Oude mensen dachten dat we uit vier 'elementen' bestonden: water, aarde, vuur en lucht; waarvan we weten dat het geen elementen zijn en er zijn nu zo'n 118 elementen. Alle elementen bestaan uit atomen waarvan ooit werd gedacht dat ze ondeelbaar waren, maar in het begin van de twintigste eeuw, na de ontdekkingen van JJ Thompson en Rutherford, was bekend dat atomen bestonden uit kernen (bestaande uit protonen en neutronen) in het centrum en elektronen die eromheen draaiden. In de jaren zeventig was het bekend dat protonen en neutronen ook niet fundamenteel zijn, maar zijn samengesteld 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 afgeleiden zijn, de bundels of pakketten van energie in de velden die inhouden dat deeltjes niet fundamenteel zijn. 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 verklaring 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 waaruit we bestaan? Waar bestaat het universum uit? Wat zijn de fundamentele bouwstenen van de natuur? En wat zijn de basiswetten van de natuur die alles in het universum beheersen? Het standaardmodel van de wetenschap is de theorie die deze vragen beantwoordt. Dit zou de succesvolle wetenschapstheorie zijn die ooit in de afgelopen eeuwen 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 zeventig werd ontdekt dat neutronen en protonen niet ondeelbaar zijn en daarom niet fundamenteel, maar elk proton en neutron bestaat uit drie kleinere deeltjes die quarks worden genoemd en die van twee soorten zijn: "up-quarks'' en "down-quarks''. (De "up-quark" en "down-quark"-quarks zijn slechts verschillende quarks en hebben geen relatie met enige richting of tijd). Protonen zijn opgebouwd 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 en bouwstenen van alles in het universum. Met de vooruitgang in de wetenschap heeft dit begrip echter ook veranderingen ondergaan. Velden zijn fundamenteel en geen deeltjes, zoals eerder werd gedacht.
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 over het universum is verspreid en op elk punt in de ruimte een bepaalde waarde aanneemt die met de tijd kan veranderen. Het is als rimpelingen van vloeistof die door het universum zwaaien, magnetische en elektrische velden zijn bijvoorbeeld verspreid over het universum. Hoewel we elektrische of magnetische velden niet kunnen zien, zijn ze echt en fysiek en blijkt bijvoorbeeld uit de kracht die we voelen wanneer twee magneten dichterbij worden gebracht.
In de jaren twintig waren er revolutionaire veranderingen in ons begrip van het universum. De kwantummechanica zegt dat energie, in plaats van continu te zijn, altijd wordt opgedeeld in een aantal discrete brokken. Aan de andere kant wordt aangenomen dat velden continu zijn.
Deeltjes zijn niet fundamenteel. Wat fundamenteel is, is het veld dat eraan ten grondslag ligt. We bestaan allemaal uit kwantumvelden.
Kwantumveldentheorie is het idee om kwantummechanica te combineren met velden. Volgens dit wordt de elektronenvloeistof, de rimpelingen van de golven van deze vloeistof, door de regels van de kwantummechanica in kleine bundels energie gebonden, en die bundels energie zijn wat we het deeltje, het elektron, noemen. Elektronen zijn niet fundamenteel. Het zijn de golven van hetzelfde onderliggende veld. Evenzo geven rimpelingen van de twee quarkvelden aanleiding tot up-quark en de down-quark. En hetzelfde geldt voor elk ander deeltje in het universum. Er zijn velden die aan alles ten grondslag liggen. Wat wij als deeltjes beschouwen, zijn eigenlijk helemaal geen deeltjes, het zijn golven van deze 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 afgeleiden van deze velden, dus niet fundamenteel. In puur vacuüm, wanneer deeltjes volledig worden verwijderd, bestaan er nog steeds velden die worden beheerst door de regels van de kwantummechanica.
