Woraus bestehen wir letztendlich? Was sind die grundlegenden Bausteine ​​des Universums?

Die alten Menschen dachten, wir bestünden aus vier „Elementen“ – Wasser, Erde, Feuer und Luft; von denen wir jetzt wissen, dass sie keine Elemente sind. Derzeit gibt es etwa 118 Elemente. Alle Elemente bestehen aus Atomen, die einst als unteilbar galten. Zu Beginn des XNUMX. Jahrhunderts, nach den Entdeckungen von JJ Thompson und Rutherford, wusste man, dass Atome aus Kernen (bestehend aus Protonen und Neutronen) im Zentrum und Elektronen bestehen umkreisen um. In den 1970er Jahren wusste man, dass Protonen und Neutronen ebenfalls nicht grundlegend sind, sondern aus „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“ bestehen, was „Elektronen“, „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“ zu den drei grundlegendsten Bestandteilen von allem macht im Universum. Mit den bahnbrechenden Entwicklungen in der Quantenphysik haben wir gelernt, dass Teilchen tatsächlich Derivate sind, die Energiebündel oder -pakete in den Feldern, die Teilchen implizieren, sind nicht grundlegend. Das Grundlegende ist das Feld, das ihnen zugrunde liegt. Wir können jetzt sagen, dass Quantenfelder die Grundbausteine ​​von allem sind Universum (einschließlich fortgeschrittener biologischer Systeme wie uns). Wir alle bestehen aus Quantenfeldern. Eigenschaften von Teilchen wie elektrische Ladung und Masse sind Aussagen darüber, wie ihre Felder mit anderen Feldern interagieren. Beispielsweise ist die Eigenschaft, die wir elektrische Ladung eines Elektrons nennen, eine Aussage darüber, wie das Elektronenfeld mit dem elektromagnetischen Feld interagiert. Und. Die Eigenschaft seiner Masse ist die Aussage darüber, wie es mit dem Higgs-Feld wechselwirkt.  

Seit jeher fragen sich die Menschen, woraus wir bestehen? Was ist der Universum besteht aus? Was sind die Grundbausteine ​​der Natur? Und was sind die Grundgesetze der Natur, die alles in der Natur regeln? Universum? Standardausführung der Wissenschaft ist die Theorie, die diese Fragen beantwortet. Dies gilt als die erfolgreiche Wissenschaftstheorie, die in den letzten Jahrhunderten entwickelt wurde, eine einzige Theorie, die die meisten Dinge in der Wissenschaft erklärt Universum.  

Die Menschen wussten schon früh, dass wir aus Elementen bestehen. Jedes Element wiederum besteht aus Atomen. Ursprünglich glaubte man, Atome seien unteilbar. 1897 entdeckte JJ Thompson jedoch Elektronen mithilfe der elektrischen Entladung durch eine Kathodenstrahlröhre. Bald darauf, im Jahr 1908, bewies sein Nachfolger Rutherford mit seinem berühmten Goldfolienexperiment, dass ein Atom im Zentrum einen winzigen positiv geladenen Kern hat, um den negativ geladene Elektronen kreisen Bahnen. Anschließend wurde festgestellt, dass Kerne aus Protonen und Neutronen bestehen.  

In den 1970er Jahren wurde entdeckt, dass Neutronen und Protonen nicht unteilbar und daher nicht grundlegend sind, sondern dass jedes Proton und Neutron aus drei kleineren Teilchen besteht, die Quarks genannt werden und von denen es zwei Arten gibt – „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“ („ „Up-Quark“ und „Down-Quark“ sind lediglich unterschiedliche Quarks. Die Begriffe „Up“ und „Down“ implizieren keinen Zusammenhang mit Richtung oder Zeit. Protonen bestehen aus zwei „Up-Quarks“ und einem „Down-Quark“, während ein Neutron aus zwei „Down-Quarks“ und einem „Up-Quark“ besteht. Somit sind „Elektronen“, „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“ die drei grundlegendsten Teilchen, die Bausteine ​​für alles im Universum sind Universum. Mit den Fortschritten in der Wissenschaft hat sich jedoch auch dieses Verständnis verändert. Es stellt sich heraus, dass Felder fundamental sind und keine Teilchen.  

