Câmp cuantic (reprezentare computerizată)

În discursul comun atunci când se vorbeşte despre elementele fundamentale care constituie Universul se menţionează adesea atomii. Dar atomii nu sunt particule fundamentale, cum s-a crezut pentru o vreme, ci, în fapt, sisteme complexe, alcătuite din particule fundamentale. Dar cercetarea fundamentală din ultimi zeci de ani a schimbat paradigma. Este Universul creat din particule elementare? Iată în continuare o explicaţie succintă a teoriei câmpurilor cuantice. Video inclus.

Textul articolului conţine principalele idei exprimate de David Tong, profesor de fizică teoretică la Universitatea Cambridge University, specializat în teoria câmpurilor cuantice, în videoclipul de mai jos.


În 1896 JJ Thompson a descoperit electronul, spre uimirea întregii comunităţi ştiinţifice. În 1970 ne-am dat seama că protonii şi neutronii, care formează nucleul atomilor, nu sunt particule fundamentale, ci sunt formate din câte trei particule elementare, denumite quarcuri. Protonul constă din două quarcuri up şi unul down, iar neutronul din două quarcuri down şi unul up. De ce se numesc "up" şi "down"? Niciun motiv anume...

Tot ceea ce vedem în jurul nostru, toată diversitatea naturii, sunt formate de doar 3 particule în felurile aranjamente: electronul, quarcul up şi quarcul down.

Dar sunt aceste particule "cărămizile" fundamentale ale Universului? Nu... Cele mai bune teorii ale fizicii nu se mai bazează pe particule deloc.


Câmpurile cuantice

"Cărămizile" fundamentale ale Naturii sunt nu particulele, ci câmpurile cuantice.

Ce sunt aceste câmpuri? Sunt un fel de substanţe fluide care sunt prezente pretutindeni în Univers şi care vibrează în moduri interesante şi foarte stranii.

Ce caracterizează aceste câmpuri sunt anumite valori în fiecare punct din spaţiu-timp. Deci câmpurile cuantice au valori, iar aceste valori se schimbă în timp.


Teoria câmpurilor cuantice

Energia nu este continuă, ci discretă, adică există în cantităţi fixe. Atunci când combini această idee privind discretizarea energiei cu ideea de câmp propusă de Faraday, pentru a descrie descoperirile sale privind electricitatea, ne alegem cu o nouă teorie, teoria câmpurilor cuantice.

Una dintre ideile acestei noi teorii este următoarea: dacă priveşti de aproape undele de lumină vei observa că nu sunt continue, ci sunt formate din ceva discret, care poartă numele de fotoni.

Acelaşi principiu se aplică tuturor particulelor pe care le cunoaştem. Prin urmare există un câmp electronic, iar electronul este o vibraţie localizată a acestui câmp.

Gândiţi-vă la următoarea implicaţie a acestei idei de câmpuri care ocupă fiecare punct din Univers. Noi toţi suntem alcătuiţi din aceste câmpuri. La nivel fundamental nu este nicio separare între două persoane din această lume, chiar dacă organele noastre de simţ ne spun că lucrurile ar sta altfel! La nivel fundamental există o continuitate între tot ceea ce există, un ansamblu uluitor de câmpuri care vibrează şi care în mod magic dau naștere acestui Univers!

O chestiune este importantă de menţionat: deşi spunem adesea "particule", trebuie înţeles că particulele nu sunt elemente individuale, independente, ci doar vibraţii ale acestor câmpuri. Componenta fundamentală a lumii noastre este câmpul cuantic.


Ce înseamnă vid?

O vreme s-a crezut că dacă scoatem totul dintr-o cutie etanşă vom ajunge să avem o cutie fără nimic în ea, vid absolut.

Dar am precizat că aceste câmpuri cuantice sunt pretutindeni. Nu putem vorbi de vreun punct în spaţiu în care acestea să nu fie prezente. Ele sunt pretutindeni şi cumva suprapuse, în sensul că în fiecare punct din spaţiu le găsim pe toate...

Prin urmare în cutia noastră, chiar dacă am scos toate moleculele de aer, vom avea câmpurile cuantice. Iar aceste câmpuri sunt guvernate de legile mecanicii cuantice.

