เราประกอบขึ้นจากอะไร? อะไรคือหน่วยการสร้างพื้นฐานของจักรวาล?

คนโบราณคิดว่าเราประกอบด้วย 'ธาตุ' สี่ชนิด ได้แก่ น้ำ ดิน ไฟ และลม; ซึ่งตอนนี้เรารู้แล้วว่าไม่ใช่ธาตุ ปัจจุบันมีธาตุอยู่ประมาณ 118 ธาตุ องค์ประกอบทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมซึ่งครั้งหนึ่งเคยคิดว่าแบ่งแยกไม่ได้ เมื่อถึงต้นศตวรรษที่ XNUMX หลังจากการค้นพบของเจเจ ทอมป์สันและรัทเทอร์ฟอร์ด เป็นที่รู้กันว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียส (ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน) ที่ศูนย์กลางและมีอิเล็กตรอน การโคจร รอบๆ. ในช่วงทศวรรษ 1970 เป็นที่ทราบกันดีว่าโปรตอนและนิวตรอนก็ไม่ใช่องค์ประกอบพื้นฐานเช่นกัน แต่ประกอบด้วย 'อัพควาร์ก' และ 'ดาวน์ควาร์ก' ดังนั้น 'อิเล็กตรอน' 'อัพควาร์ก' และ 'ดาวน์ควาร์ก' จึงเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดสามประการของทุกสิ่ง ใน จักรวาล- ด้วยการพัฒนาที่ก้าวล้ำในฟิสิกส์ควอนตัม เราได้เรียนรู้ว่าอนุภาคจริงๆ แล้วเป็นอนุพันธ์ การรวมกลุ่มหรือห่อของพลังงานในสนามที่บ่งบอกว่าอนุภาคไม่ใช่ปัจจัยพื้นฐาน สิ่งพื้นฐานคือสาขาที่เป็นรากฐานของพวกเขา ตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่าสนามควอนตัมเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของทุกสิ่งในนั้น จักรวาล (รวมถึงระบบชีวภาพขั้นสูงอย่างเราด้วย) เราทุกคนประกอบด้วยสนามควอนตัม คุณสมบัติของอนุภาค เช่น ประจุไฟฟ้าและมวล เป็นข้อความที่บอกว่าสนามของพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามอื่นอย่างไร ตัวอย่างเช่น คุณสมบัติที่เราเรียกว่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนคือข้อความว่าสนามอิเล็กตรอนมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างไร และ. คุณสมบัติของมวลคือข้อความว่ามวลมีปฏิกิริยาอย่างไรกับสนามฮิกส์  

ตั้งแต่สมัยโบราณผู้คนสงสัยว่าเราประกอบด้วยอะไร? อะไรคือ จักรวาล ประกอบด้วย? อะไรคือองค์ประกอบพื้นฐานของธรรมชาติ? และกฎพื้นฐานของธรรมชาติที่ควบคุมทุกสิ่งในนั้นคืออะไร จักรวาล? รูปแบบมาตรฐาน ของวิทยาศาสตร์เป็นทฤษฎีที่ตอบคำถามเหล่านี้ กล่าวกันว่าเป็นทฤษฎีวิทยาศาสตร์ที่ประสบความสำเร็จที่เคยสร้างมาในช่วงหลายศตวรรษที่ผ่านมา ซึ่งเป็นทฤษฎีเดียวที่อธิบายสิ่งต่างๆ ส่วนใหญ่ใน จักรวาล.  