Partikel sind nicht grundlegend. Entscheidend ist das Feld, das ihnen zugrunde liegt. Wir alle bestehen aus Quantenfeldern. 

Nach aktuellem wissenschaftlichen Verständnis ist alles in der Universum besteht aus unsichtbaren abstrakten Einheiten, die „Felder“ genannt werden und die Grundbausteine ​​der Natur darstellen. Ein Feld ist etwas, das sich erstreckt Universum und nimmt an jedem Punkt im Raum einen bestimmten Wert an, der sich mit der Zeit ändern kann. Es ist wie Flüssigkeitswellen, die überall hin- und herschwanken UniversumBeispielsweise breiten sich magnetische und elektrische Felder über die gesamte Fläche aus Universum. Obwohl wir elektrische oder magnetische Felder nicht sehen können, sind sie real und physisch, wie die Kraft zeigt, die wir spüren, wenn zwei Magnete näher zusammengebracht werden. Gemäß der Quantenmechanik geht man davon aus, dass Felder kontinuierlich sind, im Gegensatz zu Energie, die immer in einzelne diskrete Klumpen aufgeteilt ist.

Die Quantenfeldtheorie ist die Idee, die Quantenmechanik mit Feldern zu verbinden. Demnach wird die Elektronenflüssigkeit (also Wellen der Wellen dieser Flüssigkeit) zu kleinen Energiebündeln gebunden. Diese Energiebündel nennen wir Elektronen. Elektronen sind also nicht grundlegend. Sie sind die Wellen desselben zugrunde liegenden Feldes. In ähnlicher Weise führen Wellen der beiden Quarkfelder zu „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“. Und das Gleiche gilt für jedes andere Teilchen im Universum. Felder liegen allem zugrunde. Was wir als Teilchen betrachten, sind in Wirklichkeit Wellen der Felder, die zu kleinen Energiebündeln zusammengebunden sind. Die Grundbausteine ​​unseres Universum sind diese flüssigkeitsähnlichen Substanzen, die wir Felder nennen. Teilchen sind lediglich Ableitungen dieser Felder. Im reinen Vakuum, wenn die Partikel vollständig entfernt sind, existieren immer noch Felder.   

Die drei grundlegendsten Quantenfelder in der Natur sind „Elektron“, „Up-Quark“ und „Down-Quark“. Es gibt noch ein viertes namens Neutrino. Sie bilden jedoch nicht uns, sondern spielen an anderer Stelle in der Welt eine wichtige Rolle Universum. Neutrinos sind überall, sie strömen überall durch alles, ohne zu interagieren.

Materiefelder: Die vier grundlegenden Quantenfelder und ihre zugehörigen Teilchen (nämlich „Elektron“, „Up-Quark“, „Down-Quark“ und „Neutrino“) bilden das Grundgestein des Universum. Aus unbekannten Gründen reproduzieren sich diese vier Grundteilchen doppelt. Elektronen reproduzieren „Myon“ und „Tau“ (die 200-mal bzw. 3000-mal schwerer als Elektronen sind); Up-Quarks führen zu „Strange-Quark“ und „Bottom-Quark“; aus Down-Quarks entstehen „Charm-Quark“ und „Top-Quark“; während aus Neutrinos „Myon-Neutrino“ und „Tau-Neutrino“ entstehen.  

Es gibt also 12 Felder, die Teilchen entstehen lassen, wir nennen sie Materie Felder.

Unten ist die Liste der 12 Materiefelder, aus denen 12 Teilchen bestehen Universum.  

