Câmp cuantic (reprezentare grafică). Vibrația câmpului, când atinge o anume energie, devine ceea ce numim „particulă”

Teoria câmpurilor cuantice este una dintre cele mai de succes teorii din fizică, ce spune, în esență, că, în fapt, componentele fundamentale care alcătuiesc universul sunt câmpurile cuantice, nu particulele; particulele sunt doar vibrații localizate ale unor câmpuri cuantice care sunt distribuite în tot universul. Deși o teorie reușită, există o serie de dificultăți care îi fac pe fizicieni să creadă că teoria este incompletă din punct de vedere matematic.

Despre teoria câmpurilor cuantice am scris mai multe articole explicative de-a lungul timpului. Le puteți găsi aici


Articolul are la bază un interviu acordat de unul dintre fizicienii cei mai implicați în acest domeniu, David Tong, pentru Quanta Magazine.

Iată principalele idei:

Cum a apărut ideea de câmpuri
• Totul este alcătuit din entități misterioase pe care le numim „câmpuri cuantice”. Aceste câmpuri invizibile se comportă uneori ca particule, alteori ca unde. Acestea pot interacționa între ele.

Idea de câmp a fost inventată de Michael Faraday, un fizician experimentalist, care a părăsit școala la 14 ani, dar care timp de 25 de ani a efectuat experimente care implicau electricitatea și magnetismul. A descoperit inducția electromagnetică și a inventat motorul electric. Dar acesta a inventat și ideea de câmp, pe care a numit-o „linie de forță”, observând modul în care se comportă magneții (astăzi spunem „câmp magnetic”). Mai mult, acesta a spus, tradus în limbaj modern, că orice punct din univers este caracterizat de doi vectori, care ne spun direcția și magnitudinea câmpului magnetic și a celui electric.

Teoria modelului standard
• Ulterior, odată cu dezvoltarea mecanicii cuantice la începutul sec. XX, fizicienii au ajuns să înțeleagă că, în fapt, câmpurile sunt fundamentale. Fotonii sunt, în fapt, mici aglomerări de energie ce rezultă în urma unor vibrații ale câmpului electromagnetic. Dar câmpurile cuantice nu există doar în cazul fotonilor, ci în cazul tuturor particulelor din univers. Un fizician german, fost membru al Partidului Nazist, Pascual Jordan, este primul care a avansat idea conform căreia dacă pornești cu un câmp, căruia îi aplici regulile mecanicii cuantice, te alegi în final cu o particulă.

Teoria modelului standard al particulelor elementare este un exemplu de teorie a câmpurilor cuantice, descriind cum câmpurile cuantice interacționează între ele. Sunt trei câmpuri cuantice responsabile pentru cele trei tipuri de interacțiuni: interacțiunea electromagnetică, nucleară tare și nucleară slabă și câmpuri cuantice responsabile pentru particulele de materie, grupate în trei grupuri de patru tipuri de particule. Gravitația nu este acoperită de această teorie.

 


Tabloul particulelor elementare



Bosonul Higgs este special, fiind particula care dă masă celorlalte particule. Dacă acest boson ar dispărea, particulele elementare s-ar deplasa cu viteza luminii prin univers, așa cum este cazul fotonului, particulă fără masă. Dar, fapt foarte interesant, masa protonului sau a neutronului nu s-ar schimba dacă ar dispărea bosonul Higgs, pentru că masa acestor particule compozite este formată din fluctuațiile câmpurilor cuantice, un proton/neutron fiind, în fapt, particule mult mai complicate decât s-a crezut multă vreme.

Care sunt dificultățile teoriei cuantice a câmpurilor?
• În cadrul teoriei cuantice a câmpurilor, în fiecare punct din spațiu există un operator care are anumite valori.
Problema este că noi credem că spațiu-timpul este în fapt continuu, nu discret. Dar dacă spațiul este continuu, cum să definești ceva „în fiecare punct din spațiu”? După ce stabilești un punct, cum stabilești punctele din vecinătate? Pentru că oriunde le-ai situa, apare o infinitate între oricare două puncte, de vreme nu există nicio metodă de a stabili „celule” fundamentale ale spațiului, indivizibile, într-un spațiu continuu.