De drie meest basale kwantumvelden in de natuur zijn elektron, up-quark en down-quark. Er is een vierde die neutrino wordt genoemd, maar ze vormen niet ons, maar spelen een belangrijke rol elders in het universum. Neutrino's zijn overal, ze stromen overal door alles heen zonder interactie. Deze vier velden en de bijbehorende deeltjes, namelijk elektron, up-quark, down-quark en neutrino, vormen de basis van het universum. Om onbekende redenen reproduceren deze vier deeltjes ze twee keer. 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 en neutrino geven aanleiding tot muon-neutrino en tau-neutrino .
Er zijn dus 12 velden die materie geven, we noemen ze materievelden. Hieronder staat de lijst van 12 velden (materievelden) waaruit 12 deeltjes in het universum bestaan.
| elektron (e) 1 | up-quark (u) 8 | down-quark (d) 4 | neutrino (ve) 10-6 |
| Muon-) 200 | vreemde quark(s) 200 | charm-kwark (c) 2000 | muon-neutrino (νμ) 10-6 |
| Tau (τ-) 3000 | onderste kwark (b) 8000 | top-quark (t) 340,000 | tau-neutrino (ντ) 10-6 |
Deze 12 velden werken met elkaar samen door middel van vier verschillende krachten: zwaartekracht, elektromagnetisme, sterke kernkrachten (werkt alleen op kleine schaal van de kern, houdt quarks bij elkaar in protonen en neutronen) en zwakke kernkrachten (werkt alleen op kleine schaal van de kern, verantwoordelijk voor radioactief verval en het initiëren van kernfusie).
Elk van deze krachten is geassocieerd met een veld - elektromagnetische kracht is geassocieerd met gluonveld, velden geassocieerd met sterke en zwakke kernkrachten zijn W- en Z-bosonveld en het veld geassocieerd met zwaartekracht is ruimte-tijd zelf. Hieronder is de lijst van vier andere velden die verband houden met vier krachten.
| elektromagnetische kracht | gluon veld |
| Sterke en zwakke kernkrachten | w & z boson veld |
| zwaartekracht | ruimte tijd |
Het universum is gevuld met deze 16 velden - 12 materievelden plus 4 velden geassocieerd met vier krachten. Deze velden werken harmonieus samen. Wanneer bijvoorbeeld het elektronenveld (een van de materievelden), op en neer begint te zwaaien (omdat daar een elektron is), wordt een van de andere velden geactiveerd, zeg maar een elektromagnetisch veld dat op zijn beurt ook oscilleren en rimpelen. Er zal licht zijn dat wordt uitgestraald, 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.
Higgsveld: ontdekking in 2012
In de jaren zestig werd nog een ander veld voorspeld door Peter Higgs. Dit werd Higgs-veld genoemd en werd in de jaren zeventig 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 geassocieerd deeltje zouden moeten zien) tot 1960 toen CERN-onderzoekers van LHC de ontdekking ervan rapporteerden. Het deeltje gedroeg zich precies zoals voorspeld door het model. Het Higgs-deeltje heeft een zeer korte levensduur, van 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.
De eigenschap die we elektrische lading van een elektron noemen, is bijvoorbeeld een verklaring over hoe het elektronenveld interageert met het elektromagnetische veld. De eigenschap van zijn massa is de verklaring over hoe het interageert met het Higgs-veld. Daarom was het echt nodig om het Higgs-veld te begrijpen, 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 al sinds de jaren 1970 van kracht was, hoewel deze bevestiging zo'n 50 jaar duurde.
Concluderend, het is de interactie van de velden die aanwezig zijn in het universum die aanleiding geven tot eigenschappen zoals massa, lading enz. van verschillende deeltjes die door ons worden ervaren. Kwantumvelden en deeltjesfysica zijn dynamische vakgebieden. Sinds de ontdekking van het veld van Higgs hebben er verschillende ontwikkelingen plaatsgevonden die van invloed zijn op het Standaardmodel. De zoektocht naar antwoorden op 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
***
