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

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

Gli antichi pensavano che fossimo composti da quattro 'elementi': acqua, terra, fuoco e aria; che sappiamo non sono elementi e ora ci sono circa 118 elementi. Tutti gli elementi sono costituiti da atomi che un tempo si pensava fossero indivisibili, ma all'inizio del ventesimo secolo, in seguito alle scoperte di JJ Thompson e Rutherford, si sapeva che gli atomi erano costituiti da nuclei (costituiti da protoni e neutroni) al centro e da elettroni in orbita attorno. Negli anni '1970 si sapeva che nemmeno i protoni e i neutroni sono fondamentali, ma sono costituiti da "quark up" e "quark down", rendendo così "elettroni", "quark up" e "quark down" i tre costituenti più fondamentali di tutto. nell'universo. Con gli sviluppi pionieristici della fisica quantistica, abbiamo appreso che le particelle sono derivate, i fasci oi pacchetti di energia nei campi che implicano le particelle non sono fondamentali. Fondamentale è il campo che le sta alla base. Ora possiamo dire che i campi quantistici sono gli elementi costitutivi fondamentali di tutto nell'universo (compresi i sistemi biologici avanzati come noi). Siamo tutti fatti di campi quantistici. Le proprietà delle particelle, come la carica elettrica e la massa, sono affermazioni 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 di elettroni interagisce con il campo elettromagnetico. E. la proprietà della sua massa è l'affermazione su come interagisce con il campo di Higgs.  

Fin dai tempi antichi, le persone si sono chiesti di cosa siamo fatti? Da cosa è composto l'universo? Quali sono i mattoni fondamentali della natura? E quali sono le leggi fondamentali della natura che governano ogni cosa nell'universo? Il modello standard della scienza è la teoria che risponde a queste domande. Si dice che questa sia la teoria scientifica di successo mai costruita negli ultimi secoli, un'unica teoria che spiega la maggior parte delle cose nell'universo.  

La gente sapeva presto che siamo fatti di 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 usando la scarica elettrica attraverso il tubo a raggi catodici. Poco dopo, nel 1908, il suo successore Rutherford dimostrò attraverso il suo famoso esperimento con lamina d'oro che un atomo ha un minuscolo nucleo caricato positivamente al centro attorno al quale ruotano in orbita gli elettroni caricati negativamente. Successivamente, è stato scoperto che i nuclei sono costituiti da protoni e neutroni.  

Negli anni '1970 si scoprì che neutroni e protoni non sono indivisibili 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". (I quark "up quark" e "down quark" sono semplicemente quark diversi e non hanno alcuna relazione con alcuna direzione o tempo). I protoni sono formati da due “quark up” e un “quark down” mentre un neutrone è composto da due “quark down” e un “quark up”. Quindi, gli elettroni, i quark up e i quark down sono le tre particelle fondamentali e gli elementi costitutivi di ogni cosa nell'universo. Tuttavia, con i progressi della scienza, anche questa comprensione ha visto dei cambiamenti. I campi sono fondamentali e non particelle, come era stato previsto prima.   

Secondo l'attuale comprensione della scienza, tutto nell'universo è costituito da entità astratte invisibili chiamate "campi" e che rappresentano i mattoni fondamentali della natura. Un campo è qualcosa che si diffonde nell'universo e assume un valore particolare in ogni punto dello spazio che può cambiare con il tempo. È come le increspature del fluido che ondeggiano in tutto l'universo, ad esempio, i campi magnetici ed elettrici si diffondono in tutto l'universo. Sebbene non possiamo vedere campi elettrici o magnetici, sono reali e fisici e, ad esempio, è evidenziato dalla forza che proviamo quando due magneti vengono avvicinati.  

Gli anni '1920 avevano visto cambiamenti rivoluzionari nella nostra comprensione dell'universo. La meccanica quantistica dice che invece di essere continua, l'energia è sempre parcellizzata in alcuni grumi discreti. D'altra parte, si pensa che i campi siano continui.  

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

La teoria quantistica dei campi è l'idea di combinare la meccanica quantistica con i campi. Secondo questo, il fluido elettronico, le increspature delle onde di questo fluido, vengono legate in piccoli fasci di energia dalle regole della meccanica quantistica, e quei fasci di energia sono ciò che chiamiamo la particella, l'elettrone. Gli elettroni non sono fondamentali. Sono le onde dello stesso campo sottostante. Allo stesso modo, le increspature dei due campi di quark danno origine al quark up e al quark down. E lo stesso vale per ogni altra particella nell'universo. Ci sono campi che stanno alla base di tutto. Quelle a cui pensiamo come particelle non sono affatto particelle, sono onde di questi campi legate in piccoli fasci di energia. I mattoni fondamentali di base del nostro universo sono queste sostanze simili a fluidi che chiamiamo campi. Le particelle sono derivati ​​di questi campi, quindi non fondamentali. Nel vuoto puro, quando le particelle vengono estratte completamente, esistono ancora campi governati dalle regole della meccanica quantistica.   

