Oude mensen dachten dat we uit vier 'elementen' bestonden: water, aarde, vuur en lucht; waarvan we nu weten dat het geen elementen zijn. Momenteel zijn er ongeveer 118 elementen. Alle elementen zijn opgebouwd uit atomen waarvan men ooit dacht dat ze ondeelbaar waren. Aan het begin van de twintigste eeuw, na de ontdekkingen van JJ Thompson en Rutherford, was het bekend dat atomen bestonden uit kernen (gemaakt van protonen en neutronen) in het centrum en elektronen die eromheen cirkelden. In de jaren zeventig was bekend dat protonen en neutronen ook niet fundamenteel zijn, maar bestaan uit ‘up-quarks’ en ‘down-quarks’, waardoor ‘elektronen’, ‘up-quarks’ en ‘down-quarks’ de drie meest fundamentele bestanddelen van alles zijn. in de universum. Met de baanbrekende ontwikkelingen in de kwantumfysica hebben we geleerd dat deeltjes eigenlijk afgeleiden zijn; de bundels of energiepakketten in de velden die deeltjes impliceren, zijn niet fundamenteel. Wat fundamenteel is, is het veld dat eraan ten grondslag ligt. We kunnen nu zeggen dat kwantumvelden de fundamentele bouwstenen zijn van alles in de wereld universum (inclusief geavanceerde biologische systemen zoals wij). We bestaan allemaal uit kwantumvelden. Eigenschappen van deeltjes, zoals elektrische lading en massa, zijn uitspraken over hoe hun velden interageren met andere velden. De eigenschap die we de elektrische lading van een elektron noemen, is bijvoorbeeld een uitspraak over hoe het elektronenveld interageert met het elektromagnetische veld. En. de eigenschap van zijn massa is de verklaring over hoe deze samenwerkt met het Higgsveld.
Sinds de oudheid vragen mensen zich af waar we uit bestaan? Wat is de universum gemaakt van? Wat zijn de fundamentele bouwstenen van de natuur? En wat zijn de fundamentele natuurwetten die alles in de wereld beheersen? universum? Standaard model van de wetenschap is de theorie die deze vragen beantwoordt. Er wordt gezegd dat dit de succesvolle wetenschapstheorie is die de afgelopen eeuwen is opgebouwd, één enkele theorie die de meeste dingen in de wereld verklaart. universum.
Mensen wisten al vroeg dat we uit elementen bestaan. Elk element is op zijn beurt weer opgebouwd uit atomen. Aanvankelijk dacht men dat atomen ondeelbaar zijn. In 1897 ontdekte JJ Thompson echter elektronen met behulp van elektrische ontlading via een kathodestraalbuis. Kort daarna, in 1908, bewees zijn opvolger Rutherford met zijn beroemde goudfolie-experiment dat een atoom in het midden een kleine positief geladen kern heeft waarrond negatief geladen elektronen in banen cirkelen. Vervolgens werd ontdekt dat kernen zijn opgebouwd uit protonen en neutronen.
In de jaren zeventig werd ontdekt dat neutronen en protonen niet ondeelbaar zijn en dus niet fundamenteel, maar dat elk proton en neutron bestaat uit drie kleinere deeltjes, quarks genaamd, die van twee typen zijn: ‘up-quarks’ en ‘down-quarks’ (“ up quark” en “down quark” zijn slechts verschillende quarks. De termen 'up' en 'down' impliceren geen enkele relatie met richting of tijd). Protonen bestaan uit twee “up-quarks” en een “down-quark”, terwijl een neutron bestaat uit twee “down-quarks” en een “up-quark”. Dus ‘elektronen’, ‘up-quarks’ en ‘down-quarks’ zijn de drie meest fundamentele deeltjes die bouwstenen zijn van alles in de wereld. universum. Door de vooruitgang in de wetenschap heeft ook dit inzicht echter veranderingen ondergaan. Velden blijken fundamenteel te zijn en geen deeltjes.
Deeltjes zijn niet fundamenteel. Wat fundamenteel is, is het veld dat eraan ten grondslag ligt. We bestaan allemaal uit kwantumvelden.
Volgens het huidige inzicht in de wetenschap is alles in de universum bestaat uit onzichtbare abstracte entiteiten die 'velden' worden genoemd en die de fundamentele bouwstenen van de natuur vertegenwoordigen. Een veld is iets dat verspreid is universum en neemt op elk punt in de ruimte een bepaalde waarde aan die in de loop van de tijd kan veranderen. Het is als vloeistofrimpelingen die door de hele wereld slingeren universumMagnetische en elektrische velden zijn bijvoorbeeld verspreid over de hele wereld universum. Hoewel we elektrische of magnetische velden niet kunnen zien, zijn ze reëel en fysiek, zoals blijkt uit de kracht die we voelen wanneer twee magneten dichterbij worden gebracht. Volgens de kwantummechanica wordt aangenomen dat velden continu zijn, in tegenstelling tot energie die altijd in afzonderlijke brokken is opgedeeld.
Kwantumveldentheorie is het idee om kwantummechanica te combineren met velden. Volgens dit principe raakt de elektronenvloeistof (d.w.z. de golven van deze vloeistof) gebonden in kleine energiebundels. Deze energiebundels zijn wat we elektronen noemen. Elektronen zijn dus niet fundamenteel. Het zijn de golven van hetzelfde onderliggende veld. Op dezelfde manier geven de rimpelingen van de twee quarkvelden aanleiding tot ‘up-quarks’ en ‘down-quarks’. En hetzelfde geldt voor elk ander deeltje in de universum. Velden liggen ten grondslag aan alles. Wat wij als deeltjes beschouwen, zijn eigenlijk golven van de velden die zijn samengebonden in kleine energiebundels. De fundamentele fundamentele bouwstenen van onze universum zijn deze vloeistofachtige stoffen die we velden noemen. Deeltjes zijn slechts afgeleiden van deze velden. In puur vacuüm, wanneer deeltjes volledig zijn verwijderd, bestaan er nog steeds velden.
