ממה אנחנו מורכבים בסופו של דבר? מהם אבני הבניין הבסיסיות של היקום?

אנשים קדומים חשבו שאנו מורכבים מארבעה 'יסודות' - מים, אדמה, אש ואוויר; שאנו יודעים כעת שאינם אלמנטים. נכון לעכשיו, ישנם כ-118 אלמנטים. כל היסודות מורכבים מאטומים שפעם חשבו שהם בלתי ניתנים לחלוקה. בתחילת המאה העשרים בעקבות תגליותיהם של ג'יי ג'יי תומפסון ורתרפורד, היה ידוע כי אטומים מורכבים מגרעינים (העשויים מפרוטונים ונייטרונים) במרכז ומאלקטרונים מסלול סְבִיב. בשנות ה-1970, היה ידוע שגם פרוטונים וניוטרונים אינם יסודיים אלא מורכבים מ'קווארקים למעלה' ו'קווארקים למטה' ובכך הפכו את 'אלקטרונים', 'קווארקים למעלה' ו'קווארקים למטה' לשלושת המרכיבים הבסיסיים ביותר של הכל. בתוך ה עוֹלָם. עם ההתפתחויות פורצות הדרך בפיזיקה הקוונטית, למדנו שחלקיקים הם למעשה נגזרות, צרורות או חבילות האנרגיה בשדות המרמזות על חלקיקים אינן יסודיות. מה שעומד בבסיסו הוא השדה שעומד בבסיסם. כעת אנו יכולים לומר ששדות קוונטיים הם אבני הבניין הבסיסיות של כל דבר ב עוֹלָם (כולל מערכות ביולוגיות מתקדמות כמונו). כולנו מורכבים משדות קוונטיים. תכונות של חלקיקים כמו מטען חשמלי ומסה, הן הצהרות על האופן שבו השדות שלהם מתקשרים עם שדות אחרים. לדוגמה, התכונה שאנו מכנים מטען חשמלי של אלקטרון היא הצהרה על האופן שבו שדה האלקטרונים מקיים אינטראקציה עם השדה האלקטרומגנטי. ו. המאפיין של המסה שלו הוא ההצהרה על האופן שבו הוא מקיים אינטראקציה עם שדה היגס.  

מאז ימי קדם, אנשים תהו ממה אנחנו מורכבים? מה ה עוֹלָם מורכב מ? מהן אבני הבניין הבסיסיות של הטבע? ומהם חוקי הטבע הבסיסיים השולטים בכל דבר עוֹלָם? דגם סטנדרטי של המדע היא התיאוריה שעונה על השאלות הללו. אומרים שזו התיאוריה המוצלחת של המדע שנבנתה אי פעם במאות השנים האחרונות, תיאוריה אחת שמסבירה את רוב הדברים ב עוֹלָם.  

אנשים ידעו מוקדם שאנחנו מורכבים מאלמנטים. כל יסוד, בתורו, מורכב מאטומים. בתחילה חשבו שהאטומים אינם ניתנים לחלוקה. עם זאת, בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומפסון אלקטרונים באמצעות פריקה חשמלית דרך שפופרת קרן קתודית. זמן קצר לאחר מכן, בשנת 1908, יורשו רתרפורד הוכיח באמצעות ניסוי נייר זהב המפורסם שלו שלאטום יש גרעין זעיר טעון חיובי במרכזו שסביבו מסתובבים אלקטרונים בעלי מטען שלילי. מסלולים. לאחר מכן, נמצא כי הגרעינים מורכבים מפרוטונים ונייטרונים.  

בשנות ה-1970 של המאה ה-XNUMX התגלה שנויטרונים ופרוטונים אינם ניתנים לחלוקה ולכן אינם יסודיים, אלא כל פרוטון ונויטרון מורכבים משלושה חלקיקים קטנים יותר הנקראים קווארקים שהם משני סוגים - "קווארקים למעלה" ו"קווארקים למטה" (" למעלה קווארק" ו"למטה קווארק" הם רק קווארקים שונים המונחים "למעלה" ו"למטה" אינם מרמזים על קשר כלשהו לכיוון או לזמן. פרוטונים מורכבים משני "קווארקים למעלה" ו"קווארק למטה" בעוד נויטרון מורכב משני "קווארקים למטה" ו"קווארק למעלה". לפיכך, "אלקטרונים", "למעלה קווארקים" ו"למטה קווארקים" הם שלושה חלקיקים בסיסיים ביותר המהווים אבני בניין של כל דבר ב עוֹלָם. עם זאת, עם ההתקדמות במדע, גם הבנה זו ראתה שינויים. נמצא שהשדות הם יסודיים ולא חלקיקים.  