ผู้คนรู้ตั้งแต่เนิ่นๆ ว่าเราประกอบด้วยองค์ประกอบต่างๆ แต่ละองค์ประกอบก็ประกอบด้วยอะตอม ในตอนแรกคิดว่าอะตอมจะแบ่งแยกไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ในปี พ.ศ. 1897 เจเจ ทอมป์สัน ค้นพบอิเล็กตรอนโดยใช้การปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านหลอดรังสีแคโทด ไม่นานหลังจากนั้น ในปี 1908 รัทเทอร์ฟอร์ด ผู้สืบทอดตำแหน่งของเขาได้พิสูจน์โดยการทดลองฟอยล์ทองคำอันโด่งดังของเขาว่าอะตอมมีนิวเคลียสที่มีประจุบวกเล็กๆ อยู่ตรงกลาง โดยมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบหมุนวนเข้ามา วงโคจร- ต่อมาพบว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน  

ในปี 1970 มีการค้นพบว่านิวตรอนและโปรตอนไม่สามารถแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นจึงไม่ใช่พื้นฐาน แต่โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กสามอนุภาคที่เรียกว่าควาร์ก ซึ่งแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ "อัพควาร์ก" และ "ดาวน์ควาร์ก" (“ up quark” และ “down quark” เป็นเพียงควาร์กที่แตกต่างกัน คำว่า 'up' และ 'down' ไม่ได้หมายความถึงความสัมพันธ์ใดๆ กับทิศทางหรือเวลา) โปรตอนประกอบด้วย "อัพควาร์ก" XNUMX ตัว และ "ดาวน์ควาร์ก" XNUMX ตัว ในขณะที่นิวตรอนประกอบด้วย "ดาวน์ควาร์ก" XNUMX ตัว และ "อัพควาร์ก" XNUMX ตัว ดังนั้น "อิเล็กตรอน" "อัพควาร์ก" และ "ดาวน์ควาร์ก" จึงเป็นอนุภาคพื้นฐานที่สุดสามชนิดที่ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบของทุกสิ่งใน จักรวาล- อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ ความเข้าใจนี้ก็มีการเปลี่ยนแปลงเช่นกัน พบว่าเขตข้อมูลเป็นข้อมูลพื้นฐานไม่ใช่อนุภาค  

อนุภาคไม่ใช่พื้นฐาน อะไรเป็นพื้นฐานคือสนามที่รองรับพวกเขา เราทุกคนล้วนประกอบด้วยสนามควอนตัม. 

ตามความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันทุกอย่างใน จักรวาล ประกอบด้วยนามธรรมที่มองไม่เห็นซึ่งเรียกว่า 'ทุ่งนา' ซึ่งเป็นตัวแทนขององค์ประกอบพื้นฐานของธรรมชาติ ทุ่งนาคือสิ่งที่แผ่กระจายไปทั่ว จักรวาล และรับค่าเฉพาะจากทุกจุดในอวกาศซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงตามเวลาได้ เป็นเหมือนระลอกของเหลวที่แกว่งไปมาไปทั่ว จักรวาลตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าจะกระจายไปทั่ว จักรวาล- แม้ว่าเราจะไม่สามารถมองเห็นสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กได้ แต่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กนั้นเป็นของจริงและทางกายภาพ โดยเห็นได้จากแรงที่เรารู้สึกเมื่อแม่เหล็กสองตัวเข้ามาใกล้กัน ตามกลศาสตร์ควอนตัม เชื่อว่าสนามแม่เหล็กมีความต่อเนื่องไม่เหมือนกับพลังงานที่มักจะรวมตัวกันเป็นก้อนที่แยกจากกัน

