ANNONS

Vad består vi i slutändan av? Vilka är universums grundläggande byggstenar?

Forntida människor trodde att vi består av fyra "element" - vatten, jord, eld och luft; som vi nu vet inte är element. För närvarande finns det cirka 118 element. Alla grundämnen är uppbyggda av atomer som en gång troddes vara odelbara. I början av XNUMX-talet efter JJ Thompsons och Rutherfords upptäckter var atomer kända för att bestå av kärnor (gjorda av protoner och neutroner) i centrum och elektroner kretsande runt om. På 1970-talet var det känt att protoner och neutroner inte heller är grundläggande utan består av "uppkvarkar" och "nedkvarkar", vilket gör "elektroner", "uppkvarkar" och "nedkvarkar" till de tre mest grundläggande beståndsdelarna i allting i universum. Med den banbrytande utvecklingen inom kvantfysiken lärde vi oss att partiklar faktiskt är derivator, buntarna eller paketen av energi i fälten som antyder partiklar är inte grundläggande. Det grundläggande är fältet som ligger till grund för dem. Vi kan nu säga att kvantfält är de grundläggande byggstenarna för allt i universum (inklusive avancerade biologiska system som vi). Vi är alla uppbyggda av kvantfält. Egenskaper hos partiklar som elektrisk laddning och massa är uttalanden om hur deras fält interagerar med andra fält. Till exempel är egenskapen som vi kallar elektrisk laddning av en elektron ett uttalande om hur elektronfältet interagerar med det elektromagnetiska fältet. Och. egenskapen för dess massa är uttalandet om hur den interagerar med Higgsfältet.  

Sedan urminnes tider har folk undrat vad vi består av? Vad är universum gjord av? Vilka är naturens grundläggande byggstenar? Och vilka är de grundläggande naturlagarna som styr allt i universum? Standardmodell vetenskapen är teorin som svarar på dessa frågor. Detta sägs vara den framgångsrika vetenskapsteori som någonsin byggts under de senaste århundradena, en enda teori som förklarar det mesta i universum.  

Folk visste tidigt att vi består av element. Varje grundämne är i sin tur uppbyggt av atomer. Från början trodde man att atomer är odelbara. Men 1897 upptäckte JJ Thompson elektroner med hjälp av elektrisk urladdning genom katodstrålerör. Strax efter, 1908, bevisade hans efterträdare Rutherford genom sitt berömda guldfolieexperiment att en atom har en liten positivt laddad kärna i mitten runt vilken negativt laddade elektroner cirklar i banor. Därefter fann man att kärnor är uppbyggda av protoner och neutroner.  

På 1970-talet upptäcktes det att neutroner och protoner inte är odelbara och därför inte är grundläggande, utan varje proton och neutron består av tre mindre partiklar som kallas kvarkar som är av två typer – "uppkvarkar" och "nedkvarkar" (" upp quark" och "down quark" är bara olika kvarkar. Termerna "upp" och "ner" antyder inget förhållande till riktning eller tid). Protoner är uppbyggda av två "uppkvarkar" och en "nedkvarkar" medan en neutron består av två "nedkvarkar" och en "uppkvarkar". Således är "elektroner", "uppkvarkar" och "nedkvarkar" tre mest grundläggande partiklar som är byggstenar i allt i universum. Men med framsteg inom vetenskapen har även denna förståelse sett förändringar. Fält visar sig vara fundamentala och inte partiklar.  

Partiklar är inte grundläggande. Det grundläggande är fältet som ligger till grund för dem. Vi är alla uppbyggda av kvantfält

Enligt nuvarande förståelse av vetenskap, allt i universum består av osynliga abstrakta enheter som kallas "fält" som representerar naturens grundläggande byggstenar. Ett fält är något som är spritt över universum och tar ett visst värde vid varje punkt i rymden som kan förändras med tiden. Det är som krusningar av vätska som svajar genom hela universumt.ex. är magnetiska och elektriska fält spridda över universum. Även om vi inte kan se elektriska eller magnetiska fält, är de verkliga och fysiska, vilket framgår av kraften vi känner när två magneter förs närmare. Enligt kvantmekaniken tros fält vara kontinuerliga till skillnad från energi som alltid är uppdelad i några diskreta klumpar.

Kvantfältteori är idén om att kombinera kvantmekanik med fält. Enligt detta binds elektronvätskan (dvs. krusningar av denna vätskas vågor) till små energiknippen. Dessa energiknippen är vad vi kallar elektroner. Elektroner är alltså inte fundamentala. De är vågorna i samma underliggande fält. På liknande sätt ger krusningar av de två kvarkfälten upphov till "uppkvarkar" och "nedkvarkar". Och detsamma gäller för alla andra partiklar i universum. Fält ligger bakom allt. Vad vi tänker på som partiklar är faktiskt vågor av fälten bundna till små energiknippen. Våra grundläggande byggstenar universum är dessa vätskeliknande ämnen som vi kallar fält. Partiklar är bara derivat av dessa fält. I rent vakuum, när partiklar tas ut helt, finns fortfarande fält.   

