"Badminton neden düşüyor?" "Çünkü bir badminton sahası var"
1.
Modern fizik hakkında biraz anlayışınız varsa, Kuantum mekaniği Bu inanılmaz tekillikler yabancı olmamalı. Kuantum mekaniği, mikroskobik dünyadaki parçacıkların davranışını tanımlayan bir fiziktir.Çevremizdeki her şeyi inanılmaz bir hassasiyetle doğru bir şekilde tanımlar.Örneğin, atomların nasıl hareket ettiğini, moleküllerin nasıl oluştuğunu vb. Açıklar.
Geçen yüzyılda, kuantum mekaniğinin ilkelerinin uygulanması gerektiği zaman alan Yukarı çıkarken (elektromanyetik alanlar gibi), o dönemin en zeki fizikçileri bile büyük bir zorluk hissettiler. Aralıksız çabalarla, fizikçiler sonunda harika bir teori geliştirdiler Kuantum alan teorisi (QFT), kuantum mekaniğini tek bir yerel parçacıktan her yerde bulunan bir alana genişletiyor.
Işığın hem elektromanyetik dalgalar hem de parçacıklar olduğunu biliyoruz, bu çok kafa karıştırıcı ama kuantum alan teorisi bize bir cevap veriyor. Çok basit bir dille, şu şekildedir: Kuantum mekaniğine göre, bir alandaki bir dalga keyfi olarak zayıf olamaz; tersine, çok sayıda bölünmezi bölerek Dalgacık Üst üste binmek büyük bir dalga oluşturabilir. Parçacıklar, izin verilen dalgaların aşağı yukarı en zayıfıdır.
Kuantum alan teorisi aynı zamanda bilim kurgu gibi gelen birçok kavramı birleşik bir şekilde açıklar.Örneğin, bazı parçacıkların aslında aynı alanda farklı dalga türleri olan antimadde parçacıkları vardır; parçacıklar yaratılabilir ve yok edilebilir ve başka türler haline gelebilir. Parçacıklar, bir alandaki dalgalar başka bir alana aktarılabilir.
2.
Aşağıdaki tablo, keşfedilen 17 temel parçacığı göstermektedir: Kuantum alan teorisi perspektifinden, onları elektromanyetik alanlar (foton alanları olarak da adlandırılır), elektronik alanlar ve üst kuark alanları gibi 17 temel alan olarak göreceğiz. , Higgs Field vb.
Parçacıkları alan perspektifinden gözlemleyerek, parçacıkların davranışını denklemler aracılığıyla nicel olarak tanımlamak daha kolaydır (Lagrangian denklemleri, L olarak adlandırılır). Örneğin, bir fotonun fiziksel özelliklerini tanımlamak istiyorsanız, önce elektromanyetik alanını yöneten denklemi yazmalısınız ve bu, fizikçilerin uzun zamandır bildiği bir denklemdir:
Bu denklemdeki her sembolün ne anlama geldiği konusunda endişelenmemize gerek yok, burada sadece bu kadar kısa bir denklemin kullanılmasının elektromanyetizma ve ışık hakkında bildiğimiz her şeyi içerebileceğini göstermek için buradayız.
Diğer parçacıkları tanımlamak istediğimizde, benzer bir yöntem kullanacağız. Örneğin, elektron alanının denklemine denir Dirac denklemi :
Parçacık alanının davranışını tanımlamak için kullanılan denklemler çok basittir.Farklı denklemleri birleştirerek, iki farklı parçacığın nasıl etkileşime girdiğini açıklamak için kullanılabilirler.Örneğin, elektronlar ve fotonlar arasındaki etkileşim ifade edilebilir. için:
Aslında, bilinen tüm alanlar arasındaki etkileşimi tanımlamak için daha karmaşık bir denklem kullanabiliriz:
Bu uzun denklemde, bazıları Higgs alanını temsil eder, bazıları lepton alanını temsil eder, bazıları kuark alanını temsil eder, vb. Bu denklemdeki her sembolün anlamını anlamak için profesyonel fizik eğitimi gereklidir. Ancak hemen anlayabileceğimiz şey, bu denklemin temel parçacıklar listesiyle birlikte parçacık fiziği olarak adlandırılmasıdır. Standart Model . Bu karmaşık denklem aslında yerçekimi dışındaki tüm doğa kanunlarını içerir.Bunu düşünürsek, bu tür karmaşıklık anlaşılabilir görünüyor!
3.