ทฤษฎีสนามควอนตัมเป็นแนวคิดในการรวมกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับสนาม จากข้อมูลนี้ ของไหลอิเล็กตรอน (ได้แก่ ระลอกคลื่นของของไหลนี้) จะถูกมัดรวมกันเป็นมัดเล็กๆ ของพลังงาน กลุ่มพลังงานเหล่านี้คือสิ่งที่เราเรียกว่าอิเล็กตรอน ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงไม่ใช่ปัจจัยพื้นฐาน พวกมันคือคลื่นของสนามที่อยู่ด้านล่างเดียวกัน ในทำนองเดียวกัน ระลอกคลื่นของสนามควาร์กทั้งสองสนามทำให้เกิด "อัพควาร์ก" และ "ดาวน์ควาร์ก" และเช่นเดียวกันกับอนุภาคอื่นๆ ใน จักรวาล- ทุ่งรองรับทุกสิ่ง สิ่งที่เราคิดว่าเป็นอนุภาค แท้จริงแล้วคือคลื่นของสนามแม่เหล็กที่มัดรวมกันเป็นมัดเล็กๆ ของพลังงาน รากฐานที่สำคัญของเรา จักรวาล คือสารที่มีลักษณะคล้ายของเหลวที่เราเรียกว่าสนาม อนุภาคเป็นเพียงอนุพันธ์ของสาขาเหล่านี้ ในสุญญากาศบริสุทธิ์ เมื่ออนุภาคถูกดึงออกมาจนหมด ก็ยังคงมีสนามแม่เหล็กอยู่   

สนามควอนตัมพื้นฐานที่สุดในธรรมชาติสามสนามคือ "อิเล็กตรอน" "อัพควาร์ก" และ "ดาวน์ควาร์ก" มีตัวที่สี่เรียกว่านิวตริโน อย่างไรก็ตาม พวกมันไม่ได้ประกอบขึ้นเป็นพวกเรา แต่มีบทบาทสำคัญในที่อื่นใน จักรวาล- นิวตริโนมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง พวกมันไหลผ่านทุกสิ่งทุกที่โดยไม่ต้องโต้ตอบกัน

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/ฟิลด์เรื่อง: สนามควอนตัมพื้นฐานสี่สนามและอนุภาคที่เกี่ยวข้องกัน (ได้แก่ "อิเล็กตรอน" "อัพควาร์ก" "ดาวน์ควาร์ก" และ "นิวตริโน") ก่อตัวเป็นรากฐานของสนามควอนตัม จักรวาล- ด้วยเหตุผลที่ไม่ทราบสาเหตุ อนุภาคพื้นฐานทั้งสี่นี้แพร่พันธุ์ตัวเองซ้ำสองครั้ง อิเล็กตรอนสร้าง "มิวออน" และ "เทา" (ซึ่งหนักกว่าอิเล็กตรอน 200 เท่าและ 3000 เท่าตามลำดับ) ควาร์กที่อยู่ด้านบนทำให้เกิด "ควาร์กแปลก" และ "ควาร์กล่าง"; ดาวน์ควาร์กทำให้เกิด "ชาร์มควาร์ก" และ "ท็อปควาร์ก"; ในขณะที่นิวตริโนก่อให้เกิด "มิวออนนิวตริโน" และ "เทานิวตริโน"  

ดังนั้นจึงมี 12 ฟิลด์ที่ก่อให้เกิดอนุภาค เราเรียกพวกมันว่า สาขาเรื่อง.

ด้านล่างนี้เป็นรายการช่องสสาร 12 ช่องที่ประกอบเป็น 12 อนุภาคใน จักรวาล.  

สนามพลัง: ช่องสสารทั้ง 12 ช่องมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันผ่านแรงที่แตกต่างกันสี่แรง – แรงดึงดูด, แม่เหล็กไฟฟ้า, กองกำลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง (ทำงานที่นิวเคลียสขนาดเล็กเท่านั้น จับควาร์กไว้ด้วยกันภายในโปรตอนและนิวตรอน) และ กองกำลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ (ทำงานเฉพาะในนิวเคลียสขนาดเล็กเท่านั้น ทำให้เกิดการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีและก่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน) แรงแต่ละแรงเหล่านี้สัมพันธ์กับสนาม - แรงแม่เหล็กไฟฟ้าก็สัมพันธ์กัน ทุ่งกลูออนสาขาที่เกี่ยวข้องกับกองกำลังนิวเคลียร์แบบเข้มและแบบอ่อนได้แก่ สนามโบซอน W และ Z และสนามที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงก็คือ กาลอวกาศ ตัวเอง

