WERBUNG

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

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

Die alten Menschen dachten, dass wir aus vier „Elementen“ bestehen – Wasser, Erde, Feuer und Luft; von denen wir wissen, dass sie keine Elemente sind, und es gibt jetzt etwa 118 Elemente. Alle Elemente bestehen aus Atomen, die einst als unteilbar galten, aber Anfang des 1970. In den XNUMXer Jahren war bekannt, dass auch Protonen und Neutronen nicht fundamental sind, sondern aus „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“ bestehen im Universum. Mit den bahnbrechenden Entwicklungen in der Quantenphysik haben wir gelernt, dass Teilchen Derivate sind, die Energiebündel oder -pakete in den Feldern, die Teilchen implizieren, sind nicht fundamental. Entscheidend ist das Feld, das ihnen zugrunde liegt. Wir können jetzt sagen, dass Quantenfelder die grundlegenden Bausteine ​​von allem im Universum sind (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. Zum Beispiel ist die Eigenschaft, die wir elektrische Ladung eines Elektrons nennen, eine Aussage darüber, wie das Elektronenfeld mit dem elektromagnetischen Feld wechselwirkt. Und. die Eigenschaft seiner Masse ist die Aussage darüber, wie es mit dem Higgs-Feld interagiert.  

Seit der Antike haben sich die Menschen gefragt, woraus wir bestehen? Woraus besteht das Universum? Was sind die Grundbausteine ​​der Natur? Und was sind die grundlegenden Naturgesetze, die alles im Universum regieren? Das Standardmodell der Wissenschaft ist die Theorie, die diese Fragen beantwortet. Dies soll die erfolgreiche Wissenschaftstheorie der letzten Jahrhunderte sein, eine einzige Theorie, die die meisten Dinge im Universum erklärt.  

Die Leute wussten schon früh, dass wir aus Elementen bestehen. Jedes Element wiederum besteht aus Atomen. Ursprünglich dachte man, Atome seien unteilbar. Im Jahr 1897 entdeckte JJ Thompson jedoch Elektronen mithilfe einer elektrischen Entladung durch eine Kathodenstrahlröhre. Kurz darauf, im Jahr 1908, bewies sein Nachfolger Rutherford mit seinem berühmten Goldfolien-Experiment, dass ein Atom im Zentrum einen winzigen positiv geladenen Kern hat, um den negativ geladene Elektronen in Umlaufbahnen kreisen. Später stellte sich heraus, dass Kerne aus Protonen und Neutronen bestehen.  

In den 1970er Jahren wurde entdeckt, dass Neutronen und Protonen nicht unteilbar und daher nicht fundamental sind, aber jedes Proton und Neutron besteht aus drei kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks, die von zwei Arten sind – „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“. (Die „Up-Quark“- und „Down-Quark“-Quarks sind lediglich unterschiedliche Quarks und haben keine Richtungs- oder Zeitbeziehung). 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 und Bausteine ​​von allem im Universum. Mit den Fortschritten in der Wissenschaft hat sich jedoch auch dieses Verständnis geändert. Felder sind fundamental und keine Teilchen, wie man es sich zuvor vorgestellt hatte.   

Nach dem gegenwärtigen Verständnis der Wissenschaft besteht alles im Universum aus unsichtbaren abstrakten Einheiten, die „Felder“ genannt werden und die die grundlegenden Bausteine ​​der Natur darstellen. Ein Feld ist etwas, das über das Universum verteilt ist und an jedem Punkt im Raum einen bestimmten Wert annimmt, der sich mit der Zeit ändern kann. Es ist wie eine Flüssigkeitswelle, die durch das Universum schwankt, zum Beispiel verteilen sich magnetische und elektrische Felder über das Universum. Obwohl wir keine elektrischen oder magnetischen Felder sehen können, sind sie real und physisch und zeigen sich beispielsweise in der Kraft, die wir spüren, wenn zwei Magnete näher gebracht werden.  