Tre mest grundläggande kvantfält i naturen är "elektron", "uppkvark" och "nedkvark". Det finns en fjärde som kallas neutrino, men de utgör inte oss utan spelar en viktig roll på andra ställen i universum. Neutrinos finns överallt, de strömmar genom allt överallt utan att interagera.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Materiafält: De fyra grundläggande kvantfälten och deras associerade partiklar (dvs. "elektron", "uppkvark", "nedkvark" och "neutrino") bildar berggrunden i universum. Av okända anledningar reproducerar dessa fyra fundamentala partiklar sig själva två gånger om. Elektroner reproducerar "myon" och "tau" (som är 200 gånger respektive 3000 gånger tyngre än elektroner); uppkvarkar ger upphov till ”konstig kvark” och ”bottenkvark”; dunkvarkar ger upphov till "charmkvark" och "toppkvark"; medan neutrino ger upphov till "myon neutrino" och "tau neutrino".  

Det finns alltså 12 fält som ger upphov till partiklar, vi kallar dem materiefält.

Nedan är listan över 12 materiafält som utgör 12 partiklar i universum.  

Kraftfält: De 12 materiefälten interagerar med varandra genom fyra olika krafter – tyngdkraften, elektromagnetism, starka kärnkrafter (fungerar endast i liten skala av kärnor, håller kvarkar tillsammans inuti protoner och neutroner) och svaga kärnkrafter (fungerar endast i liten skala av kärnor, ansvarig för radioaktivt sönderfall och initierar kärnfusion). Var och en av dessa krafter är associerade med ett fält - elektromagnetisk kraft är associerad med gluonfält, fält förknippade med starka och svaga kärnkrafter är W och Z bosonfält och fältet associerat med gravitationen är rymdtid själv.

Nedan är listan över fyra kraftfält associerade med fyra krafter.    

elektromagnetisk kraft  gluonfält 
Starka och svaga kärnkrafter w & z bosonfält 
tyngdkraften  rum tid  

Smakämnen universum är fylld med dessa 16 fält (12 ämnesfält plus 4 fält associerade med fyra krafter). Dessa fält samverkar på harmoniska sätt. Till exempel, när elektronfältet (ett av materiefälten) börjar våga upp och ner (eftersom det finns en elektron där), sparkar det igång ett av de andra fälten, säg det elektromagnetiska fältet som i sin tur kommer att även svänga och krusa. Det kommer att finnas ljus som sänds ut så det kommer att svänga lite. Vid någon tidpunkt kommer den att börja interagera med kvarkfältet, som i sin tur kommer att svänga och krusa. Den sista bilden vi slutar med, är den harmoniska dansen mellan alla dessa fält, som sammankopplar varandra.  

Higgs fält

På 1960-talet förutspådde Peter Higgs ett annat fält. På 1970-talet blev detta en integrerad del av vår förståelse om universum. Men det fanns inga experimentella bevis (vilket innebär att om vi får Higgs-fältet att krusa, bör vi se tillhörande partikel) förrän 2012 när CERN-forskare vid LHC rapporterade sin upptäckt. Partikeln betedde sig exakt på det sätt som modellen förutspått. Higgspartikeln har mycket kort livslängd, cirka 10-22 sekunder.  

Detta var den sista byggstenen i universum. Denna upptäckt var viktig eftersom detta område är ansvarigt för vad vi kallar massa i universum.  

Egenskaper hos partiklar (som elektrisk laddning och massa) är uttalanden om hur deras fält interagerar med andra fält.  

Det är samspelet mellan de fält som finns i universum som ger upphov till egenskaper som massa, laddning etc. hos olika partiklar som vi upplever. Till exempel är egenskapen som vi kallar elektrisk laddning av en elektron ett uttalande om hur elektronfältet interagerar med det elektromagnetiska fältet. På samma sätt är egenskapen för dess massa uttalandet om hur den interagerar med Higgsfältet.

En förståelse av Higgs fält behövdes verkligen så att vi förstod innebörden av massa i universum. Upptäckten av Higgs fält var också en bekräftelse på standardmodellen som fanns på plats sedan 1970-talet.

Kvantfält och partikelfysik är dynamiska studieområden. Sedan upptäckten av Higgs fält har flera utvecklingar skett som har bäring på Standardmodellen. Strävan efter svar på standardmodellens begränsningar fortsätter.

*** 

Källor:  

The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe – med David Tong. Tillgänglig online på https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Vetenskapsjournalist | Grundare redaktör, Scientific European magazine

Prenumerera på vårt nyhetsbrev

Uppdateras med alla de senaste nyheterna, erbjudanden och specialmeddelanden.

Mest populära artiklar

Upptäckt av kvävefixerande cellorganell nitroplast i en eukaryot alger   

Biosyntes av proteiner och nukleinsyra kräver dock kväve...

Intermittent fasta kan göra oss friskare

Studie visar att intermittent fasta under vissa intervaller kan...

Pleurobranchaea britannica: En ny art av havssnigel upptäckt i brittiska vatten 

En ny art av havssnigel, som heter Pleurobranchaea britannica,...
- Annons -
94,233FläktarTycka om
47,612följareFölj
1,772följareFölj
30abonnenterPrenumerera