Waar bestaan ​​we uiteindelijk uit? Wat zijn de fundamentele bouwstenen van het heelal?

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 ooit werd gedacht dat ze ondeelbaar waren. Aan het begin van de twintigste eeuw, na de ontdekkingen van JJ Thompson en Rutherford, was bekend dat atomen bestonden uit kernen (gemaakt van protonen en neutronen) in het midden 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 het universum. Met de baanbrekende ontwikkelingen in de kwantumfysica hebben we geleerd dat deeltjes eigenlijk afgeleiden zijn, de bundels of pakketten van energie 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 het 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 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 het interageert met het Higgs-veld.  

Sinds de oudheid hebben mensen zich afgevraagd waar we uit bestaan? Waaruit bestaat het universum? Wat zijn de fundamentele bouwstenen van de natuur? En wat zijn de basiswetten van de natuur die alles in het universum beheersen? Standaard model van de wetenschap is de theorie die deze vragen beantwoordt. Dit zou de succesvolle theorie van de wetenschap zijn die de afgelopen eeuwen ooit is gebouwd, één enkele theorie die de meeste dingen in het universum verklaart.  

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 1970 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 uit twee typen bestaan: "up quarks'' en "down quarks'' (" up quark" en "down quark" zijn slechts verschillende quarks. De termen 'up' en 'down' impliceren geen relatie met richting of tijd). Protonen zijn opgebouwd uit twee 'up quarks' en een 'down quark' terwijl een neutron is opgebouwd uit twee 'down quarks' en een 'up quark'. Dus, "elektronen", "up quarks" en "down quarks" zijn drie meest fundamentele deeltjes die bouwstenen zijn van alles in het universum. Met de vooruitgang in de wetenschap heeft dit begrip echter ook 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 begrip van de wetenschap bestaat alles in het universum uit onzichtbare abstracte entiteiten die 'velden' worden genoemd en die de fundamentele bouwstenen van de natuur vertegenwoordigen. Een veld is iets dat verspreid is over het universum en op elk punt in de ruimte een bepaalde waarde heeft die in de loop van de tijd kan veranderen. Het is als rimpelingen van vloeistof die door het universum slingeren, magnetische en elektrische velden zijn bijvoorbeeld verspreid over het universum. Hoewel we geen elektrische of magnetische velden kunnen zien, zijn ze echt 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 is opgedeeld in enkele afzonderlijke brokken.

Kwantumveldentheorie is het idee om kwantummechanica te combineren met velden. Volgens dit wordt de elektronenvloeistof (d.w.z. rimpelingen van de golven van deze vloeistof) gebonden in kleine energiebundels. Deze energiebundels noemen we elektronen. Elektronen zijn dus niet fundamenteel. Het zijn de golven van hetzelfde onderliggende veld. Evenzo geven rimpelingen van de twee quarkvelden aanleiding tot "up-quarks" en "down-quarks". En hetzelfde geldt voor elk ander deeltje in het universum. Velden liggen ten grondslag aan alles. Waar we aan denken als deeltjes, zijn eigenlijk golven van de velden die zijn vastgebonden in kleine bundels energie. De fundamentele fundamentele bouwstenen van ons universum zijn deze vloeistofachtige substanties die we velden noemen. Deeltjes zijn slechts afgeleiden van deze velden. In puur vacuüm, wanneer deeltjes volledig worden verwijderd, bestaan ​​er nog steeds velden.   

De drie meest basale kwantumvelden in de natuur zijn "elektron", "up quark" en "down quark". Er is een vierde die neutrino wordt genoemd, maar zij vormen niet ons, maar spelen elders in het universum een ​​belangrijke rol. Neutrino's zijn overal, ze stromen overal doorheen zonder interactie.

Materie velden: De vier fundamentele kwantumvelden en de bijbehorende deeltjes (namelijk "elektron", "up quark", "down quark" en "neutrino") vormen de basis van het universum. Om onbekende redenen reproduceren deze vier fundamentele deeltjes zichzelf twee keer. Elektronen reproduceren "muon" en "tau" (die respectievelijk 200 keer en 3000 keer zwaarder zijn dan elektronen); up quarks geven aanleiding tot "strange quark" en "bottom quark"; down-quarks geven aanleiding tot "charm-quark" en "top-quark"; terwijl neutrino aanleiding geeft 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 12 materievelden waaruit 12 deeltjes in het universum bestaan.  

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.    

Het 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 bijvoorbeeld het elektronenveld (een van de materievelden) op en neer begint te golven (omdat daar een elektron is), start dat een van de andere velden, bijvoorbeeld een elektromagnetisch veld, dat op zijn beurt zal ook oscilleren en rimpelen. Er zal licht worden uitgezonden, zodat het een beetje zal oscilleren. Op een gegeven moment zal het gaan interageren 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 een ander veld voorspeld door Peter Higgs. In de jaren zeventig werd dit een integraal onderdeel van ons begrip van het universum. Maar er was geen experimenteel bewijs (wat betekent dat als we het Higgs-veld laten rimpelen, we het bijbehorende deeltje zouden moeten zien) tot 1960 toen CERN-onderzoekers van LHC hun ontdekking rapporteerden. Het deeltje gedroeg zich precies zoals voorspeld door het model. Het Higgs-deeltje heeft een zeer korte levensduur, ongeveer 1970^-22 seconden.  

Dit was de laatste bouwsteen van het universum. Deze ontdekking was belangrijk omdat dit veld verantwoordelijk is voor wat we 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 in het universum aanwezige velden die aanleiding geven tot eigenschappen zoals massa, lading etc. van verschillende deeltjes die wij ervaren. De eigenschap die we elektrische lading van een elektron noemen, is bijvoorbeeld een uitspraak over hoe het elektronenveld interageert met het elektromagnetische veld. Evenzo is de eigenschap van zijn massa de verklaring over hoe deze interageert met het Higgs-veld.

Een goed begrip van het Higgs-veld was echt nodig, zodat we de betekenis van massa in het universum begrepen. De ontdekking van het veld 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  

***