Doğruyu söylemek gerekirse: bildiğiniz parçacıklar aslında alanlardır
Bir gün, yedi yaşındaki Xiao Ming sohbet etmek için yanıma geldi, bana sık sık çeşitli bilimsel sorular sordu ve genellikle sorduğu görünüşte basit olan birçok temel soruyla baş edebildim. Ama bu gün düşündükten sonra can sıkıcı bir şekilde sürekli sorular sormaya başladı:
Merak ediyorum, sen, ben ve tüm insanlar neden yapılmış?
İnsanlar kaslardan, kemiklerden ve organlardan oluşur.
Peki hangi organlardan yapılmıştır?
Organlar hücrelerden oluşur.
Hücreler neden yapılır?
Hücreler organellerden oluşur.
Organeller neyden yapılmıştır?
Proteinden yapılırlar.
Protein neyden yapılır?
Amino asitlerden yapılmıştır.
Peki ya amino asitler?
Atomlardan yapılmıştır.
Atomlar neyden yapılmıştır?
Atomlar protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluşur.
Elektronlardan ne yapılır?
Elektronlar elektronik alanlardan oluşur.
Peki elektronik alan neyden yapılmıştır?
...
Xiao Ming'e söyleyebileceğim sınır bu. Fakat bekle...
Sanırım pek çok kişi elektron alanını merak edecek, en temel parçacık elektron değil mi? Neden elektronik alan var?
Nitekim, bilim adamları parçacık fiziğini bilim dışı profesyonellere açıkladıklarında, genellikle moleküllerden ve atomlardan bölünemeyen temel parçacıklara başlarlar. Bu aynı zamanda çoğu kişiye aşinadır.
Kuarklar bilinen temel parçacıklardır, ancak bilim adamları bunların daha küçük parçacıklardan oluşup oluşmadığını arıyorlar. (Resim kaynağı: Fermilab)
Bu, olaylara bakmanın bir yolu, ama en doğru olanı değil. Belki de 2012'de bilim adamlarının Tanrı parçacığı olarak bilinen Higgs bozonunu bulduklarını hatırlarsınız, bilim adamı olmasanız bile, o zaman atmosferden etkileneceksiniz. Ancak Higgs bozonunun keşfini gerçekten takdir etmek istiyorsanız, daha fazlasını bilmeniz gerekir.
Ne olduğunu bilmek için parçacık kavramından vazgeçmelisiniz.
Bunun yerine parçacıkları alanlar olarak düşünün.
Manyetik alan. (Resim kaynağı: Windell Oskay)
Field, ona aşina olmalısın. İki mıknatıs yavaşça birbirine yaklaştırıldığında, birbirlerine değmeseler bile, birbirlerinin çekiciliğini veya itişini, yani iki manyetik alan arasındaki etkileşimi hissedeceklerdir. Benzer şekilde, havaya atladığınızda yere geri döneceksiniz. Bunun nedeni, dünyanın çekim alanında yaşamanızdır.
Gerçek şu ki, bildiğiniz her parçacık aslında bir alandır. Evren kuark alanı, elektron alanı, nötrino alanı, foton alanı ve Higgs alanı gibi alanlarla doludur ve parçacıklar hakkında düşündüğümüz şey, bu alanların (veya alanların yerel titreşimleri) yalnızca "uyarılmış durumları" dır. ), okyanustaki dalgalar gibi. Örneğin, bir elektron yalnızca elektronik alan tarafından uyarılır:
Parçacık, alanın uyarılmış durumu veya alanın yerel titreşimidir. (Resim kaynağı: Fermilab)
Bu daha önce bildiklerinizden çok farklı olsa da, dünyaya bir alan perspektifinden bakmak aslında parçacık fiziğindeki bazı kafa karıştırıcı kavramları daha net hale getiriyor.
Örneğin, radyoaktif bir malzeme bozunduğunda, genellikle onu farklı parçacıkları ayırdığını düşünürüz. Örneğin nötronlar protonlara, elektronlara ve antinötrinolara bozunacaktır. Protonlar, elektronlar ve antinötrinolar nötronlarda gizlenmiş, kozadan çıkmayı bekliyor gibi görünüyor, ama durum böyle değil. Ancak nötronlar bozunduklarında ortaya çıkarlar.
Serbest nötronların yarı ömrü yaklaşık 611 saniyedir ve protonlara, elektronlara ve antinötrinolara bozunurlar. (Resim kaynağı: Scienceblogs.com)
Alan açısından düşünürsek, bu ani yeni parçacıklar anlam kazanmaya başlar. Daha basit bir örnek vermek gerekirse, bir elektron aniden bir foton yayar:
Elektronlar fotonlar yayar. (Resim kaynağı: Fermilab)
Burada elektron alanının enerjisi, foton alanının yerel titreşimini uyaran foton alanına aktarılır.Elektronlar yeni parçacıklar yayar ve sonra birbirinden uzaklaşmaya başlar gibi görünür.
Alan kavramı, bilim adamlarının Higgs bozonu gibi Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) nasıl büyük parçacıkları oluşturduğunu anlamamıza da yardımcı oluyor. Bilim adamları, iki yüksek enerjili proton demetini iki LHC'de çarpıştırır ve çarpışma sonuçlarını inceler.
Proton ışınıyla çarpışarak, büyük bir Higgs bozonu üretilecek. (Resim kaynağı: CERN / AP)
Genellikle bu süreç, iki saati birbirine çarpmaya ve etrafa dağılmış tüm saat parçaları boyunca saatin nasıl çalıştığını incelemeye benzetilir. Bu aslında çok zayıf bir benzetmedir. Asıl neden, parçacıkları birbirine çarptığınızda, gerçekte dışarı çıkan şeyin orijinal parçacıkların içindeki parçacıklar olmamasıdır. Gerçekte olan şey, Swatch saatlerini bir araya getirmeniz gibi oldu ve sonuç Piaget saatleri.
LHC çarpışmasında gerçekte olan şey, alan-yüksek enerjili protonların-birlikte titreşen ve enerjilerini bitişik alana aktaran, yeni bir uyarılmış durum oluşturan uyarılmış halidir, bu gördüğümüz yeni parçacıktır. Higgs bozonu.
Alan ayrıca Higgs mekanizmasını daha iyi açıklayabilir. Higgs bozonu, diğer temel parçacıklara kütle vermez Gerçekte kütle kazandıran, Higgs alanı ile diğer alanlar arasındaki etkileşimdir. Higgs bozonu medyanın sevgilisi olabilir, ancak gerçek yıldız Higgs alanıdır.
Alan kavramı, evrenin daha derin ve temel seviyelerinin nasıl çalıştığını açıklar. Bunun arkasındaki teori, "kuantum alan teorisi" olarak adlandırılır. Çoğu insan kuantum mekaniğine ve özel göreliliğe daha aşina olabilir, bunların ikisi de yaklaşık 100 yıl önce ortaya atılan teorilerdi. Ama bugün bile, onlarla ilk karşılaştığınızda, tahminlerinin çoğu kafanız karışacak. Ancak gerçekten heyecan verici olan, kuantum mekaniği ve özel göreliliğin bir kombinasyonu olan kuantum alan teorisidir.