חלקיקים אינם בסיסיים. מה שעומד בבסיסו הוא התחום שעומד בבסיסם. כולנו מורכבים משדות קוונטיים. 

לפי ההבנה הנוכחית של המדע, הכל ב עוֹלָם מורכב ישויות מופשטות בלתי נראות הנקראות 'שדות' המייצגות את אבני הבניין הבסיסיות של הטבע. שדה הוא משהו שמתפרס על פניו עוֹלָם ולוקח ערך מסוים בכל נקודה במרחב שיכול להשתנות עם הזמן. זה כמו אדוות של נוזל שמתנדנדות לאורך כל הדרך עוֹלָם, למשל, שדות מגנטיים וחשמליים מפוזרים על פני השטח עוֹלָם. למרות שאיננו יכולים לראות שדות חשמליים או מגנטיים, הם אמיתיים ופיסיים כפי שמעיד הכוח שאנו חשים כאשר מקרבים שני מגנטים. לפי מכניקת הקוונטים, שדות נחשבים רציפים בניגוד לאנרגיה שתמיד מחולקת בגושים נפרדים.

תורת השדות הקוונטיים היא הרעיון של שילוב מכניקת קוונטים לשדות. לפי זה, נוזל האלקטרונים (כלומר אדוות גלי הנוזל הזה) נקשר לצרורות קטנות של אנרגיה. צרורות האנרגיה הללו הם מה שאנו מכנים אלקטרונים. לפיכך, אלקטרונים אינם בסיסיים. הם הגלים של אותו שדה בסיס. באופן דומה, אדוות של שני שדות הקווארקים מולידים "קווארקים למעלה" ו"קווארקים למטה". וזה נכון לגבי כל חלקיק אחר ב עוֹלָם. שדות עומדים בבסיס הכל. מה שאנו חושבים עליו כחלקיקים הם למעשה גלים של השדות הקשורים לצרורות קטנות של אנרגיה. אבני הבניין הבסיסיות שלנו עוֹלָם אלו חומרים דמויי נוזל שאנו מכנים שדות. חלקיקים הם רק נגזרות של שדות אלה. בוואקום טהור, כאשר חלקיקים נשלפים לגמרי, שדות עדיין קיימים.   

שלושה שדות קוונטיים בסיסיים ביותר בטבע הם "אלקטרון", "למעלה קווארק" ו"למטה קווארק". ישנו אחד רביעי שנקרא נייטרינו, אולם הם אינם מהווים אותנו אלא ממלאים תפקיד חשוב במקומות אחרים עוֹלָם. הניטרינו נמצאים בכל מקום, הם זורמים דרך הכל לכל מקום בלי אינטראקציה.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/שדות חומר: ארבעת השדות הקוונטיים הבסיסיים והחלקיקים הקשורים אליהם (כלומר, "אלקטרון", "קווארק למעלה", "קווארק למטה" ו"נויטרינו") מהווים את הסלע של עוֹלָם. מסיבות לא ידועות, ארבעת החלקיקים הבסיסיים הללו מתרבים פעמיים. אלקטרונים משחזרים "מיואון" ו"טאו" (שהם כבדים פי 200 ופי 3000 מאלקטרונים בהתאמה); קווארקים מעלה מולידים "קווארק מוזר" ו"קווארק תחתון"; קווארקי דאון מולידים "קווארק קסם" ו"קווארק עליון"; בעוד שניטרינו מולידים "נויטרינו מואון" ו"נייטרינו טאו".  

לפיכך, ישנם 12 שדות שמולידים חלקיקים, אנו קוראים להם שדות חומר.

