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Di cosa siamo fatti alla fine? Quali sono i mattoni fondamentali dell'universo?

Gli antichi pensavano che fossimo costituiti da quattro “elementi”: acqua, terra, fuoco e aria; che ora sappiamo non sono elementi. Attualmente ci sono circa 118 elementi. Tutti gli elementi sono costituiti da atomi che un tempo si pensava fossero indivisibili. All'inizio del XX secolo, in seguito alle scoperte di JJ Thompson e Rutherford, si sapeva che gli atomi erano costituiti da nuclei (fatti di protoni e neutroni) al centro e da elettroni orbitante in giro. Negli anni '1970 si sapeva che neanche i protoni e i neutroni erano fondamentali ma erano costituiti da "quark up" e "quark down", rendendo così "elettroni", "quark up" e "quark down" i tre costituenti fondamentali di ogni cosa. nel universo. Con gli sviluppi pionieristici della fisica quantistica, abbiamo appreso che le particelle sono in realtà derivati, i fasci o pacchetti di energia nei campi che implicano le particelle non sono fondamentali. Ciò che è fondamentale è il campo che li sottende. Ora possiamo dire che i campi quantistici sono gli elementi costitutivi fondamentali di tutto ciò che esiste nel mondo universo (compresi i sistemi biologici avanzati come noi). Siamo tutti costituiti da campi quantistici. Le proprietà delle particelle, come la carica elettrica e la massa, sono dichiarazioni su come i loro campi interagiscono con altri campi. Ad esempio, la proprietà che chiamiamo carica elettrica di un elettrone è un'affermazione su come il campo degli elettroni interagisce con il campo elettromagnetico. E. la proprietà della sua massa è l'affermazione su come interagisce con il campo di Higgs.  

Sin dai tempi antichi, le persone si sono chieste di cosa siamo fatti? Quale è universo fatto di? Quali sono gli elementi costitutivi fondamentali della natura? E quali sono le leggi fondamentali della natura che governano tutto nel universo? modello di serie della scienza è la teoria che risponde a queste domande. Si dice che questa sia la teoria scientifica più riuscita mai costruita negli ultimi secoli, un’unica teoria che spiega la maggior parte delle cose del mondo. universo.  

Le persone sapevano presto che siamo costituiti da elementi. Ogni elemento, a sua volta, è costituito da atomi. Inizialmente si pensava che gli atomi fossero indivisibili. Tuttavia, nel 1897 JJ Thompson scoprì gli elettroni utilizzando la scarica elettrica attraverso un tubo a raggi catodici. Poco dopo, nel 1908, il suo successore Rutherford dimostrò attraverso il suo famoso esperimento sulla lamina d’oro che un atomo ha un minuscolo nucleo carico positivamente al centro attorno al quale circolano elettroni carichi negativamente. orbite. Successivamente si scoprì che i nuclei sono costituiti da protoni e neutroni.  

Negli anni '1970 si scoprì che neutroni e protoni non sono indivisibili e quindi non fondamentali, ma ogni protone e neutrone sono costituiti da tre particelle più piccole chiamate quark che sono di due tipi: "quark up" e "quark down" ("quark up"). quark up” e “quark down” sono semplicemente quark diversi. I termini “up” e “down” non implicano alcuna relazione con la direzione o il tempo). I protoni sono costituiti da due “quark up” e un “quark down”, mentre un neutrone è costituito da due “quark down” e un “quark up”. Pertanto, “elettroni”, “quark up” e “quark down” sono le tre particelle fondamentali che costituiscono gli elementi costitutivi di ogni cosa nel mondo. universo. Tuttavia, con i progressi della scienza, anche questa comprensione ha visto dei cambiamenti. Si scopre che i campi sono fondamentali e non particelle.  

Le particelle non sono fondamentali. Fondamentale è il campo che le sta alla base. Siamo tutti fatti di campi quantistici

Secondo l'attuale comprensione della scienza, tutto nel universo è costituito da entità astratte invisibili chiamate "campi" che rappresentano gli elementi costitutivi fondamentali della natura. Un campo è qualcosa che si estende ovunque universo ed assume in ogni punto dello spazio un valore particolare che può cambiare nel tempo. È come increspature di fluido che ondeggiano ovunque universo, ad esempio, i campi magnetici ed elettrici sono diffusi attraverso il universo. Anche se non possiamo vedere i campi elettrici o magnetici, essi sono reali e fisici, come dimostra la forza che sentiamo quando due magneti vengono avvicinati. Secondo la meccanica quantistica, si ritiene che i campi siano continui, a differenza dell’energia che è sempre parcellizzata in alcuni grumi discreti.

