ما الذي صنعناه في النهاية؟ ما هي اللبنات الأساسية للكون؟

اعتقد القدماء أننا مكونون من أربعة "عناصر" - الماء والأرض والنار والهواء؛ والتي نعرف الآن أنها ليست عناصر. في الوقت الحاضر، هناك حوالي 118 عنصرا. تتكون جميع العناصر من ذرات كان يُعتقد في السابق أنها غير قابلة للتجزئة. بحلول أوائل القرن العشرين، بعد اكتشافات جي جي تومسون ورذرفورد، كان من المعروف أن الذرات تتكون من نوى (مكونة من بروتونات ونيوترونات) في المركز وإلكترونات. تدور حول حول. بحلول سبعينيات القرن العشرين، كان من المعروف أن البروتونات والنيوترونات ليست أساسية أيضًا ولكنها مكونة من "كواركات علوية" و"كواركات سفلية"، مما يجعل "الإلكترونات" و"الكواركات العلوية" و"الكواركات السفلية" المكونات الثلاثة الأساسية لكل شيء. في ال الكون. ومع التطورات الرائدة في فيزياء الكم، تعلمنا أن الجسيمات هي في الواقع مشتقات، وأن حزم أو حزم الطاقة في المجالات التي تشير إلى الجسيمات ليست أساسية. ما هو أساسي هو المجال الذي يكمن وراءها. يمكننا الآن أن نقول أن الحقول الكمومية هي اللبنات الأساسية لكل شيء في العالم الكون (بما في ذلك الأنظمة البيولوجية المتقدمة مثلنا). نحن جميعا مكونون من حقول الكم. خصائص الجسيمات مثل الشحنة الكهربائية والكتلة هي بيانات حول كيفية تفاعل مجالاتها مع المجالات الأخرى. على سبيل المثال، الخاصية التي نطلق عليها الشحنة الكهربائية للإلكترون هي بيان حول كيفية تفاعل مجال الإلكترونات مع المجال الكهرومغناطيسي. و. خاصية كتلته هي البيان حول كيفية تفاعله مع مجال هيغز.  

منذ القدم والناس يتساءلون مما نحن مصنوعون؟ ما هو الكون صنع من؟ ما هي اللبنات الأساسية للطبيعة؟ وما هي قوانين الطبيعة الأساسية التي تحكم كل شيء في الكون? النموذج القياسي العلم هو النظرية التي تجيب على هذه الأسئلة. ويقال إن هذه هي النظرية العلمية الناجحة التي تم بناؤها على مدى القرون الماضية، وهي نظرية واحدة تشرح معظم الأشياء في العالم. الكون.  

عرف الناس في وقت مبكر أننا مكونون من عناصر. ويتكون كل عنصر بدوره من ذرات. في البداية، كان يعتقد أن الذرات غير قابلة للتجزئة. ومع ذلك، في عام 1897 اكتشف جي جي طومسون الإلكترونات باستخدام التفريغ الكهربائي من خلال أنبوب أشعة الكاثود. وبعد فترة وجيزة، في عام 1908، أثبت خليفته رذرفورد من خلال تجربته الشهيرة لرقائق الذهب أن الذرة تحتوي على نواة صغيرة موجبة الشحنة في المركز تدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة. مدارات. وبعد ذلك تبين أن النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات.  

في السبعينيات، تم اكتشاف أن النيوترونات والبروتونات ليست غير قابلة للتجزئة وبالتالي فهي ليست أساسية، ولكن كل بروتون ونيوترون يتكونان من ثلاثة جسيمات أصغر تسمى الكواركات وهي من نوعين - "الكواركات العلوية" و"الكواركات السفلية". "كوارك علوي" و"كوارك سفلي" هما مجرد كواركات مختلفة. المصطلحان "أعلى" و"أسفل" لا يشيران إلى أي علاقة بالاتجاه أو الزمن). تتكون البروتونات من "كواركين علويين" و"كوارك سفلي" بينما يتكون النيوترون من "كواركات سفلية" و"كوارك علوي". وبالتالي فإن "الإلكترونات" و"الكواركات العلوية" و"الكواركات السفلية" هي ثلاثة جسيمات أساسية تشكل اللبنات الأساسية لكل شيء في الكون. الكون. ومع ذلك، مع التقدم في العلوم، شهد هذا الفهم أيضًا تغييرات. تم العثور على الحقول لتكون أساسية وليست جسيمات.  

