слаби ядрени сили W и Z бозонно поле а полето, свързано с гравитацията, е космическо време себе си.
По-долу е списъкът с четири силови полета, свързани с четири сили.
| електромагнитна сила | глуонно поле |
| Силни и слаби ядрени сили | w & z бозонно поле |
| тегло | космическо време |
- вселена е изпълнен с тези 16 полета (12 полета на материята плюс 4 полета, свързани с четири сили). Тези полета си взаимодействат по хармоничен начин. Например, когато електронното поле (едно от полетата на материята) започне да се движи нагоре и надолу (защото там има електрон), това задейства едно от другите полета, да речем електромагнитно поле, което от своя страна ще също осцилират и пулсират. Ще има светлина, която се излъчва, така че ще осцилира малко. В един момент то ще започне да взаимодейства с полето на кварка, което от своя страна ще осцилира и ще се вълни. Крайната картина, която завършваме, е хармоничният танц между всички тези полета, преплитащи се едно в друго.
Хигс поле
През 1960-те години на миналия век едно друго поле е предсказано от Питър Хигс. През 1970-те години това стана неразделна част от разбирането ни за вселена. Но нямаше експериментални доказателства (което означава, че ако накараме полето на Хигс да се вълни, трябва да видим свързана частица) до 2012 г., когато изследователи от CERN в LHC съобщиха за откритието му. Частицата се държеше точно по начина, предвиден от модела. Частицата Хигс има много кратък живот, около 10-22 секунди.
Това беше последният градивен елемент на вселена. Това откритие беше важно, защото това поле е отговорно за това, което наричаме маса в вселена.
Свойствата на частиците (като електрически заряд и маса) са твърдения за това как техните полета взаимодействат с други полета.
Това е взаимодействието на полетата, присъстващи в вселена които пораждат свойства като маса, заряд и т.н. на различни частици, които изпитваме. Например свойството, което наричаме електрически заряд на електрона, е твърдение за това как полето на електроните взаимодейства с електромагнитното поле. По същия начин, свойството на неговата маса е твърдението за това как тя взаимодейства с полето на Хигс.
Разбирането на полето на Хигс наистина беше необходимо, за да разберем значението на масата в вселена. Откриването на полето на Хигс също беше потвърждение на Стандартния модел, който беше в сила от 1970 г.
Квантовите полета и физиката на елементарните частици са динамични области на изследване. След откриването на полето на Хигс се случиха няколко разработки, които имат отношение към стандартния модел. Търсенето на отговори за ограниченията на стандартния модел продължава.
Стандартен модел на елементарните частици: 12-те фундаментални фермиона и 5 фундаментални бозона.
***
Източници:
Кралската институция 2017. Квантови полета: Реалните градивни блокове на Вселената – с Дейвид Тонг. Предлага се онлайн на https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
ФУНДАМЕНТАЛНИ ЧАСТИЦИ – Бърз поглед
| Фундаменталните частици се класифицират на фермиони и бозони въз основа на спина. |
| [A]. ФЕРМИОНИ |
| Фермионите имат спин в нечетни половинни цели числа (½, 3/2, 5/2, ...). Това са частици материя състоящ се от всички кварки и лептони. – следвайте статистиката на Ферми-Дирак, – имат завъртане на полунечетно цяло число – подчиняват се на принципа на изключване на Паули, т.е. два еднакви фермиона не могат да заемат едно и също квантово състояние или едно и също място в пространството с едно и също квантово число. Те не могат и двата да се въртят в една и съща посока, но могат да се въртят в противоположни посоки. – Фермионите включват всички кварки и лептони, както и всички съставни частици, съставени от нечетен брой от тях. - Кварки = шест кварка (нагоре, надолу, странен, чар, долни и горни кварки). – Комбинирайте, за да образувате адрони като протони и неутрони. – Не може да се наблюдава извън адроните. – Лептони = електрони + мюони + тау + неутрино + мюон неутрино + тау неутрино. – „Електрони“, „горещи кварки“ и „низходящи кварки“ трите най-фундаментални съставни части на всичко във Вселената. – Протоните и неутроните не са фундаментални, но се състоят от „горещи кварки“ и „низходящи кварки“, следователно са композитни частициПротоните и неутроните са съставени от по три кварка – протонът се състои от два „горни“ кварка и един „долни“ кварк, докато неутронът съдържа два „долни“ и един „горен“. „Горният“ и „долният“ са два „аромата“ или разновидности на кварките. - Бариони са съставни фермиони, направени от три кварка, напр. протоните и неутроните са бариони - адрони са съставени само от кварки, напр. бариони (съставени от два или повече кварка) и мезони (съставен от кварк и антикварк). |
| [Б]. БОЗОНИ |
| Бозоните имат спин в целочислени стойности (0, 1, 2, 3, ...). – Бозоните следват статистиката на Бозе-Айнщайн; имат цяло число завъртане. – кръстен на Сатиендра Нат Босе (1894–1974), който, заедно с Айнщайн, развива основните идеи зад статистическата термодинамика на бозонен газ. – не се подчиняват на принципа на изключване на Паули, т.е. два идентични бозона могат да заемат едно и също квантово състояние или едно и също място в пространството с едно и също квантово число. И двамата могат да се въртят в една и съща посока, – Елементарни бозони са фотонът, глуонът, Z бозонът, W бозонът и Хигс бозонът. Хигс бозонът има спин=0, докато калибровъчните бозони (т.е. фотон, глуон, Z бозон и W бозон) имат спин=1. |
| [C]. КОМПОЗИТНИ ЧАСТИЦИ |
| Композитните частици могат да бъдат бозони или фермиони в зависимост от съставките им. – Всички съставни частици, съставени от четен брой фермиони, са бозони (тъй като бозоните имат цяло число, а фермионите имат нечетно половин цяло число). – Всички мезони са бозони (защото всички мезони са съставени от равен брой кварки и антикварки). – Стабилни ядра с четни масови числа са бозони, например деутерий, хелий-4, въглерод-12 и др. – Композитните бозони също не се подчиняват на принципа на изключване на Паули. – Няколко бозона в едно и също квантово състояние се сливат, за да образуват “Кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC).“ |
***