De drie meest fundamentele kwantumvelden in de natuur zijn ‘elektron’, ‘up-quark’ en ‘down-quark’. Er is een vierde, neutrino genaamd. Deze vormen echter niet ons lichaam, maar spelen elders in de wereld een belangrijke rol universum. Neutrino's zijn overal, ze stromen overal doorheen zonder interactie.
https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Materie velden: De vier fundamentele kwantumvelden en de bijbehorende deeltjes (nl. ‘elektron’, ‘up quark’, ‘down quark’ en ‘neutrino’) vormen de basis van de universum. Om onbekende redenen reproduceren deze vier fundamentele deeltjes zichzelf tweemaal. Elektronen reproduceren “muon” en “tau” (die respectievelijk 200 keer en 3000 keer zwaarder zijn dan elektronen); up-quarks geven aanleiding tot ‘vreemde quark’ en ‘bottom-quark’; down-quarks geven aanleiding tot “charm-quark” en “top-quark”; terwijl neutrino's aanleiding geven tot "muon-neutrino" en "tau-neutrino".
Er zijn dus 12 velden die aanleiding geven tot deeltjes, we noemen ze materie velden.
Hieronder staat de lijst met twaalf materievelden waaruit twaalf deeltjes bestaan universum.
Forceer velden: De 12 materievelden interageren met elkaar via vier verschillende krachten – zwaartekracht, electromagnetisme, sterke nucleaire krachten (werken alleen op kleine schaal van de kern, houden quarks bij elkaar in protonen en neutronen) en zwakke kernkrachten (werkt alleen op kleine schaal van de kern, verantwoordelijk voor radioactief verval en start kernfusie). Elk van deze krachten is gekoppeld aan een veld - elektromagnetische kracht is gekoppeld gluon veld, velden die verband houden met sterke en zwakke kernkrachten W- en Z-bosonveld en het veld geassocieerd met zwaartekracht is ruimte tijd zelf.
Hieronder staat de lijst van vier krachtvelden die geassocieerd zijn met vier krachten.
| elektromagnetische kracht | gluon veld |
| Sterke en zwakke kernkrachten | w & z boson veld |
| zwaartekracht | ruimte tijd |
De universum is gevuld met deze 16 velden (12 materievelden plus 4 velden geassocieerd met vier krachten). Deze velden werken op harmonieuze wijze met elkaar samen. Wanneer het elektronenveld (een van de materievelden) bijvoorbeeld op en neer begint te golven (omdat daar een elektron zit), wordt een van de andere velden op gang gebracht, bijvoorbeeld een elektromagnetisch veld, dat op zijn beurt ook oscilleren en rimpelen. Er zal licht zijn dat wordt uitgezonden, dus dat zal een beetje oscilleren. Op een gegeven moment zal het een interactie aangaan met het quarkveld, dat op zijn beurt zal oscilleren en rimpelen. Het uiteindelijke beeld dat we krijgen is de harmonieuze dans tussen al deze velden, die in elkaar grijpen.
Higgs-veld
In de jaren zestig werd nog een ander veld voorspeld door Peter Higgs. In de jaren zeventig werd dit een integraal onderdeel van ons begrip over de universum. Maar er was geen experimenteel bewijs (wat betekent dat als we het Higgs-veld laten rimpelen, we bijbehorende deeltjes zouden zien) tot 2012, toen CERN-onderzoekers bij LHC hun ontdekking rapporteerden. Het deeltje gedroeg zich precies zoals voorspeld door het model. Het Higgsdeeltje heeft een zeer korte levensduur, ongeveer 10 jaar-22 seconden.
Dit was de laatste bouwsteen van de universum. Deze ontdekking was belangrijk omdat dit veld verantwoordelijk is voor wat wij massa noemen in de universum.
Eigenschappen van deeltjes (zoals elektrische lading en massa) zijn uitspraken over hoe hun velden interageren met andere velden.
Het is de interactie van de velden die aanwezig zijn in de universum die aanleiding geven tot eigenschappen zoals massa, lading enz. van verschillende deeltjes die wij ervaren. De eigenschap die we de elektrische lading van een elektron noemen, is bijvoorbeeld een uitspraak over hoe het elektronenveld interageert met het elektromagnetische veld. Op dezelfde manier is de eigenschap van zijn massa de verklaring over hoe deze samenwerkt met het Higgsveld.
Een goed begrip van het Higgsveld was echt nodig, zodat we de betekenis van massa in de wereld konden begrijpen universum. De ontdekking van het vakgebied van Higgs was ook een bevestiging van het standaardmodel dat sinds de jaren zeventig van kracht was.
Kwantumvelden en deeltjesfysica zijn dynamische vakgebieden. Sinds de ontdekking van het veld van Higgs hebben er verschillende ontwikkelingen plaatsgevonden die betrekking hebben op het standaardmodel. Zoektocht naar antwoorden voor de beperkingen van het Standaardmodel gaat door.
***
Bronnen:
The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe - met David Tong. Online verkrijgbaar bij https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
