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Di 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 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 ventesimo 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 ed elettroni in orbita intorno. 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 ogni cosa nell'universo. Con gli sviluppi pionieristici della fisica quantistica, abbiamo appreso che le particelle sono in realtà dei 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 i mattoni fondamentali di ogni cosa 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 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? Di cosa è fatto l'universo? Quali sono i mattoni fondamentali della natura? E quali sono le leggi fondamentali della natura che governano ogni cosa nell'universo? modello di serie 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" ("Quark up" e "quark down"). up quark" e "down quark" sono solo quark diversi. I termini "up" e "down" non implicano alcuna relazione con la direzione o il tempo). I protoni sono formati da due “quark up” e un “quark down” mentre un neutrone è formato da due “quark down” e un “quark up”. Pertanto, "elettroni", "quark up" e "quark down" sono le tre particelle più fondamentali che costituiscono i mattoni di ogni cosa nell'universo. Tuttavia, con i progressi della scienza, anche questa comprensione ha subito 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 nell'universo è costituito da entità astratte invisibili chiamate "campi" che rappresentano i mattoni fondamentali della natura. Un campo è qualcosa che si estende nell'universo e assume un valore particolare in ogni punto dello spazio che può cambiare nel tempo. È come le increspature del fluido che ondeggiano in tutto l'universo, ad esempio, i campi magnetici ed elettrici sono diffusi in tutto l'universo. Sebbene non possiamo vedere i campi elettrici o magnetici, sono reali e fisici come evidenziato dalla forza che sentiamo quando due magneti vengono avvicinati. Secondo la meccanica quantistica, si pensa che i campi siano continui a differenza dell'energia che è sempre suddivisa in alcuni grumi discreti.

La teoria quantistica dei campi è l'idea di combinare la meccanica quantistica ai campi. In base a ciò, il fluido elettronico (vale a dire le increspature delle onde di questo fluido) viene legato 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 a "quark up" e "quark down". E lo stesso vale per ogni altra particella nell'universo. I campi sono alla base di tutto. Quelle che consideriamo particelle sono in realtà onde dei campi legati in piccoli fasci di energia. I mattoni fondamentali di base 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 estratte completamente, i campi esistono ancora.   

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 costituiscono ma svolgono un ruolo importante altrove nell'universo. I neutrini sono ovunque, attraversano tutto ovunque senza interagire.

Campi di materia: I quattro campi quantistici di base e le loro particelle associate (vale a dire, "elettrone", "up quark", "down quark" e "neutrino") formano il fondamento dell'universo. Per ragioni sconosciute, queste quattro particelle fondamentali si riproducono due volte. Gli elettroni riproducono “muone” e “tau” (che sono rispettivamente 200 e 3000 volte più pesanti degli elettroni); i quark up danno origine a “stran quark” e “bottom quark”; 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 di materia che compongono 12 particelle nell'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  

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

Campo di Higgs

Negli anni '1960, un altro campo fu predetto da Peter Higgs. Negli anni '1970, questo è diventato parte integrante della nostra comprensione dell'universo. Ma non c'erano prove sperimentali (il che significa che se creiamo un'increspatura del campo di Higgs, dovremmo vedere la particella associata) fino al 2012, quando i ricercatori del CERN all'LHC hanno riportato la 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.  

È l'interazione dei campi presenti nell'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 capire 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.

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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