Există un principiu al mecanicii cuantice denumit principul incertitudinii al lui Heisenberg (cel care l-a creat). Acest principiu nu permite ca aceste câmpuri cuantice să fie complet liniştite, ca suprafaţa unui lac fără niciun pic de vânt. Ce înseamnă asta? Că un câmp cuantic, în fapt toate, fluctuează în mod continuu. Aceste fluctuaţii sunt denumite fluctuaţii ale vidului cuantic.



Fluctuaţii ale câmpului cuantic (reprezentare computerizată)


Aceste fluctuaţii sunt ceva ce poate fi măsurat de către cercetători. A fost determinată experimental o forţă denumită forţa Casimir, care, în esenţă, arată cum două plăci de metal foarte subţiri şi foarte apropiate una de alta sunt împinse una spre alta de aceste fluctuaţii cuantice.

Nu ştim însă să calculăm modelele acestor fluctuaţii cuantice. Este atât de dificil încât cel mai probabil nu există niciun fizician care să se fi dedicat acestui proiect în clipa de faţă.

Aşadar, nu există un vid absolut, dat fiind că peste tot în Univers există aceste câmpuri cuantice în continuă fluctuaţie.



Noul tabel periodic al elementelor. Modelul standard


Mai jos vedeţi ceea ce putem numi "noul tabel periodic al elementelor", pentru că acest tabel conţine realmente elementele fundamentale ale naturii.



Avem trei elemente: electronul şi două tipuri de quarcuri ("up" şi "down"). Mai este o particulă elementară, a patra, ce trebuie menţionată, denumită neutrino. Acest neutrino este foarte mic, este prezent peste tot în Univers şi interacţionează foarte slab cu materia obişnuită, cu atomii.

Cumva Natura a ales să reproducă de încă două ori aceste patru particule. Mai sunt două particule care se comportă exact ca electronul, denumite miuon şi particula tau, prima mai grea de 200 de ori decât electronul, cealaltă de 3000 de ori. Ce sunt acest particule? Nimeni nu ştie. Reprezintă unul dintre misterele nerezolvate ale ştiinţei.

Aşadar sunt cele trei tipuri de electron: electronul, mionul şi particula tau.
Apoi avem trei tipuri de neutrino.
Şi în fine avem şase tipuri de quarcuri: up, down, strange, charmed, bottom quarc şi top quarc. E drept, nu prea au avut imaginaţie cei care le-au dat aceste denumiri...

Deci, în total, 12 particule. Din nou, particule - în sensul de vibraţii ale câmpurilor...


Forţele naturii

Cele douăsprezece câmpuri menţionate mai sus (electronic, muionic etc.) interacţionează între ele prin intermediul unor forţe, mai precis a patru forţe.

Cele mai cunoscute sunt forţa gravitaţională şi forţa electromagnetică.

În afară de acestea mai sunt: forţa nucleară tare, care ţine împreună quarcurile (reamintesc, quarcurile formează protonii şi neutronii),  şi forţa nucleară slabă, care, printre altele, este responsabilă de dezintegrarea radioactivă.

Fireşte, fiecăreia dintre aceste forţe îi este asociat un câmp cuantic. Şi forţele sunt în fapt tot câmpuri. Ce înseamnă asta?

Forţa gravitaţională are asociat un câmp care este spaţiu-timpul. Particula asociată acestui câmp este denumită graviton, neidentificată experimental.
Forţa electromagnetică are asociat câmpul electromagnetic, iar particula purtătoare este fotonul.
Forţa nucleară tare are asociat câmpul gluonic, de la particula purtătoare, gluonul.
Forţa nucleară slabă are asociat câmpul bosonilor W şi Z, după cele două particule purtătoare ale forţei, bosonii W şi Z.

În total: 12 câmpuri asociate unor particule care generează materia şi 4 câmpuri asociate unor particule care generează forţele naturii.


Interacţiunea câmpurilor

Câmpurile interacţionează între ele după reguli înţelese de fizicieni. De exemplu, o vibraţie din câmpul electronic, electronul, poate produce vibraţii în câmpul electromagnetic, ducând la generarea de lumină (foton).


