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我们最终由什么组成? 什么是宇宙的基本构件?

古人认为我们是由四种“元素”组成——水、土、火和空气; 我们现在知道它们不是元素。 目前,约有 118 个元素。 所有元素均由原子组成,原子曾被认为是不可分割的。 到了 1970 世纪初,继 JJ 汤普森和卢瑟福的发现之后,人们知道原子是由位于中心的原子核(由质子和中子组成)和围绕其运行的电子组成。 到了 XNUMX 世纪 XNUMX 年代,人们知道质子和中子也不是基本的,而是由“上夸克”和“下夸克”组成,因此“电子”、“上夸克”和“下夸克”成为万物的三个最基本的组成部分在宇宙中。 随着量子物理学的突破性发展,我们了解到粒子实际上是导数,场中的能量束或能量包意味着粒子并不是基本的。 最根本的是它们背后的场。 我们现在可以说量子场是宇宙中一切事物(包括像我们这样的先进生物系统)的基本组成部分。 我们都是由量子场组成的。 粒子的性质,如电荷和质量,是关于它们的场如何与其他场相互作用的陈述。 例如,我们称之为电子电荷的属性是关于电子场如何与电磁场相互作用的陈述。 和。 它的质量属性是关于它如何与希格斯场相互作用的陈述。  

自古以来,人们就想知道我们是由什么组成的? 宇宙是由什么组成的? 自然的基本组成部分是什么? 那么,宇宙万物的基本自然法则是什么? 标准型号 科学的理论就是回答这些问题。 据说这是过去几个世纪以来建立的成功的科学理论,一个单一的理论可以解释宇宙中的大部分事物。  

人们很早就知道我们是由元素组成的。 反过来,每个元素又由原子组成。 最初,人们认为原子是不可分割的。 然而,在 1897 年,JJ Thompson 发现了通过阴极射线管放电的电子。 不久之后,在 1908 年,他的继任者卢瑟福通过他著名的金箔实验证明,一个原子的中心有一个带正电的微小原子核,带负电的电子围绕着它绕轨道运行。 随后,人们发现原子核由质子和中子组成。  

1970世纪XNUMX年代,人们发现中子和质子不是不可分割的,因此不是基本的,但每个质子和中子都是由三个称为夸克的较小粒子组成,夸克有两种类型——“上夸克”和“下夸克”(“ “上夸克”和“下夸克”只是不同的夸克。术语“上”和“下”并不暗示与方向或时间有任何关系。 质子由两个“上夸克”和一个“下夸克”组成,而中子则由两个“下夸克”和一个“上夸克”组成。 因此,“电子”、“上夸克”和“下夸克”是三种最基本的粒子,它们是宇宙中一切事物的组成部分。 然而,随着科学的进步,这种认识也发生了变化。 人们发现场是基本的而不是粒子。  

粒子不是基本的。 最根本的是它们背后的领域。 我们都是由量子场组成的

根据目前对科学的理解,宇宙中的一切都是由称为“场”的无形抽象实体组成,它们代表了自然的基本组成部分。 场是分布在整个宇宙中的东西,并且在空间中的每个点上都具有特定的值,并且该值可以随时间而变化。 它就像流体的涟漪一样在整个宇宙中摇摆,例如磁场和电场遍布整个宇宙。 尽管我们看不到电场或磁场,但它们是真实且物理的,正如当两个磁铁靠近时我们感受到的力所证明的那样。 根据量子力学,场被认为是连续的,不像能量总是分散在一些离散的块中。

量子场论是将量子力学与场相结合的思想。 据此,电子流体(即该流体的波的波纹)被束缚成小能量束。 这些能量束就是我们所说的电子。 因此,电子不是基本的。 它们是同一底层场的波浪。 同样,两个夸克场的涟漪会产生“上夸克”和“下夸克”。 宇宙中的所有其他粒子也是如此。 领域是一切的基础。 我们所认为的粒子实际上是束缚在小能量束中的场波。 我们宇宙的基本组成部分是这些我们称之为场的流体状物质。 粒子只是这些场的衍生物。 在纯真空中,当粒子被完全取出时,场仍然存在。   