ด้านล่างนี้คือรายการสนามแรงสี่สนามที่เกี่ยวข้องกับแรงสี่แรง    

พื้นที่ จักรวาล เต็มไปด้วย 16 ฟิลด์เหล่านี้ (12 ฟิลด์เรื่องบวก 4 ฟิลด์ที่เกี่ยวข้องกับสี่กองกำลัง) เขตข้อมูลเหล่านี้โต้ตอบกันในลักษณะที่กลมกลืนกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อสนามอิเล็กตรอน (หนึ่งในสนามสสาร) เริ่มคลื่นขึ้นและลง (เพราะมีอิเล็กตรอนอยู่ที่นั่น) ซึ่งจะเตะออกจากสนามอื่นสนามใดสนามหนึ่ง เรียกว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งในทางกลับกันจะ ยังแกว่งและเป็นระลอกคลื่น จะมีแสงที่ปล่อยออกมาให้สั่นเล็กน้อย เมื่อถึงจุดหนึ่ง มันจะเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กับสนามควาร์ก ซึ่งจะแกว่งและกระเพื่อมตามลำดับ ภาพสุดท้ายที่เราได้คือการเต้นรำที่กลมกลืนกันระหว่างทุ่งนาเหล่านี้ที่ประสานกัน  

สนามฮิกส์

ในทศวรรษ 1960 มีอีกสาขาหนึ่งที่ Peter Higgs ทำนายไว้ ภายในทศวรรษ 1970 สิ่งนี้กลายเป็นส่วนสำคัญของความเข้าใจของเราเกี่ยวกับ จักรวาล- แต่ไม่มีหลักฐานการทดลอง (หมายความว่า ถ้าเราสร้างคลื่นสนามฮิกส์ เราควรจะเห็นอนุภาคที่เกี่ยวข้องกัน) จนถึงปี 2012 เมื่อนักวิจัยของ CERN ที่ LHC รายงานการค้นพบนี้ อนุภาคมีพฤติกรรมตรงตามที่แบบจำลองคาดการณ์ไว้ทุกประการ อนุภาคฮิกส์มีอายุสั้นมากประมาณ 10^-22 วินาที  

นี่เป็นหน่วยการสร้างสุดท้ายของ จักรวาล- การค้นพบนี้มีความสำคัญเนื่องจากสาขานี้รับผิดชอบสิ่งที่เราเรียกว่ามวลในนั้น จักรวาล.  

คุณสมบัติของอนุภาค (เช่น ประจุไฟฟ้าและมวล) เป็นข้อความที่บอกว่าสนามของพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามอื่นอย่างไร  

มันเป็นปฏิสัมพันธ์ของสาขาที่มีอยู่ใน จักรวาล ที่ก่อให้เกิดคุณสมบัติต่างๆ เช่น มวล ประจุ ฯลฯ ของอนุภาคต่างๆ ที่เราได้รับ ตัวอย่างเช่น คุณสมบัติที่เราเรียกว่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนคือข้อความว่าสนามอิเล็กตรอนมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างไร ในทำนองเดียวกัน คุณสมบัติของมวลคือข้อความที่บอกว่ามันโต้ตอบกับสนามฮิกส์อย่างไร

จำเป็นต้องมีความเข้าใจในสนามฮิกส์เพื่อที่เราจะได้เข้าใจความหมายของมวลในสนาม จักรวาล- การค้นพบสนามของฮิกส์ยังเป็นการยืนยันถึงแบบจำลองมาตรฐานซึ่งมีมาตั้งแต่ปี 1970

สาขาควอนตัมและฟิสิกส์ของอนุภาคเป็นสาขาการศึกษาที่มีพลวัต นับตั้งแต่การค้นพบสนามของ Higgs มีการพัฒนาหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับโมเดล Standard การค้นหาคำตอบสำหรับข้อจำกัดของโมเดล Standard ยังคงดำเนินต่อไป

*** 

แหล่งที่มา:  

The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe – กับ David Tong ออนไลน์ได้ที่ https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***