ما در نهایت از چه چیزی تشکیل شده ایم؟ بلوک های ساختمانی اساسی کیهان چیست؟

مردم باستان فکر می کردند که ما از چهار عنصر تشکیل شده ایم - آب، خاک، آتش و هوا. که اکنون می دانیم عناصر نیستند. در حال حاضر، 118 عنصر وجود دارد. همه عناصر از اتم هایی تشکیل شده اند که زمانی تصور می شد غیرقابل تقسیم هستند. در اوایل قرن بیستم پس از اکتشافات جی جی تامپسون و رادرفورد، اتم ها از هسته (ساخته شده از پروتون و نوترون) در مرکز و الکترون ها تشکیل شده بودند. در حال چرخش دور و بر. در دهه 1970، مشخص شد که پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز بنیادی نیستند، بلکه از «کوارک‌های بالا» و «کوارک‌های پایین» تشکیل شده‌اند، بنابراین «الکترون‌ها»، «کوارک‌های بالا» و «کوارک‌های پایین» سه جزء اساسی هر چیزی هستند. در جهان. با پیشرفت‌های راهگشا در فیزیک کوانتومی، آموختیم که ذرات در واقع مشتق هستند، بسته‌ها یا بسته‌های انرژی در میدان‌هایی که دلالت بر ذرات دارند، اساسی نیستند. آنچه اساسی است میدانی است که زیربنای آنهاست. اکنون می‌توانیم بگوییم که میدان‌های کوانتومی بلوک‌های اساسی ساختمان همه چیز در آن هستند جهان (از جمله سیستم های بیولوژیکی پیشرفته ای مانند ما). همه ما از میدان های کوانتومی تشکیل شده ایم. ویژگی‌های ذرات مانند بار الکتریکی و جرم، بیانیه‌ای درباره نحوه تعامل میدان‌های آنها با میدان‌های دیگر است. به عنوان مثال، خاصیتی که ما آن را بار الکتریکی یک الکترون می نامیم، بیانیه ای در مورد نحوه تعامل میدان الکترونی با میدان الکترومغناطیسی است. و. خاصیت جرم آن عبارت است از نحوه تعامل آن با میدان هیگز.  

از زمان های قدیم، مردم به این فکر می کردند که ما از چه چیزی تشکیل شده ایم؟ چیست جهان ساخته شده از؟ اجزای سازنده اصلی طبیعت چیست؟ و قوانین اساسی طبیعت حاکم بر همه چیز در جهان چیست؟ جهان? مدل استاندارد علم نظریه ای است که به این سؤالات پاسخ می دهد. گفته می‌شود که این نظریه موفقیت‌آمیز علم است که در قرن‌های گذشته ساخته شده است، یک نظریه واحد که بیشتر چیزهای موجود در جهان را توضیح می‌دهد. جهان.  

مردم زود می دانستند که ما از عناصر تشکیل شده ایم. هر عنصر به نوبه خود از اتم تشکیل شده است. در ابتدا تصور بر این بود که اتم ها تقسیم ناپذیر هستند. با این حال، در سال 1897 جی جی تامپسون الکترون ها را با استفاده از تخلیه الکتریکی از طریق لوله پرتو کاتدی کشف کرد. اندکی پس از آن، در سال 1908، جانشین او رادرفورد از طریق آزمایش معروف خود با ورق طلا ثابت کرد که یک اتم دارای یک هسته کوچک با بار مثبت در مرکز است که الکترون های با بار منفی در اطراف آن حلقه می زنند. مدار. پس از آن مشخص شد که هسته ها از پروتون و نوترون تشکیل شده اند.  

در دهه 1970، کشف شد که نوترون ها و پروتون ها تقسیم ناپذیر نیستند، بنابراین بنیادی نیستند، اما هر پروتون و نوترون از سه ذره کوچکتر به نام کوارک ها تشکیل شده اند که دو نوع هستند - "کوارک های بالا" و "کوارک های پایین" (" کوارک بالا» و «کوارک پایین» صرفاً کوارک‌های متفاوتی هستند. پروتون ها از دو "کوارک بالا" و یک "کوارک پایین" تشکیل شده اند در حالی که یک نوترون از دو "کوارک پایین" و یک "کوارک بالا" تشکیل شده است. بنابراین، "الکترون ها"، "کوارک های بالا" و "کوارک های پایین" سه ذره اساسی هستند که بلوک های سازنده همه چیز در جهان هستند. جهان. با این حال، با پیشرفت علم، این درک نیز تغییراتی را به خود دیده است. میدان ها بنیادی هستند و ذرات نیستند.  