• O posibilă soluție ar fi discretizarea spațiului de către teoreticieni. Adică să stabilești o rețea de puncte în spațiu, la o distanță bine stabilită, iar lucrurile ar urma să se miște pe această rețea, între diferitele puncte.
Dar există o dificultate majoră, care se numește „teorema Nielsen-Ninomiya”, care interzice discretizarea spațiului pentru anumite teorii ale câmpurilor cuantice., iar una dintre aceste teorii este chiar teoria modelului standard.

Teorema Nielsen-Ninomiya spune că nu trăim într-o simulare computerizată
• Dacă este să credem că această teoremă reflectă realitatea, atunci aceasta ne spune că nu trăim într-o simulare computerizată. De ce? Pentru că orice ai simula pe un computer presupune o discretizare. Ok, noi nu putem simula legile fizicii, dar nici altcineva nu poate. Deci nu trăim în Matrix.

Violarea parității: alt motiv pentru care este dificilă/imposibilă simulare pe computer
• În 1950 fizicianul Chien-Shiung Wu a descoperit ceea ce se numește „violarea parității”. Ce înseamnă asta? Dacă te uiți la ceva care are loc în fața ta și la imaginea acelui „ceva” reflectat într-o oglindă, poți spune ce se întâmplă în lumea reală și ce este reflectat în oglindă. Iar acest lucru, că ce este în oglindă este diferit de ce e în realitate, este problematic.
De unde apare această diferență? Se întâmplă că particulele elementare fac parte din două categorii: cele cu elicitate stânga și cele cu elicitate dreapta, elicitatea referindu-se la orientarea spinului în raport cu direcția de deplasare. Dar cele două tipuri de particule simt o forță în mod diferit, iar asta duce la „violarea parității”.
Este dificil să scrii teorii matematice care să ia în calcul această proprietate ciudată a particulelor, și anume că particulele de cele două tipuri experimentează o forță în mod diferit.

Descoperirea bosonului Higgs
• Marele accelerator de hadroni de la Cern a fost construit pentru a descoperi bosonul Higgs, ceea ce s-a și întâmplat. Această particulă este specială și pentru este singura fără spin.

• Fizicienii se așteptau ca Higgs să aibă o masă mare, dar are una mică, și nimeni nu știe de ce. Fizicienii s-au așteptat să găsească o explicație pentru care masa este mică, cum ar fi identificarea unor particule suplimentare. Dar nicio astfel de particulă nu a fost identificată. Iar fizicienii nu înțeleg de ce este așa și nu știu unde au greșit în predicțiile lor.



Sursa: What Is Quantum Field Theory and Why Is It Incomplete?

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.
  • This commment is unpublished.
    Nelu · 1 years ago
    Teoria cîmpurilor,  e că fizicienii bat cîmpii, au luat-o pe arătură.
    • This commment is unpublished.
      Ella · 1 years ago
      @Nelu Foarte interesant cum cineva care nu are nicio scolarizare si nicio experienta in domeniul stiintei stie foarte bine ca oamenii de stiinta nu stiu ce fac 😂 Daca ar fi fost o baza stiintifica, acest comentariu nu ar fi existat, asa ca stiu sigur ca afirmatia mea e valabila.

      Chiar si la scoala se invata despre campuri la fizica. Dar cine facea orice alta activitate la orele de fizica in loc sa fie atent. habar nu are. Modelul Standard este demonstrat ca fiind valabil de zeci de ani de experimente. Doar ca nu e complet, inca. Dar poate vine o minte luminata, cu media minima la fizica, sa ne explice cum functioneaza universul...
    • This commment is unpublished.
      Nelu · 1 years ago
      @Ella Dacă găsești vreun fizician pe planeta asta, nu alta(extraterestru), să înțeleagă ce e acelaaa cîmp, să mi-l arați și mie, te rog.
    • This commment is unpublished.
      Nelu · 1 years ago
      @Ella Pînă nu-i complet, modelul standard nu poate fi valabil.
  • This commment is unpublished.
    Nelu · 1 years ago
    Teoreticienii apasă prea tare pe „pedala” cunoaștere, dar nu prea-s capabili pe„volan”, adică cam dau în „gard”.