РЕКЛАМА

От какво в крайна сметка сме съставени? Кои са фундаменталните градивни елементи на Вселената?

НАУКИФИЗИКАОт какво в крайна сметка сме съставени? Кои са фундаменталните градивни елементи на Вселената?

Древните хора са смятали, че сме съставени от четири „елемента“ – вода, земя, огън и въздух; за които знаем, че не са елементи и сега има около 118 елемента. Всички елементи са изградени от атоми, за които някога се е смятало, че са неделими, но в началото на ХХ век след откритията на Джей Джей Томпсън и Ръдърфорд е известно, че атомите са съставени от ядра (съставени от протони и неутрони) в центъра и електрони, обикалящи около него. До 1970-те години на миналия век беше известно, че протоните и неутроните също не са фундаментални, а са съставени от „горещи кварки“ и „долу кварки“, като по този начин „електрони“, „нагоре кварки“ и „долу кварки“ са трите най-фундаментални съставни части на всичко. във вселената. С новаторските разработки в квантовата физика научихме, че частиците са производни, сноповете или пакетите енергия в полетата, предполагащи частици, не са фундаментални. Основното е полето, което стои в основата им. Сега можем да кажем, че квантовите полета са основните градивни елементи на всичко във Вселената (включително напреднали биологични системи като нас). Всички ние сме съставени 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? От какво е съставена Вселената? Кои са основните градивни елементи на природата? И кои са основните закони на природата, управляващи всичко във Вселената? Стандартният модел на науката е теорията, която отговаря на тези въпроси. Твърди се, че това е успешната теория на науката, изграждана някога през последните векове, една единствена теория, която обяснява повечето неща във Вселената.  

Хората рано знаеха, че сме съставени от елементи. Всеки елемент от своя страна се състои от атоми. Първоначално се смяташе, че атомите са неделими. Въпреки това, през 1897 г. JJ Thompson открива електрони, използвайки електрически разряд през електронно-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 в орбити кръжат отрицателно заредени електрони. 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 типа – „нагоре кварки“ и „надолу кварки“. (Кварките „нагоре“ и „надолу кварк“ са просто различни кварки и нямат връзка с никаква посока или време). Протоните са съставени от два „нагоре кварка“ и „надолу кварк“, докато неутронът се състои от два „надолу кварка“ и „нагоре кварк“. По този начин електроните, кварките нагоре и кварките надолу са трите най-фундаментални частици и градивни елементи на всичко във Вселената. Въпреки това, с напредъка в науката, това разбиране също претърпя промени. Полетата са фундаментални, а не частици, както се представяше преди.   

Според сегашното разбиране на науката, всичко във Вселената е съставено от невидими абстрактни същности, наречени „поля“, и които представляват основните градивни елементи на природата. Полето е нещо, което е разпространено във вселената и има определена стойност във всяка точка от пространството, която може да се промени с времето. Това е като вълни от флуид, който се люлее из цялата вселена, например магнитните и електрическите полета са разпръснати из вселената. Въпреки че не можем да видим електрически или магнитни полета, те са реални и физически и например се доказва от силата, която усещаме, когато два магнита се доближат.  

През 1920-те години на миналия век се наблюдават революционни промени в нашето разбиране за Вселената. Квантовата механика казва, че вместо да бъде непрекъсната, енергията винаги е разделена на някои дискретни бучки. От друга страна се смята, че полетата са непрекъснати.  

Частиците не са фундаментални. Основното е полето, което стои в основата им. Всички ние сме съставени от квантови полета

Квантовата теория на полето е идеята за комбиниране на квантовата механика с полета. Според това, електронната течност, вълните на вълните на тази течност, се свързват в малки снопове енергия по правилата на квантовата механика и тези снопове енергия са това, което наричаме частица, електрон. Електроните не са фундаментални. Те са вълните на едно и също основно поле. По подобен начин вълните на двете кваркови полета пораждат нагоре кварк и низходящи кварк. И същото важи за всяка друга частица във Вселената. Има полета, които лежат в основата на всичко. Това, което смятаме за частици, изобщо не са частици, те са вълни от тези полета, свързани в малки снопове енергия. Основните фундаментални градивни елементи на нашата вселена са тези подобни на течност вещества, които наричаме полета. Частиците са производни на тези полета, следователно не са фундаментални. В чист вакуум, когато частиците са извадени напълно, все още съществуват полета, които се управляват от правилата на квантовата механика.   