להלן רשימת 12 שדות החומר המרכיבים 12 חלקיקים ב- עוֹלָם.  

שדות כוח: 12 שדות החומר מקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות ארבעה כוחות שונים - כוח משיכה, אלקטרומגנטיות, כוחות גרעיניים חזקים (פועלים רק בקנה מידה קטן של גרעין, מחזיק קווארקים יחד בתוך פרוטונים וניוטרונים) ו כוחות גרעיניים חלשים (פועלים רק בקנה מידה קטן של גרעין, אחראי להתפרקות רדיואקטיבית וליזום היתוך גרעיני). כל אחד מהכוחות הללו קשור לשדה - כוח אלקטרומגנטי קשור אליו שדה גלואון, שדות הקשורים לכוחות גרעיניים חזקים וחלשים הם שדה בוזון W ו-Z והשדה הקשור לכבידה הוא זמן חופשי עצמו.

להלן רשימה של ארבעה שדות כוח הקשורים לארבעה כוחות.    

השמיים עוֹלָם מלא ב-16 שדות אלו (12 שדות חומר ועוד 4 שדות המשויכים לארבעה כוחות). שדות אלה מתקשרים יחד בדרכים הרמוניות. לדוגמה, כאשר שדה האלקטרון (אחד משדות החומר) מתחיל להתנופף למעלה ולמטה (מכיוון שיש שם אלקטרון), זה בועט באחד מהשדות האחרים, נניח שדה אלקטרו-מגנטי, שבתורו, גם נדנוד ואדוות. יהיה אור שנפלט כך שיתנודד מעט. בשלב מסוים, הוא יתחיל לקיים אינטראקציה עם שדה הקווארק, אשר בתורו, יתנדנד ויתגלגל. התמונה הסופית שאנו מסיימים איתה היא הריקוד ההרמוני בין כל השדות הללו, המשתלבים זה בזה.  

שדה היגס

בשנות ה-1960, תחום נוסף נחזה על ידי פיטר היגס. בשנות ה-1970, זה הפך לחלק בלתי נפרד מההבנה שלנו לגבי עוֹלָם. אבל לא היו ראיות ניסיוניות (כלומר, אם נגרום לשדה של היגס לאדוות, אנחנו צריכים לראות חלקיקים קשורים) עד 2012, כאשר חוקרי CERN ב-LHC דיווחו על הגילוי שלו. החלקיק התנהג בדיוק כפי שחזה המודל. לחלקיק היגס חיים קצרים מאוד, של כ-10^-22 שניות.  

זה היה אבן הבניין האחרונה של עוֹלָם. גילוי זה היה חשוב מכיוון שתחום זה אחראי למה שאנו מכנים מסה ב עוֹלָם.  

תכונות של חלקיקים (כמו מטען חשמלי ומסה) הן הצהרות על האופן שבו השדות שלהם מתקשרים עם שדות אחרים.  

זוהי האינטראקציה של השדות הקיימים ב- עוֹלָם שמולידות תכונות כמו מסה, מטען וכו' של חלקיקים שונים שחווים אותנו. לדוגמה, התכונה שאנו מכנים מטען חשמלי של אלקטרון היא הצהרה על האופן שבו שדה האלקטרונים מקיים אינטראקציה עם השדה האלקטרומגנטי. באופן דומה, תכונת המסה שלו היא ההצהרה על האופן שבו הוא מקיים אינטראקציה עם שדה היגס.

באמת היה צורך בהבנה של שדה היגס כדי שהבנו את המשמעות של מסה ב- עוֹלָם. גילוי התחום של היגס היה גם אישור לדגם הסטנדרטי שהיה קיים מאז שנות ה-1970.

שדות קוונטיים ופיזיקה של חלקיקים הם תחומי מחקר דינמיים. מאז גילוי השדה של היגס, התרחשו כמה פיתוחים שיש להם יחס לדגם הסטנדרטי. החיפוש אחר תשובות למגבלות המודל הסטנדרטי נמשך.

*** 

מקורות:  

המוסד המלכותי 2017. שדות קוונטיים: אבני הבניין האמיתיות של היקום - עם דיוויד טונג. זמין באינטרנט ב https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

***