Kraftfelder: Die 12 Materiefelder interagieren durch vier verschiedene Kräfte miteinander – Schwerkraft, Elektromagnetismus, starke nukleare Kräfte (funktionieren nur im kleinen Kernmaßstab, halten Quarks in Protonen und Neutronen zusammen) und schwache Kernkräfte (funktionieren nur im kleinen Maßstab des Kerns, sind für den radioaktiven Zerfall verantwortlich und initiieren die Kernfusion). Jede dieser Kräfte ist mit einem Feld verbunden – der elektromagnetischen Kraft Gluonenfeld, Felder, die mit starken und schwachen Kernkräften verbunden sind W- und Z-Bosonenfeld und das mit der Schwerkraft verbundene Feld ist Freizeit sich.

Nachfolgend finden Sie die Liste der vier Kraftfelder, die mit vier Kräften verbunden sind.    

Die Universum ist mit diesen 16 Feldern gefüllt (12 Materiefelder plus 4 Felder, die mit vier Kräften verbunden sind). Diese Felder interagieren auf harmonische Weise miteinander. Wenn zum Beispiel das Elektronenfeld (eines der Materiefelder) anfängt, sich auf und ab zu bewegen (weil sich dort ein Elektron befindet), löst das eines der anderen Felder aus, beispielsweise das elektromagnetische Feld, das wiederum die Bewegung auslöst auch oszillieren und wellen. Es wird Licht ausgesendet, das ein wenig schwingt. Irgendwann beginnt es mit dem Quarkfeld zu interagieren, das wiederum oszilliert und sich wellt. Das letzte Bild, das wir erhalten, ist der harmonische Tanz zwischen all diesen ineinandergreifenden Bereichen.  

Higgs-Feld

In den 1960er Jahren wurde von Peter Higgs ein weiteres Feld vorhergesagt. In den 1970er Jahren wurde dies zu einem integralen Bestandteil unseres Verständnisses Universum. Bis 2012, als CERN-Forscher am LHC über die Entdeckung berichteten, gab es jedoch keine experimentellen Beweise (das heißt, wenn wir das Higgs-Feld kräuseln, sollten wir zugehörige Teilchen sehen). Das Teilchen verhielt sich genau so, wie es das Modell vorhergesagt hatte. Das Higgs-Teilchen hat eine sehr kurze Lebensdauer von etwa 10 Jahren^-22 Sekunden.  

Dies war der letzte Baustein des Universum. Diese Entdeckung war wichtig, weil dieses Feld für das verantwortlich ist, was wir Masse im Körper nennen Universum.  

Eigenschaften von Teilchen (wie elektrische Ladung und Masse) sind Aussagen darüber, wie ihre Felder mit anderen Feldern interagieren.  

Es ist das Zusammenspiel der in der Universum die zu Eigenschaften wie Masse, Ladung usw. verschiedener Teilchen führen, die wir erleben. Beispielsweise ist die Eigenschaft, die wir elektrische Ladung eines Elektrons nennen, eine Aussage darüber, wie das Elektronenfeld mit dem elektromagnetischen Feld interagiert. Ebenso ist die Eigenschaft seiner Masse die Aussage darüber, wie es mit dem Higgs-Feld wechselwirkt.

Ein Verständnis des Higgs-Feldes war wirklich erforderlich, damit wir die Bedeutung der Masse im Feld verstanden Universum. Die Entdeckung des Higgs-Feldes war auch eine Bestätigung des seit den 1970er Jahren geltenden Standardmodells.

Quantenfelder und Teilchenphysik sind dynamische Forschungsgebiete. Seit der Entdeckung des Higgs-Feldes haben mehrere Entwicklungen stattgefunden, die sich auf das Standardmodell auswirken. Die Suche nach Antworten auf die Einschränkungen des Standardmodells geht weiter.

Standardmodell der Elementarteilchen: die 12 fundamentalen Fermionen und 5 fundamentalen Bosonen.

*** 

Quellen:  

The Royal Institution 2017. Quantenfelder: Die wahren Bausteine ​​des Universums – mit David Tong. Online erhältlich unter https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***

FUNDAMENTALTEILCHEN – Ein kurzer Blick  

***