Die 1920er Jahre hatten revolutionäre Veränderungen in unserem Verständnis des Universums erlebt. Die Quantenmechanik sagt, dass Energie nicht kontinuierlich ist, sondern immer in diskrete Klumpen aufgeteilt wird. Andererseits wird angenommen, dass Felder kontinuierlich sind.  

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

Die Quantenfeldtheorie ist die Idee, die Quantenmechanik mit Feldern zu kombinieren. Demnach wird die Elektronenflüssigkeit, die Wellen der Wellen dieser Flüssigkeit, nach den Regeln der Quantenmechanik zu kleinen Energiebündeln zusammengebunden, und diese Energiebündel nennen wir das Teilchen, das Elektron. Elektronen sind nicht fundamental. Sie sind die Wellen desselben zugrunde liegenden Feldes. In ähnlicher Weise führen Wellen der beiden Quarkfelder zu Up-Quark und Down-Quark. Und dasselbe gilt für jedes andere Teilchen im Universum. Es gibt Felder, die allem zugrunde liegen. Was wir uns als Teilchen vorstellen, sind keine wirklichen Teilchen, sondern Wellen dieser Felder, die zu kleinen Energiebündeln zusammengebunden sind. Die grundlegenden Grundbausteine ​​unseres Universums sind diese flüssigkeitsähnlichen Substanzen, die wir Felder nennen. Teilchen sind Ableitungen dieser Felder, also nicht fundamental. Im reinen Vakuum, wenn Teilchen vollständig herausgenommen werden, existieren immer noch Felder, die den Regeln der Quantenmechanik unterliegen.   

Drei grundlegendste Quantenfelder in der Natur sind Elektron, Up-Quark und Down-Quark. Es gibt ein viertes, Neutrino genannt, aber sie bilden uns nicht, sondern spielen anderswo im Universum eine wichtige Rolle. Neutrinos sind überall, sie strömen überall durch alles, ohne zu interagieren. Diese vier Felder und die dazugehörigen Teilchen, nämlich Elektron, Up-Quark, Down-Quark und Neutrino, bilden das Grundgestein des Universums. Aus unbekannten Gründen reproduzieren diese vier Teilchen sie doppelt. Elektronen reproduzieren Myon und Tau (die 200-mal bzw. 3000-mal schwerer sind als Elektronen), Up-Quarks erzeugen Strange-Quark und Bottom-Quark, Down-Quarks erzeugen Charm-Quark und Top-Quark und Neutrino erzeugen Myon-Neutrino und Tau-Neutrino .  

Es gibt also 12 Felder, die Materie geben, wir nennen sie Materiefelder. Unten ist die Liste der 12 Felder (Materiefelder), die 12 Teilchen im Universum bilden.  

Elektron (e) 
Quark (u) 
Down-Quark (d) 
Neutrino (νe
10-6 
Myon(μ-
200 
Seltsames Quark (e) 
200 
Charm-Quark (c) 
2000 
Myon-Neutrino (νμ)  
10-6 
Tau (τ-
3000 
Bottom-Quark (b) 
8000 
Top-Quark (t)  
340,000 
Tau-Neutrino (ντ
10-6 

Diese 12 Felder interagieren miteinander durch vier verschiedene Kräfte – Gravitation, Elektromagnetismus, starke Kernkräfte (wirken nur bei kleinen Kernen, halten Quarks in Protonen und Neutronen zusammen) und schwache Kernkräfte (wirken nur bei kleinen Kernen, verantwortlich) für radioaktiven Zerfall und Initiierung der Kernfusion).  