Câmpul Higgs


Nu am vorbit de o particulă care a fost descoperită în 2012 la Marele Accelerator de Particule de la Cern, LHC. Este vorba despre particula Higgs, sugerată întâi teoretic în anii '60 ai secolului trecut de Peter Higgs.

Sunt două proiecte de la LHC în cadrul cărora a fost descoperită, Atlas şi CMS. De ce e importantă acestă particulă Higgs? Pentru că este responsabilă pentru parte din masa particulelor. Fără ea nu exista o explicaţie pentru faptul că lucrurile au masa pe care o au.

La nivel fundamental proprietăţi ale particulelor, precum "masa" ori "sarcina electrică" sunt doar metafore pentru modul specific în care câmpurile cuantice interacţionează între ele.

Puteţi descărca  AICI posterul cu particulelor fundamentale realizat de Scientia (lb.română)




Ecuaţia pentru înţelegerea modelului standard



Acestă ecuaţie prezice în mod corect rezultatele tuturor experimentelor pe ştiinţa le-a efectuat vreodată. Este o culme a reducţionismului în ştiinţă. Nu este cea mai simplă ecuaţie din ştiinţă, dar nici foarte complicată nu este.

Prima parte a fost scrisă de Einstein pentru a descrie gravitaţia. Poţi prezice cât de repede cade un măr din copac, orbitele planetelor ori ce se întâmplă atunci când două găuri negre intră în coliziune şi se contopesc.
A doua parte a fost scrisă de James Clerk Maxwell şi spune totul despre electromagnetism.
Apoi este vorba despre partea ecuaţiei care guvernează forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă.
Apoi este partea ce a fost scrisă de fizicianul britanic Paul Dirac. Descrie materia. Descrie cele 12 particule care formează materia. În mod uimitor, toate cele 12 se supun aceleaşi ecuaţii!
Apoi este partea ecuaţiei a lui Peter Higgs, care spune cum materia interacţionează cu particula Higgs.


Partea întunecată a Universului

Da, cele 12 particule şi 4 forţe ne descriu Universul, dar sunt unele limite...

Se pare că sunt alte câmpuri pe care nu le-am identificat deocamdată. Le-am observat efectele în modul în care se rotesc galaxiile ori modul în care lumina este curbată în jurul galaxiilor, dar nu le-am identificat. Le numim pe acestea materie întunecată.

Şi sunt şi alte câmpuri, la fel de misterioase, pe care le numim energie întunecată. Aceasta este pretutindeni în Univers şi se manifestă ca o forţă de respingere între tot ce există.


Ce ştim despre cum a început totul

Nu ştim ce a generat Big Bangul, momentul iniţial de naştere a Universului, dar avem o idee destul de bună despre ce s-a întâmplat după.

Universul a apărut acum 13,8 miliarde de ani. Pentru primii 380.000 de ani Universul a fost un fel de minge de foc. Cum ştim asta? Prin faptul că am determinat radiaţia cosmică de fond. Această "minge de foc" s-a răcit, iar lumina se împrăştie prin Univers de atunci.


Radiaţia cosmică de fond


Vedeţi în imagine  că sunt puncte roşii şi albastre, arătând temperaturi diferite. Ce ştim despre aceste diferenţe? Că ele există încă din primele fracţiuni de secundă de după Big Bang. La început nu erau particule, dar erau câmpuri cuantice, pentru că aceste câmpuri sunt peste tot şi dintotdeauna. Câmpurile cuantice sunt caracterizate de fluctuaţii cuantice, aşa cum am menţionat mai sus. Aceste fluctuaţii iniţiale, microscopice, s-au întins în tot Universul, 20 de miliarde de ani-lumină.

 

 

 

 

 

 Mai multe articole Scientia în legătură cu teoria câmpurilor cuantice:
Cum produce un electron câmpul electromagnetic?
Cum se transformă o particulă elementară într-o altă particulă elementară?
Ce sunt particulele virtuale, conform QFT?
QFT. Foarte scurtă introducere     
Ce este Universul la nivel fundamental

Textul articolului este traducerea şi adaptarea unei părţi a discursului din videoclip.
Credit imagini:  hwww.damtp.cam.ac.uk. O parte din imagini sunt capturi din videoclip.