ذرات اساسی نیستند. آنچه اساسی است زمینه ای است که زیربنای آنهاست. همه ما از میدان های کوانتومی تشکیل شده ایم. 

طبق درک فعلی از علم، همه چیز در جهان از موجودات انتزاعی نامرئی به نام "میدان" تشکیل شده است که بلوک های ساختمانی اساسی طبیعت را نشان می دهد. میدان چیزی است که در سراسر آن گسترده شده است جهان و در هر نقطه از فضا مقدار خاصی می گیرد که می تواند با زمان تغییر کند. مانند موج‌هایی از مایع است که در سراسر آن تاب می‌خورد جهانبه عنوان مثال، میدان های مغناطیسی و الکتریکی در سراسر جهان پخش می شوند جهان. اگرچه ما نمی‌توانیم میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی را ببینیم، اما این میدان‌ها واقعی و فیزیکی هستند و نیرویی که هنگام نزدیک‌تر شدن دو آهن‌ربا احساس می‌کنیم، نشان می‌دهد. با توجه به مکانیک کوانتومی، تصور می‌شود که میدان‌ها بر خلاف انرژی که همیشه در برخی توده‌های مجزا جمع می‌شوند پیوسته هستند.

نظریه میدان کوانتومی ایده ترکیب مکانیک کوانتومی با میدان است. بر این اساس، سیال الکترونی (یعنی امواج امواج این سیال) به بسته‌های کوچک انرژی گره می‌خورد. این بسته های انرژی همان چیزی است که ما آن را الکترون می نامیم. بنابراین، الکترون ها بنیادی نیستند. آنها امواج همان میدان زیرین هستند. به طور مشابه، امواج دو میدان کوارک باعث ایجاد "کوارک های بالا" و "کوارک های پایین" می شود. و همین امر در مورد هر ذره دیگر در جهان. زمینه ها زیربنای همه چیز هستند. آنچه ما به عنوان ذرات در نظر می گیریم در واقع امواج میدان هایی هستند که به بسته های کوچک انرژی گره خورده اند. بلوک های اساسی اساسی ساختمان ما جهان این مواد سیال مانند هستند که ما آنها را میدان می نامیم. ذرات صرفاً مشتقات این میدان ها هستند. در خلاء خالص، وقتی ذرات به طور کامل خارج می شوند، میدان ها همچنان وجود دارند.   

سه میدان کوانتومی اساسی در طبیعت «الکترون»، «کوارک بالا» و «کوارک پایین» هستند. چهارمین موردی به نام نوترینو وجود دارد، با این حال، آنها ما را تشکیل نمی دهند بلکه نقش مهمی در جاهای دیگر ایفا می کنند. جهان. نوترینوها همه جا هستند، آنها بدون تعامل در همه چیز در همه جا جریان دارند.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/فیلدهای مادهچهار میدان کوانتومی اساسی و ذرات مرتبط با آنها (به عنوان مثال، "الکترون"، "کوارک بالا"، "کوارک پایین" و "نوترینو") سنگ بستر را تشکیل می دهند. جهان. به دلایل نامعلومی، این چهار ذره بنیادی خود را دو بار بازتولید می کنند. الکترون‌ها «میون» و «تاو» را بازتولید می‌کنند (که به ترتیب 200 برابر و 3000 بار سنگین‌تر از الکترون‌ها هستند). کوارک های بالا باعث ایجاد "کوارک عجیب" و "کوارک پایین" می شوند. کوارک های پایین باعث ایجاد "کوارک جذاب" و "کوارک بالا" می شوند. در حالی که نوترینو باعث ایجاد "نوترینو میون" و "نوترینو تاو" می شود.  

بنابراین، 12 میدان وجود دارد که باعث ایجاد ذرات می شود، ما آنها را می نامیم زمینه های ماده.

در زیر فهرستی از 12 میدان ماده وجود دارد که 12 ذره را تشکیل می دهند جهان.  