La teoria quantistica dei campi è l'idea di combinare la meccanica quantistica ai campi. In questo modo il fluido elettronico (cioè le increspature delle onde di questo fluido) si lega in piccoli fasci di energia. Questi fasci di energia sono ciò che chiamiamo elettroni. Pertanto, gli elettroni non sono fondamentali. Sono le onde dello stesso campo sottostante. Allo stesso modo, le increspature dei due campi di quark danno origine ai “quark up” e ai “quark down”. E lo stesso vale per ogni altra particella nel universo. I campi sono alla base di tutto. Ciò che consideriamo particelle sono in realtà onde dei campi legate in piccoli fasci di energia. Gli elementi costitutivi fondamentali del nostro universo sono queste sostanze fluide che chiamiamo campi. Le particelle sono semplicemente derivati ​​di questi campi. Nel vuoto puro, quando le particelle vengono completamente rimosse, i campi continuano ad esistere.   

I tre campi quantistici più basilari in natura sono “elettrone”, “quark up” e “quark down”. Ce n'è un quarto chiamato neutrino, tuttavia, non ci costituisce ma svolge un ruolo importante altrove nel mondo universo. I neutrini sono ovunque, fluiscono ovunque ovunque senza interagire.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Campi di materia: I quattro campi quantistici fondamentali e le particelle ad essi associate (vale a dire, "elettrone", "quark up", "quark down" e "neutrino") costituiscono il fondamento del universo. Per ragioni sconosciute, queste quattro particelle fondamentali si riproducono due volte. Gli elettroni riproducono il “muone” e il “tau” (che sono rispettivamente 200 e 3000 volte più pesanti degli elettroni); i quark up danno origine al “quark strano” e al “quark bottom”; i quark down danno origine al “quark charm” e al “quark top”; mentre i neutrini danno origine al “neutrino muonico” e al “neutrino tau”.  

Quindi, ci sono 12 campi che danno origine alle particelle, le chiamiamo noi campi di materia.

Di seguito è riportato l'elenco dei 12 campi materiali che compongono 12 particelle nel universo.  

Campi di forza: I 12 campi di materia interagiscono tra loro attraverso quattro diverse forze – gravità, elettromagnetismo, forti forze nucleari (operano solo su piccola scala del nucleo, tengono insieme i quark all'interno di protoni e neutroni) e forze nucleari deboli (operare solo su piccola scala del nucleo, responsabile del decadimento radioattivo e avviare la fusione nucleare). Ognuna di queste forze è associata a un campo – a cui è associata la forza elettromagnetica campo di gluoni, i campi associati a forze nucleari forti e deboli lo sono Campo di bosoni W e Z e il campo associato alla gravità è spazio tempo stessa.

Di seguito è riportato l'elenco dei quattro campi di forza associati a quattro forze.    

forza elettromagnetica  campo di gluoni 
Forze nucleari forti e deboli campo bosonico w & z 
gravità  spazio tempo  

Il universo è riempito con questi 16 campi (12 campi materiali più 4 campi associati a quattro forze). Questi campi interagiscono insieme in modo armonioso. Ad esempio, quando il campo degli elettroni (uno dei campi della materia), inizia a oscillare su e giù (perché lì c'è un elettrone), ciò dà il via a uno degli altri campi, diciamo il campo elettromagnetico che, a sua volta, anche oscillare e incresparsi. Verrà emessa una luce che oscillerà leggermente. Ad un certo punto, inizierà a interagire con il campo dei quark, che a sua volta oscillerà e si incresperà. L'immagine finale con cui otteniamo è la danza armoniosa tra tutti questi campi, intrecciati tra loro.  

Campo di Higgs

Negli anni '1960, Peter Higgs predisse un altro campo. Negli anni '1970, questo divenne parte integrante della nostra comprensione del universo. Ma non c’erano prove sperimentali (il che significa che se creiamo un’ondulazione del campo di Higgs, dovremmo vedere la particella associata) fino al 2012, quando i ricercatori del CERN presso LHC hanno riportato la sua scoperta. La particella si è comportata esattamente come previsto dal modello. La particella di Higgs ha vita brevissima, circa 10-22 secondi.  

Questo è stato l'ultimo elemento costitutivo del universo. Questa scoperta è stata importante perché questo campo è responsabile di ciò che chiamiamo massa nel universo.  

Le proprietà delle particelle (come la carica elettrica e la massa) sono affermazioni su come i loro campi interagiscono con altri campi.  

È l'interazione dei campi presenti nel universo che danno origine a proprietà come massa, carica ecc. di diverse particelle sperimentate da noi. Ad esempio, la proprietà che chiamiamo carica elettrica di un elettrone è un'affermazione su come il campo degli elettroni interagisce con il campo elettromagnetico. Allo stesso modo, la proprietà della sua massa è l'affermazione su come interagisce con il campo di Higgs.

Era davvero necessaria una comprensione del campo di Higgs per poter comprendere il significato della massa nel campo universo. La scoperta del campo di Higgs fu anche la conferma del Modello Standard in vigore dagli anni '1970.

I campi quantistici e la fisica delle particelle sono campi di studio dinamici. Dalla scoperta del campo di Higgs, si sono verificati diversi sviluppi che hanno attinenza con il modello Standard. La ricerca di risposte ai limiti del modello Standard continua.

*** 

Fonte:  

The Royal Institution 2017. Campi quantistici: i veri mattoni dell'universo – con David Tong. Disponibile online su https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Giornalista scientifico | Editore fondatore della rivista scientifica europea

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