自然界中最基本的三个量子场是“电子”、“上夸克”和“下夸克”。 还有第四种称为中微子,然而,它们并不构成我们,但在宇宙其他地方发挥着重要作用。 中微子无处不在,它们流过任何地方的一切而不相互作用。

物质场:四个基本量子场及其相关粒子(即“电子”、“上夸克”、“下夸克”和“中微子”)构成了宇宙的基石。 由于未知的原因,这四种基本粒子自我复制了两次。 电子产生“μ子”和“τ”(分别比电子重200倍和3000倍); 上夸克产生“奇夸克”和“底夸克”; 下夸克产生“粲夸克”和“顶夸克”; 而中微子则产生“μ子中微子”和“τ中微子”。  

因此,有 12 个场产生粒子,我们称之为 物质场.

下面列出了构成宇宙中 12 个粒子的 12 个物质场。  

力场:12 个物质场通过四种不同的力相互作用 – 重力, 电磁, 强大的核力量 (仅在小规模的原子核中运行,将质子和中子内部的夸克结合在一起)和 弱核力 (仅在小规模的原子核中运行,负责放射性衰变并引发核聚变)。 这些力中的每一个都与一个场相关——电磁力与 胶子场,与强核力和弱核力相关的场是 W 和 Z 玻色子场 与重力相关的场是 时空 本身。

下面是与四种力相关的四个力场的列表。    

电磁力  胶子场 
强核力和弱核力 w & z 玻色子场 
重力  时空  

宇宙充满了这 16 个场(12 个物质场加上 4 个与四种力相关的场)。 这些领域以和谐的方式相互作用。 例如,当电子场(物质场之一)开始上下波动(因为那里有一个电子)时,就会启动其他场之一,例如电磁场,而电磁场又将也有振荡和波纹。 将会发出光,因此会稍微振荡。 在某个时刻,它将开始与夸克场相互作用,夸克场反过来会振荡和波动。 我们最终得到的画面是所有这些领域之间和谐的舞蹈,彼此环环相扣。  

希格斯场

1960 世纪 1970 年代,彼得·希格斯 (Peter Higgs) 预测了另一个领域。 到了 2012 世纪 10 年代,这已成为我们对宇宙的理解不可或缺的一部分。 但直到 XNUMX 年,欧洲核子研究组织 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 研究人员报告了这一发现时,才出现实验证据(也就是说,如果我们使希格斯场产生波动,我们应该会看到相关粒子)。 粒子的行为与模型预测的完全一致。 希格斯粒子的寿命很短,约为 XNUMX - 22 秒。  

这是宇宙的最后组成部分。 这一发现很重要,因为这个领域负责我们所说的质量 宇宙.  

粒子的属性(如电荷和质量)是关于它们的场如何与其他场相互作用的陈述。  

宇宙中存在的场的相互作用产生了我们所经历的不同粒子的质量、电荷等属性。 例如,我们称之为电子电荷的属性是关于电子场如何与电磁场相互作用的陈述。 同样,它的质量属性是关于它如何与希格斯场相互作用的陈述。

确实需要了解希格斯场,以便我们了解宇宙中质量的含义。 希格斯场的发现也证实了自 1970 世纪 XNUMX 年代以来一直存在的标准模型。

量子场和粒子物理学是动态研究领域。 自从发现希格斯场以来,已经发生了一些与标准模型有关的发展。 对标准模型局限性的答案的探索仍在继续。

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来源:  

皇家学会 2017 年。量子场:宇宙的真正组成部分——与 David Tong。 可在线获取 https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

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乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
科学记者| 《科学欧洲》杂志创始人编辑

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