الجسيمات ليست أساسية. ما هو أساسي هو المجال الذي يقوم عليه. نحن جميعًا مكونون من مجالات كمومية. 

وفقًا للفهم الحالي للعلم، كل شيء في الكون يتكون من كيانات مجردة غير مرئية تسمى "الحقول" التي تمثل اللبنات الأساسية للطبيعة. الحقل هو شيء منتشر عبره الكون ويأخذ قيمة معينة في كل نقطة في الفضاء والتي يمكن أن تتغير مع مرور الوقت. إنه مثل تموجات السائل التي تتأرجح في جميع أنحاء الكونعلى سبيل المثال، تنتشر المجالات المغناطيسية والكهربائية عبر الكون. على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية المجالات الكهربائية أو المغناطيسية، إلا أنها حقيقية وفيزيائية كما يتضح من القوة التي نشعر بها عند تقريب مغناطيسين. وفقًا لميكانيكا الكم، يُعتقد أن المجالات مستمرة على عكس الطاقة التي تنقسم دائمًا إلى بعض الكتل المنفصلة.

نظرية المجال الكمي هي فكرة الجمع بين ميكانيكا الكم والحقول. ووفقا لهذا، فإن السائل الإلكتروني (أي تموجات موجات هذا السائل) يرتبط بحزم صغيرة من الطاقة. حزم الطاقة هذه هي ما نسميه الإلكترونات. وبالتالي، الإلكترونات ليست أساسية. إنها موجات من نفس المجال الأساسي. وبالمثل، فإن تموجات حقلي الكواركين تؤدي إلى ظهور "الكواركات العلوية" و"الكواركات السفلية". وينطبق الشيء نفسه على كل الجسيمات الأخرى في الكون. الحقول تكمن وراء كل شيء. ما نعتبره جسيمات هو في الواقع موجات من الحقول المرتبطة بحزم صغيرة من الطاقة. اللبنات الأساسية الأساسية لدينا الكون هي هذه المواد الشبيهة بالسوائل والتي نسميها الحقول. الجسيمات هي مجرد مشتقات من هذه المجالات. في الفراغ النقي، عندما يتم إخراج الجسيمات بالكامل، تظل الحقول موجودة.   

ثلاثة حقول كمومية أساسية في الطبيعة هي "الإلكترون" و"الكوارك العلوي" و"الكوارك السفلي". هناك نوع رابع يسمى النيوترينو، ومع ذلك، فهو لا يشكلنا بل يلعب دورًا مهمًا في مكان آخر من العالم الكون. النيوترينوات موجودة في كل مكان، وهي تتدفق عبر كل شيء وفي كل مكان دون أن تتفاعل.

حقول المسألة: تشكل الحقول الكمومية الأربعة الأساسية والجسيمات المرتبطة بها (أي "الإلكترون" و"الكوارك العلوي" و"الكوارك السفلي" و"النيوترينو") حجر الأساس للكون. الكون. ولأسباب غير معروفة، تتكاثر هذه الجسيمات الأساسية الأربعة مرتين. تقوم الإلكترونات بإعادة إنتاج "الميون" و"التاو" (وهما أثقل بـ 200 مرة و3000 مرة من الإلكترونات على التوالي)؛ الكواركات العلوية تؤدي إلى ظهور "كوارك غريب" و"كوارك سفلي"؛ الكواركات السفلية تؤدي إلى ظهور "الكوارك الساحر" و"الكوارك العلوي"؛ بينما النيوترينو يؤدي إلى "نيوترينو الميون" و"نيوترينو التاو".  

وبالتالي، هناك 12 مجالًا تؤدي إلى نشوء الجسيمات، نسميها مجالات المسألة.

فيما يلي قائمة بـ 12 حقلًا من حقول المادة التي تشكل 12 جسيمًا في الكون.  