Jede dieser Kräfte ist mit einem Feld verbunden – die elektromagnetische Kraft ist mit dem Gluonenfeld verbunden, Felder mit starken und schwachen Kernkräften sind W- und Z-Bosonenfelder und das mit der Schwerkraft verbundene Feld ist die Raumzeit selbst. Unten ist die Liste von vier anderen Feldern, die mit vier Kräften verbunden sind.    

elektromagnetische Kraft  Gluonenfeld 
Starke und schwache Nuklearkräfte w & z Bosonenfeld 
Schwerkraft  Freizeit  

Das Universum ist mit diesen 16 Feldern gefüllt – 12 Materiefelder plus 4 Felder, die mit vier Kräften verbunden sind. Diese Felder interagieren auf harmonische Weise. Wenn zum Beispiel das Elektronenfeld (eines der Materiefelder) anfängt, auf und ab zu schwingen (weil sich dort ein Elektron befindet), löst dies eines der anderen Felder aus, sagen wir ein elektromagnetisches Feld, das wiederum auch schwingen und wellen. Es wird Licht ausgestrahlt, das ein wenig schwingt. Irgendwann beginnt es mit dem Quarkfeld zu interagieren, das wiederum schwingt und wellt. Das letzte Bild, das wir am Ende erhalten, ist der harmonische Tanz zwischen all diesen Feldern, die sich gegenseitig ineinandergreifen.  

Higgs-Feld: Entdeckung im Jahr 2012  

In den 1960er Jahren wurde ein weiteres Feld von Peter Higgs vorhergesagt. Dieses als Higgs-Feld bezeichnete Feld wurde in den 1970er Jahren zu einem integralen Bestandteil unseres Verständnisses des Universums. Aber es gab keine experimentellen Beweise (das heißt, wenn wir das Higgs-Feld kräuseln, sollten wir assoziierte Teilchen sehen), bis 2012 die CERN-Forscher am LHC über ihre Entdeckung berichteten. Das Teilchen verhielt sich genau so, wie es vom Modell vorhergesagt wurde. Das Higgs-Teilchen hat eine sehr kurze Lebensdauer von etwa 10-22 Sekunden.  

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

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

Zum Beispiel ist die Eigenschaft, die wir elektrische Ladung eines Elektrons nennen, eine Aussage darüber, wie das Elektronenfeld mit dem elektromagnetischen Feld wechselwirkt. Die Eigenschaft seiner Masse ist die Aussage darüber, wie es mit dem Higgs-Feld interagiert. Daher war es wirklich notwendig, das Higgs-Feld zu verstehen, um die Bedeutung der Masse im Universum zu verstehen. Die Entdeckung des Higgs-Feldes war auch eine Bestätigung des seit den 1970er Jahren bestehenden Standardmodells, obwohl diese Bestätigung etwa 50 Jahre dauerte. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es die Wechselwirkung der im Universum vorhandenen Felder ist, die Eigenschaften wie Masse, Ladung usw. verschiedener von uns erfahrener Teilchen verursacht. Quantenfelder und Teilchenphysik sind dynamische Studiengebiete. Seit der Entdeckung des Higgs-Feldes haben mehrere Entwicklungen stattgefunden, die sich auf das Standardmodell beziehen. Die Suche nach Antworten auf die Grenzen des Standardmodells geht weiter.

*** 

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  

***

Umesh Prasad
Umesh Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Chefredakteur, Scientific European

ABONNIEREN SIE UNSEREN NEWSLETTER

Aktualisierung mit den neuesten Nachrichten, Angeboten und Sonderankündigungen.

- Werbung -

Beliebteste Artikel

Bakterien auf gesunder Haut könnten Hautkrebs verhindern?

Eine Studie hat Bakterien gezeigt, die häufig auf ...

Ein allererster Prototyp eines „Bluttests“, der die Stärke von Schmerzen objektiv messen kann

Ein neuartiger Bluttest für Schmerzen wurde entwickelt...

MM3122: Ein führender Kandidat für ein neuartiges antivirales Medikament gegen COVID-19

TMPRSS2 ist ein wichtiges Wirkstoffziel zur Entwicklung antiviraler...
- Werbung -
99,738FansLike
69,696VerfolgerFolgen
6,319VerfolgerFolgen
31AbonnentenAbonnieren