Три най-основни квантови полета в природата са електрон, нагоре кварк и долу кварк. Има и четвърто, наречено неутрино, но те не съставляват нас, а играят важна роля другаде във Вселената. Неутрино са навсякъде, те преминават през всичко навсякъде, без да си взаимодействат. Тези четири полета и свързаните с тях частици, а именно електрон, горен кварк, долен кварк и неутрино, образуват основата на Вселената. По неизвестни причини тези четири частици ги 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, долните кварки пораждат очарователен кварк, а горният кварк и неутриното пораждат мюонно неутрино и тау .  

По този начин има 12 полета, които дават материя, ние ги наричаме полета на материята. По-долу е даден списъкът с 12 полета (полета на материята), които съставляват 12 частици във Вселената.  

електрон (e) 
нагоре кварк (u) 
даун кварк (d) 
неутрино (νe
10-6 
Мюон (μ-
200 
странен кварк (и) 
200 
чар кварк (c) 
2000 
мюонно неутрино (νμ)  
10-6 
Тау (τ-
3000 
долен кварк (b) 
8000 
топ кварк (t)  
340,000 
тау неутрино (ντ
10-6 

Тези 12 полета взаимодействат помежду си чрез четири различни сили – гравитация, електромагнетизъм, силни ядрени сили (работят само в малък мащаб на ядрото, държат кварки заедно в протони и неутрони) и слаби ядрени сили (работят само в малък мащаб на ядрото, отговорни за радиоактивен разпад и иницииране на ядрен синтез).  

Всяка от тези сили е свързана с поле – електромагнитната сила е свързана с глуонното поле, полета, свързани със силни и слаби ядрени сили, са W и Z бозонно поле, а полето, свързано с гравитацията, е самото пространство-време. По-долу е списъкът с четири други полета, свързани с четири сили.    

електромагнитна сила  глуонно поле 
Силни и слаби ядрени сили w & z бозонно поле 
тегло  космическо време  

Вселената е изпълнена 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 вълнува нагоре и надолу (защото там има електрон), това стартира 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 той ще започне да взаимодейства с кварковото поле, което от своя страна ще осцилира и ще се вълнува. Последната картина, с която завършваме, е хармоничният танц между всички тези полета, които се преплитат едно в друго.  

Поле Хигс: Откритие през 2012 г  

През 1960-те години на миналия век Питър Хигс предсказва още едно поле. Наречено поле на Хигс, това стана неразделна част от нашето разбиране за Вселената през 1970-те години на миналия век. Но нямаше експериментални доказателства (което означава, че ако направим полето на Хигс да се вълнува, би трябвало да видим свързана частица) до 2012 г., когато изследователи от CERN от LHC съобщиха за откритието му. Частицата се държеше точно по начина, предвиден от модела. Частицата на Хигс има много кратък живот, около 10-22 секунди.  

Това беше последният градивен елемент на Вселената. 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.  

Например, свойството, което наричаме електрически заряд на електрона, е твърдение за това как полето на електроните взаимодейства с електромагнитното поле. Свойството на неговата маса е твърдението за това как тя взаимодейства с полето на Хигс. Следователно разбирането на полето на Хигс беше наистина необходимо, за да разберем значението на масата във Вселената. Откриването на полето на Хигс също беше потвърждение на Стандартния модел, който беше в сила от 1970-те години на миналия век, въпреки че това потвърждение отне около 50 години. 

В заключение, именно взаимодействието на наличните във Вселената полета поражда свойства като маса, заряд и т.н. на различни частици, които изпитваме. Квантовите полета и физиката на елементарните частици са динамични области на изследване. След откриването на полето на Хигс се осъществиха няколко разработки, които имат отношение към стандартния модел. Търсенето на отговори за ограниченията на стандартния модел продължава.

*** 

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  

***

Умеш Прасад
Умеш Прасадhttps://www.UmeshPrasad.org
Главен редактор, Scientific European

Абонирай се за нашия бюлетин

Да се ​​актуализира с всички най-нови новини, оферти и специални съобщения.

- Реклама -

Най-популярни статии

- Реклама -
99,772Феновекато
69,708последователиСледвай ни
6,319последователиСледвай ни
31АбонатиЗапиши се