فیلدهای نیرو12 میدان ماده از طریق چهار نیروی مختلف با یکدیگر تعامل دارند - جاذبه زمین, الکترومغناطیس, نیروهای هسته ای قوی (فقط در مقیاس کوچک هسته عمل می کنند، کوارک ها را در داخل پروتون ها و نوترون ها کنار هم نگه می دارند) و نیروهای هسته ای ضعیف (فقط در مقیاس کوچک هسته، مسئول واپاشی رادیواکتیو و شروع همجوشی هسته ای عمل می کند). هر یک از این نیروها به یک میدان مرتبط است - نیروی الکترومغناطیسی مرتبط است میدان گلوئونمیدان های مرتبط با نیروهای هسته ای قوی و ضعیف هستند میدان بوزون W و Z و میدان مرتبط با گرانش است فضا-زمان خود.

در زیر لیستی از چهار میدان نیروی مرتبط با چهار نیرو آمده است.    

La جهان با این 16 میدان پر شده است (12 میدان ماده به اضافه 4 میدان مرتبط با چهار نیرو). این زمینه ها به روش های هماهنگ با هم تعامل دارند. برای مثال، هنگامی که میدان الکترونی (یکی از میدان‌های ماده)، شروع به بالا و پایین شدن می‌کند (چون یک الکترون در آنجا وجود دارد)، که یکی از میدان‌های دیگر، مثلاً میدان الکترو مغناطیسی را شروع می‌کند که به نوبه خود، همچنین نوسان و موج می زند. نوری وجود خواهد داشت که ساطع می شود تا کمی نوسان کند. در یک نقطه، آن شروع به تعامل با میدان کوارک می کند، که به نوبه خود، نوسان می کند و موج می زند. تصویر نهایی که در نهایت به آن می پردازیم، رقص هماهنگ بین همه این میدان ها است که در هم تنیده شده اند.  

میدان هیگز

در دهه 1960، یک میدان دیگر توسط پیتر هیگز پیش بینی شد. در دهه 1970، این بخشی جدایی ناپذیر از درک ما در مورد آن شد جهان. اما هیچ شواهد تجربی وجود نداشت (به این معنی که اگر میدان هیگز را موج دار کنیم، باید ذره مرتبط را ببینیم) تا سال 2012 که محققان CERN در LHC کشف آن را گزارش کردند. ذره دقیقاً همان طور که توسط مدل پیش بینی شده بود رفتار کرد. ذره هیگز عمر بسیار کوتاهی دارد، حدود 10^-22 ثانیه صورت گرفت.  

این آخرین بلوک ساختمانی بود جهان. این کشف مهم بود زیرا این میدان مسئول چیزی است که ما در آن جرم می نامیم جهان.  

ویژگی‌های ذرات (مانند بار الکتریکی و جرم) بیانیه‌ای درباره نحوه تعامل میدان‌های آنها با میدان‌های دیگر است.  

این تعامل از زمینه های موجود در است جهان که باعث ایجاد خواصی مانند جرم، بار و غیره از ذرات مختلف می شود که توسط ما تجربه شده است. به عنوان مثال، خاصیتی که ما آن را بار الکتریکی یک الکترون می نامیم، بیانیه ای در مورد نحوه تعامل میدان الکترونی با میدان الکترومغناطیسی است. به طور مشابه، خاصیت جرم آن بیانیه ای در مورد نحوه تعامل آن با میدان هیگز است.

درک درستی از میدان هیگز واقعاً مورد نیاز بود تا معنای جرم را در میدان درک کنیم جهان. کشف میدان هیگز نیز تأییدی بر مدل استاندارد بود که از دهه 1970 وجود داشت.

میدان‌های کوانتومی و فیزیک ذرات رشته‌های مطالعاتی پویا هستند. از زمان کشف میدان هیگز، تحولات متعددی رخ داده است که با مدل استاندارد ارتباط دارد. تلاش برای یافتن پاسخ برای محدودیت های مدل استاندارد ادامه دارد.

*** 

منابع:  

The Royal Institution 2017. میدان های کوانتومی: بلوک های سازنده واقعی جهان – با دیوید تانگ. در دسترس آنلاین در https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***