Vibraţie a unui electron
Nu e neobișnuit să primesc mesaje de la pasionaţi de fizică ce contestă mecanica cuantică și teoria relativității speciale. Admit că ideile prezentate de aceste teorii sunt stranii. Pentru unii sunt pur și simplu prea contraintuitive pentru a fi acceptate. Dar am o veste proastă pentru aceştia: fizicienii nu mai gândesc Universul în acești termeni simpli. Experimentele recente au arătat că tărâmul subatomic este mult mai uimitor decât cel prezentat de conceptele din cele două teorii. A trecut aproape un secol, la urma urmelor, de la fundamentarea acestora...
Mecanica cuantică ne spune că un electron este atât particulă, cât și undă și nu poți fi sigur niciodată cum se va comporta. Relativitatea ne spune că timpul nu este absolut, distanțele depind de observator și că energia poate fi transformată în materie și invers. Aceste idei sunt încă corecte, dar sunt doar vârful aisbergului.
Fizicienii folosesc acum o clasă de teorii denumite teorii ale câmpului cuantic sau QFT (eng. quantum field theories), care au fost postulate pentru prima dată la sfârșitul anilor 1920 și care s-au dezvoltat în deceniile următoare. QFT sunt bizare, dar unii s-au obişnuit cu ele.
Pentru a începe, să ne gândim la electroni. Peste tot în Univers există un câmp numit câmpul electronic. Un electron fizic nu este câmpul, ci mai degrabă o vibrație localizată pe acest câmp electronic. De fapt, fiecare electron din Univers este o vibrație localizată similară a câmpului electronic.
Electronii nu sunt singurele particule care sunt vibrații localizate ale unui câmp; toate particulele sunt la fel.
Există un câmp fotonic, un câmp al quarcurilor, un câmp gluonic, un câmp miuonic etc. Iar ceea ce noi vizualizăm ca fiind particule sunt în fapt doar vibrații localizate ale acelui câmp.
Dacă nu sunteţi familiari cu aceste denumiri de particule (gluon, miuon etc.), citiţi articolul nostru dedicat particulelor fundamentale.
Bosonul Higgs, descoperit recent, are aceeaşi natură. Câmpul Higgs interacționează cu particulele și le dă astfel acestora masă. Este dificil să observăm acest câmp direct. În schimb, furnizăm energie câmpului prin coliziuni de particule și-l facem astfel să vibreze.
Când spunem că "am descoperit bosonul Higgs", ar trebui să înţelegeţi aşa: "am generat vibraţii ale câmpului Higgs și am observat aceste vibrații".
Această idee oferă o viziune complet diferită asupra modului în care funcționează lumea subatomică. Peste tot în spațiu există o mare varietate de câmpuri diferite, la fel cum un anumit lucru poate avea simultan miros, sunet și culoare. Ceea ce gândim ca fiind o particulă este pur și simplu o vibrație a câmpului său.
Acest lucru are consecințe semnificative asupra felului în care înţelegem interacţiunile dintre particulel De exemplu, luați în considerare un proces simplu prin care doi electroni sunt e emişi unul către altul și sunt împrăștiați. În înţelegerea clasică a împrăștierii, un electron emite un foton în deplasarea sa către celălalt, ceea ce provoacă un fel de recul. Fotonul călătorește către celălalt electron, care, de asemenea, ar avea o mişcare de recul. Este ca și cum ai avea doi oameni în două bărci; dacă unul dintre ei aruncă un sac în cealaltă barcă, atât barca celui care aruncă, cât şi a celui care primeşte sacul vor avea o mişcare de recul.
În abordarea teoriei câmpurilor cuantice, o vibrație a câmpului electronic induce o vibrație în câmpul fotonic. Vibrația câmpului fotonic transportă energia și impulsul către o altă vibrație a electronului și este absorbită.
O diagramă Feynman (sus) și același proces subatomic folosind teoria câmpurilor cuantice (partea de jos).
În stânga, un câmp de fotoni vibrează, iar câmpul quarcului și câmpul gluonic sunt staționare.
Când fotonul creează o pereche quarc - antiquarc, câmpul quarcului vibrează, în timp ce celelalte două câmpuri nu.
În cele din urmă, atunci când quarcul și antiquarcul se combină pentru a crea un gluon, numai câmpul gluonic vibrează.
În procesul binecunoscut în care un foton se transformă într-un electron și un electron de antimaterie (pozitron), vibrațiile câmpului fotonic sunt transferate în câmpul electronic și sunt iniţiate două seturi de vibrații - una compatibilă cu o vibrație a unui electron, iar cealaltă în concordanță cu vibraţia unui pozitron.
Această idee despre câmpuri și vibrații explică modul în care Universul funcționează la nivel fundamental.
Aceste câmpuri acoperă tot spațiul. Unele câmpuri pot interacţiona cu alte câmpuri, dar nu cu toate. Câmpul de fotoni, de pildă, poate interacționa cu câmpurile particulelor încărcate electric, dar nu poate "vedea" câmpurile gluonice sau neutrinice.
Pe de altă parte, un foton poate interacționa indirect cu câmpul gluonic, mai întâi generând vibrații ale quarcurilor care apoi produc vibrații gluonice. Este un fel ca atunci când doi frați certați folosesc o a treia persoană pentru a transmite mesaje.
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
Teoria câmpurilor cuantice reprezintă într-adevăr un mod de gândire uluitor. Tot ce există este doar o consecință a vibrațiilor câmpurilor prezente pretutindeni în Univers. Întregul Univers este format din câmpuri care generează o vastă "simfonie" subatomică. Fizicienii încearcă să înțeleagă această simfonie.
