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我们最终由什么组成? 什么是宇宙的基本构件?

科学物理我们最终由什么组成? 什么是宇宙的基本构件?

古代人认为我们是由四种“元素”组成的——水、土、火和风; 我们知道这不是元素,现在有大约 118 个元素。 所有元素都由原子组成,这些原子曾经被认为是不可分割的,但到 1970 世纪初,随着 JJ Thompson 和卢瑟福的发现,已知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构成的。 到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”组成的,从而使“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,我们了解到粒子是衍生物,场中暗示粒子的能量束或包不是基本的。 最根本的是它们背后的领域。 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)的基本构建块。 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性质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? 大自然的基本组成部分是什么? 而且,支配宇宙万物的基本自然法则是什么? 科学的标准模型是回答这些问题的理论。 据说这是过去几个世纪以来最成功的科学理论,一个解释了宇宙中大部分事物的单一理论。  

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。  

在 1970 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由三个更小的粒子组成,称为夸克,夸克有两种类型——“上夸克”和“下夸克”。 (“上夸克”和“下夸克”夸克只是不同的夸克,与任何方向或时间无关)。 质子由两个“上夸克”和一个“下夸克”组成,而中子由两个“下夸克”和一个“上夸克”组成。 因此,电子、上夸克和下夸克是宇宙中三个最基本的粒子和组成部分。 然而,随着科学的进步,这种理解也发生了变化。 正如之前设想的那样,场是基本的,而不是粒子。   

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,在空间中的每个点都有一个特定的值,可以随时间变化。 就像流体的涟漪在整个宇宙中摇摆不定,例如,磁场和电场遍布整个宇宙。 虽然我们看不到电场或磁场,但它们是真实的和物理的,例如,当两个磁铁靠近时,我们感受到的力就证明了这一点。  

1920 年代见证了我们对宇宙理解的革命性变化。 量子力学说,能量不是连续的,而是以一些离散的块状分布。 另一方面,场被认为是连续的。  

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

量子场论是将量子力学与场相结合的思想。 据此,电子流体,这种流体的波的涟漪,根据量子力学的规则被捆绑成小能量束,这些能量束就是我们所说的粒子,即电子。 电子不是基本的。 它们是同一基础场的波。 同样,两个夸克场的涟漪产生上夸克和下夸克。 宇宙中的所有其他粒子也是如此。 有些领域是一切的基础。 我们认为的粒子根本不是真正的粒子,它们是这些场的波,它们被捆绑成小束能量。 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。 粒子是这些领域的衍生物,因此不是基本的。 在纯真空中,当粒子被完全取出时,场仍然存在,受量子力学规则支配。   

自然界中最基本的三个量子场是电子、上夸克和下夸克。 还有第四种叫做中微子,然而,它们并不构成我们,而是在宇宙的其他地方发挥着重要作用。 中微子无处不在,它们无处不在,没有相互作用。 这四个场及其相关粒子,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,这四个粒子将它们复制了两次。 电子复制μ子和tau(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,顶夸克和中微子产生μ子中微子和tau中微子.  

因此,有 12 个产生物质的场,我们称它们为物质场。 下面是组成宇宙中 12 个粒子的 12 个场(物质场)的列表。  

电子 (e) 
上夸克 (u) 
下夸克 (d) 
中微子 (νe
10-6 
介子(μ -
200 
奇异夸克 
200 
魅力夸克 (c) 
2000 
μ 中微子 (νμ)  
10-6 
头 (τ -
3000 
底夸克 (b) 
8000 
顶夸克 (t)  
340,000 
tau 中微子 (ντ
10-6 

这 12 个场通过四种不同的力相互作用——重力、电磁力、强核力(仅在小尺度的原子核中起作用,将夸克聚集在质子和中子内部)和弱核力(仅在小尺度的原子核中起作用,负责用于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——电磁力与胶子场相关,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其他四个场的列表。    

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 个物质场加上与四种力相关的 4 个场。 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,反过来,也振荡和波纹。 会有光发射出来,所以会稍微振荡。 在某个时刻,它会开始与夸克场相互作用,而夸克场又会发生振荡和涟漪。 我们最终得到的最终画面,是所有这些领域之间的和谐共舞,彼此环环相扣。  

希格斯场:2012 年的发现  

1960 年代,彼得·希格斯 (Peter Higgs) 预测了另一个领域。 到 1970 年代,这被称为希格斯场,成为我们对宇宙理解不可或缺的一部分。 但是直到 2012 年欧洲核子研究中心的 LHC 研究人员报告了它的发现时,才没有实验证据(意味着如果我们使希格斯场产生涟漪,我们应该看到相关粒子)。 粒子的行为与模型预测的方式完全一致。 希格斯粒子的寿命很短,大约 10 - 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性质是关于电子场如何与电磁场相互作用的陈述。 它的质量属性是关于它如何与希格斯场相互作用的陈述。 因此,真正需要了解希格斯场,才能了解宇宙中质量的含义。 希格斯场的发现也证实了自 1970 年代以来就存在的标准模型,尽管这一确认用了大约 50 年。 

总而言之,正是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、电荷等特性。 量子场和粒子物理学是动态的研究领域。 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。 继续寻找标准模型局限性的答案。

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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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