I tre campi quantistici più basilari in natura sono l'elettrone, il quark up e il quark down. Ce n'è un quarto chiamato neutrino, tuttavia, non ci costituiscono ma svolgono un ruolo importante altrove nell'universo. I neutrini sono ovunque, fluiscono attraverso tutto ovunque senza interagire. Questi quattro campi e le loro particelle associate, cioè l'elettrone, il quark up, il quark down e il neutrino, formano il substrato roccioso dell'universo. Per ragioni sconosciute, queste quattro particelle le riproducono due volte. Gli elettroni riproducono muoni e tau (che sono rispettivamente 200 volte 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 il quark top e il neutrino danno origine al neutrino muonico e al neutrino tau .  

Quindi, ci sono 12 campi che danno materia, li chiamiamo campi di materia. Di seguito è riportato l'elenco di 12 campi (campi di materia) che compongono 12 particelle nell'universo.  

elettrone (e) 
quark up (u) 
quark down (d) 
neutrino (νe
10-6 
Muone (μ-
200 
quark strano (s) 
200 
quark charm (c) 
2000 
muone neutrino (νμ)  
10-6 
Tau (τ-
3000 
quark inferiore (b) 
8000 
quark superiore (t)  
340,000 
tau neutrino (ντ
10-6 

Questi 12 campi interagiscono tra loro attraverso quattro diverse forze: gravità, elettromagnetismo, forze nucleari forti (operano solo su piccola scala del nucleo, tengono insieme i quark all'interno di protoni e neutroni) e forze nucleari deboli (operano solo su piccola scala del nucleo, responsabili per il decadimento radioattivo e avviare la fusione nucleare).  

Ognuna di queste forze è associata a un campo – la forza elettromagnetica è associata al campo gluonico, i campi associati alle forze nucleari forti e deboli sono il campo bosonico W e Z e il campo associato alla gravità è lo spazio-tempo stesso. Di seguito è riportato l'elenco di altri quattro campi associati a quattro forze.    

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

L'universo è pieno di questi 16 campi: 12 campi di materia più 4 campi associati a quattro forze. Questi campi interagiscono tra loro in modo armonioso. Ad esempio, quando il campo di elettroni (uno dei campi di materia), inizia a ondeggiare su e giù (perché lì c'è un elettrone), questo dà il via a uno degli altri campi, diciamo un campo elettromagnetico che, a sua volta, anche oscillare e incresparsi. Ci sarà luce che viene emessa in modo che oscilli un po'. Ad un certo punto, inizierà a interagire con il campo di quark, che a sua volta oscillerà e si incresparà. L'immagine finale con cui finiamo è la danza armoniosa tra tutti questi campi, che si intrecciano l'uno con l'altro.  

Campo di Higgs: scoperta nel 2012  

Negli anni '1960, Peter Higgs aveva previsto un altro campo. Chiamato campo di Higgs, questo è diventato parte integrante della nostra comprensione dell'universo negli anni '1970. Ma non c'erano prove sperimentali (nel senso che se facciamo increspare il campo di Higgs, dovremmo vedere la particella associata) fino al 2012, quando i ricercatori del CERN dell'LHC hanno riferito della sua scoperta. La particella si è comportata esattamente nel modo previsto dal modello. La particella di Higgs ha una vita molto breve, di circa 10-22 secondi.  

Questo era l'ultimo elemento costitutivo dell'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.  

Ad esempio, la proprietà che chiamiamo carica elettrica di un elettrone è un'affermazione su come il campo di elettroni interagisce con il campo elettromagnetico. La proprietà della sua massa è l'affermazione su come interagisce con il campo di Higgs. Pertanto, la comprensione del campo di Higgs era davvero necessaria per comprendere il significato della massa nell'universo. La scoperta del campo di Higgs è stata anche una conferma del Modello Standard che era in vigore dagli anni '1970, anche se questa conferma ha richiesto circa 50 anni. 

Per concludere, è l'interazione dei campi presenti nell'universo che danno origine a proprietà come massa, carica ecc. di diverse particelle da noi sperimentate. 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 per i 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  

***

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Caporedattore, Scientific European

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