حقول القوة: تتفاعل مجالات المادة الـ 12 مع بعضها البعض من خلال أربع قوى مختلفة - خطورة, الكهرومغناطيسية, قوى نووية قوية (تعمل فقط على نطاق صغير من النواة، وتجمع الكواركات معًا داخل البروتونات والنيوترونات) و القوى النووية الضعيفة (تعمل فقط على نطاق صغير من النواة، وهي مسؤولة عن التحلل الإشعاعي وبدء الاندماج النووي). وترتبط كل من هذه القوى بمجال، وترتبط القوة الكهرومغناطيسية بها مجال غلوونالمجالات المرتبطة بالقوى النووية القوية والضعيفة هي مجال البوزون W و Z والمجال المرتبط بالجاذبية هو وقت فراغ نفسها.

فيما يلي قائمة بمجالات القوة الأربعة المرتبطة بأربع قوى.    

إنّ كافة أنواع عهود الـ الكون مملوء بهذه الحقول الستة عشر (16 حقل مادة بالإضافة إلى 12 حقول مرتبطة بأربع قوى). تتفاعل هذه المجالات معًا بطرق متناغمة. على سبيل المثال، عندما يبدأ مجال الإلكترون (أحد حقول المادة) في التموج لأعلى ولأسفل (لأن هناك إلكترونًا هناك)، يؤدي ذلك إلى إطلاق أحد الحقول الأخرى، على سبيل المثال المجال الكهرومغناطيسي الذي بدوره سوف تتأرجح وتموج أيضا. سيكون هناك ضوء ينبعث بحيث يتأرجح قليلاً. وفي مرحلة ما، سيبدأ بالتفاعل مع حقل الكوارك، والذي بدوره سوف يتأرجح ويموج. والصورة الأخيرة التي ننتهي إليها هي الرقص المتناغم بين كل هذه المجالات، المتشابكة مع بعضها البعض.  

مجال هيجز

وفي الستينيات، تنبأ بيتر هيجز بمجال آخر. وبحلول السبعينيات، أصبح هذا جزءًا لا يتجزأ من فهمنا حول العالم الكون. ولكن لم يكن هناك دليل تجريبي (بمعنى، إذا قمنا بتموجات حقل هيغز، فيجب أن نرى جسيمات مرتبطة) حتى عام 2012 عندما أبلغ باحثو CERN في LHC عن اكتشافهم. تصرف الجسيم بالطريقة التي تنبأ بها النموذج تمامًا. عمر جسيم هيغز قصير جدًا، حوالي 10^-22 ثواني.  

وكانت هذه هي اللبنة النهائية للبناء الكون. وكان هذا الاكتشاف مهما لأن هذا المجال هو المسؤول عما نسميه الكتلة في الكون.  

خصائص الجسيمات (مثل الشحنة الكهربائية والكتلة) هي بيانات حول كيفية تفاعل مجالاتها مع المجالات الأخرى.  

إنه تفاعل الحقول الموجودة في الكون التي تؤدي إلى خصائص مثل الكتلة والشحنة وما إلى ذلك للجسيمات المختلفة التي نختبرها. على سبيل المثال، الخاصية التي نطلق عليها الشحنة الكهربائية للإلكترون هي بيان حول كيفية تفاعل مجال الإلكترونات مع المجال الكهرومغناطيسي. وبالمثل، فإن خاصية كتلتها هي البيان حول كيفية تفاعلها مع مجال هيغز.

لقد كانت هناك حاجة حقًا إلى فهم مجال هيغز حتى نتمكن من فهم معنى الكتلة في الكون الكون. كان اكتشاف مجال هيجز أيضًا تأكيدًا للنموذج القياسي الذي كان موجودًا منذ السبعينيات.

تعد مجالات الكم وفيزياء الجسيمات من مجالات الدراسة الديناميكية. منذ اكتشاف مجال هيجز، حدثت العديد من التطورات التي لها تأثير على النموذج القياسي. يستمر البحث عن إجابات لقيود النموذج القياسي.

*** 

مصادر:  

المعهد الملكي 2017. الحقول الكمية: لبنات البناء الحقيقية للكون - مع ديفيد تونغ. متاح على الإنترنت على https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***

الجسيمات الأساسية – نظرة سريعة  

***