Standart Model, bugüne kadarki en başarılı bilimsel teorilerden biridir ve bilinen tüm temel alanlar arasındaki etkileşimi açıklar. Şimdi onu alanda üretilen bazı parçacıkları hesaplamak için kullanacağız. Örneğin, bir elektron bir pozitronla (elektronun antimaddesi) çarpıştığında ne olur?
İlk olarak, foton alanı ile elektron alanı arasındaki etkileşimi açıklayan az önce bahsettiğimiz denklemle başlıyoruz:
Ve bu denkleme kuantum mekaniğinin kurallarını uygulayın. Yüzeysel olarak, korkutucu matematiksel hesaplamalar içerir, ancak zekice yetenekli Richard Feynman (Richard Feynman) Bu ileri düzey matematiği ifade etmek için akıllıca bir görsel yol kullanın. Feynman diyagramı :
Feynman diyagramında, fotonlar dalgalı çizgiler olarak çizilirken, elektronlar ve pozitronlar, negatif yük akışının yönünü gösteren oklarla düz çizgiler olarak çizilir. Çizginin yanında parçacıkların içeri ve dışarı hareket yönünü gösteren ekstra bir ok vardır.
Prensip olarak, Feynman diyagramları çarpışmada gerçekte ne olduğunu açıklayamaz, sadece matematiksel ifadelerin etkili bir görsel basitleştirmesidir. Ancak bunları çarpışmaların dinamik videoları olarak anlamak - yatay eksen zamandır ve dikey eksen uzaydır, sezgimiz için çok yararlı bir açıklamadır.
Örneğin, yukarıdaki resim bir elektronun bir pozitronla çarpışması, bir fotona dönüşmesi ve ardından bir elektron ve bir pozitrona dönüşmesi gibi görünüyor.
Aşağıdaki resim, iki parçacık bir fotonu değiştirmiş gibi görünüyor ve sonra keyifli yolculuklarına devam ediyor:
Aşağıdaki resim ilk resme benzer, ancak ara fotonun bir süre elektron-pozitron çiftleri şeklinde var olması dışında:
Feynman diyagramları hesaplamalarda kullanışlıdır, çünkü prensipte tüm olası şekilleri çizmeniz ve hepsini toplamanız gerekmesine rağmen, aslında en önemlileri genellikle en basit olanlardır.
4.
Kuantum alan teorisi, birçok bölümün net bir şekilde açıklanmasını gerektiren birçok büyüleyici ayrıntı içerir. En büyük avantajlarından biri çok zengin bir konu olmasıdır Temel ilkelerinden pek çok şaşırtıcı sonuç çıkarılabilir. En önemli iki sonucu kısaca anlayabiliriz: simetri ile Yakınlaştır .
Fizikte simetrik bir dönüşüm, dünya üzerinde görünür bir etkisi olmayan bir değişimdir. Örneğin, bir kimse tüm evreni birkaç metre sola hareket ettirirse veya birkaç derece döndürürse, tespit edilmesi tamamen imkansızdır. Simetri, kuantum alan teorisinin çok zengin bir yönüdür. Örneğin, yükün matematiksel tanımı, belirli bir simetrik dönüşümde alanın nasıl değiştiğiyle ilgili bir sorudur.
Standart modelde birçok simetri vardır, ancak Higgs alanı sonunda orijinal simetriyi "bozar". Bu Higgs mekanizması Bu keşif, Peter Higgs ile François Englert 2013 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Ölçeklendirme ayrıca kuantum alan teorisinde çok önemli bir rol oynar ve onu tanımlamak için kullanılan terim yeniden normalleştirmedir. Yakınlaştırdığımızda veya uzaklaştırdığımızda, bazı teoriler görünüşünü değiştirir, bu yüzden görünüşte farklı olan iki teori aslında aynı teori olabilir.Yüzeyde farklı görünmelerinin nedeni sadece farklı yakınlaştırma derecelerinden kaynaklanmaktadır.
Matematiksel olarak, standart model küçültülmüş gibi görünüyor, bu yüzden bunun bilinmeyen, daha temel bir teorinin indirgenmiş bir versiyonu olduğunu düşünüyoruz. Teorilerin çoğu küçülecek ve daha az karmaşık hale gelecektir. Beklenmedik bir keşif, kuarklar ve gluon teorisinin küçüldükçe daha karmaşık hale gelmesidir.Bu aynı zamanda 2004 Nobel Fizik Ödülü tarafından verilen bir keşiftir.
kaynak: prensip
Düzenleme: fengyao
