Alde minsken tochten dat wy opboud wiene út fjouwer 'eleminten' - wetter, ierde, fjoer en loft; wêrfan wy no witte dat se gjin eleminten binne. Tsjintwurdich binne der sa'n 118 eleminten. Alle eleminten binne opboud út atomen dy't eartiids as ûndielber beskôge waarden. Tsjin it begjin fan 'e tweintichste iuw, nei de ûntdekkingen fan JJ Thompson en Rutherford, wie it bekend dat atomen opboud wiene út kearnen (opboud út protonen en neutroanen) yn it sintrum en elektroanen dy't omhinne draaiden . Tsjin 'e jierren '1970 wie it bekend dat protonen en neutroanen ek net fundamenteel binne, mar opboud binne út 'up quarks' en 'down quarks', wêrtroch't 'elektronen', 'up quarks' en 'down quarks' de trije meast fundamentele komponinten fan alles yn it universum wiene. Mei de baanbrekkende ûntwikkelingen yn 'e kwantumfysika learden wy dat dieltsjes eins derivaten binne, de bondels of pakketten fan enerzjy yn 'e fjilden, wat betsjuttet dat dieltsjes net fundamenteel binne. Wat fundamenteel is, is it fjild dat derûnder leit. Wy kinne no sizze dat kwantumfjilden de fundamentele boublokken binne fan alles yn it universum (ynklusyf avansearre biologyske systemen lykas ús). Wy binne allegear opboud út kwantumfjilden. Eigenskippen fan dieltsjes lykas elektryske lading en massa, binne útspraken oer hoe't har fjilden ynteraksje hawwe mei oare fjilden. Bygelyks, de eigenskip dy't wy elektryske lading fan in elektron neame, is in útspraak oer hoe't it elektroanenfjild ynteraksje hat mei it elektromagnetyske fjild. En de eigenskip fan syn massa is de útspraak oer hoe't it ynteraksje hat mei it Higgsfjild.
Sûnt de âlde tiden hawwe minsken har ôffrege wêr't wy út opboud binne? Wêr is it universum út opboud? Wat binne de fûnemintele boublokken fan 'e natuer? En wat binne de basiswetten fan 'e natuer dy't alles yn it universum behearskje ? It standertmodel fan 'e wittenskip is de teory dy't dizze fragen beantwurdet. Dit wurdt sein de suksesfolle teory fan 'e wittenskip te wêzen dy't ea yn 'e lêste ieuwen boud is, ien inkele teory dy't de measte dingen yn it universum ferklearret.
Minsken wisten al ier dat wy út eleminten opboud binne. Elk elemint bestiet op syn beurt út atomen. Yn it earstoan waard tocht dat atomen ûndielber binne. Yn 1897 ûntduts JJ Thompson lykwols elektroanen mei help fan elektryske ûntlading troch in katodestraalbuis. Koart dêrnei, yn 1908, bewiisde syn opfolger Rutherford troch syn ferneamde goudfolie-eksperimint dat in atoom in lytse posityf laden kearn yn it sintrum hat, dêr't negatyf laden elektroanen yn banen om draaie . Dêrnei waard ûntdutsen dat kearnen út protonen en neutroanen opboud binne.
Yn 'e jierren '1970 waard ûntdutsen dat neutronen en protonen net ûndielber binne en dus net fundamenteel, mar dat elk proton en neutron opboud binne út trije lytsere dieltsjes dy't quarks neamd wurde, dy't fan twa soarten binne - "up quarks" en "down quarks" ("up quark" en "down quark" binne gewoan ferskillende quarks. De termen 'up' en 'down' ymplisearje gjin relaasje mei rjochting of tiid). Protonen binne opboud út twa "up quarks" en in "down quark", wylst in neutron opboud is út twa "down quarks" en in "up quark". Sa binne "elektronen", "up quarks" en "down quarks" de trije meast fundamentele dieltsjes dy't boustiennen binne fan alles yn it universum . Mei foarútgong yn 'e wittenskip is dit begryp lykwols ek feroare. Fjilden blieken fundamenteel te wêzen en gjin dieltsjes.
Dieltsjes binne net fundamenteel. Wat fundamenteel is, is it fjild dat derûnder leit. Wy binne allegear opboud út kwantumfjilden.
Neffens it hjoeddeiske begryp fan 'e wittenskip bestiet alles yn it universum út ûnsichtbere abstrakte entiteiten dy't 'fjilden' neamd wurde en dy't de fûnemintele boublokken fan 'e natuer fertsjintwurdigje. In fjild is eat dat ferspraat is oer it universum en op elk punt yn 'e romte in bepaalde wearde oannimt dy't mei de tiid kin feroarje. It is as rimpelingen fan floeistof dy't troch it universum slingert , bygelyks binne magnetyske en elektryske fjilden ferspraat oer it universum . Hoewol wy gjin elektryske of magnetyske fjilden kinne sjen, binne se echt en fysyk, lykas bliken docht út 'e krêft dy't wy fiele as twa magneten tichterby brocht wurde. Neffens de kwantummeganika wurde fjilden beskôge as kontinu, yn tsjinstelling ta enerzjy dy't altyd ferdield is yn wat aparte klonten.
Kwantumfjildteory is it idee fan it kombinearjen fan kwantummeganika mei fjilden. Neffens dit wurdt de elektronfloeistof (d.w.s. de rimpelingen fan 'e weagen fan dizze floeistof) bûn yn lytse bondels enerzjy. Dizze bondels enerzjy binne wat wy elektroanen neame. Dêrom binne elektroanen net fundamenteel. Se binne de weagen fan itselde ûnderlizzende fjild. Op deselde wize jouwe rimpelingen fan 'e twa kwarkfjilden oanlieding ta "up quarks" en "down quarks". En itselde jildt foar elk oar dieltsje yn it universum . Fjilden lizze oan alles ten grondslach. Wat wy as dieltsjes beskôgje, binne eins weagen fan 'e fjilden dy't bûn binne yn lytse bondels enerzjy. De basisboublokken fan ús universum binne dizze floeistofachtige stoffen dy't wy fjilden neame. Dieltsjes binne gewoan derivaten fan dizze fjilden. Yn suver fakuüm, as dieltsjes folslein fuorthelle wurde, besteane fjilden noch altyd.
Trije meast basale kwantumfjilden yn 'e natuer binne "elektron", "up quark" en "down quark". Der is in fjirde neamd neutrino, mar dy foarmje ús net, mar spylje in wichtige rol earne oars yn it universum . Neutrino's binne oeral, se streame troch alles oeral sûnder ynteraksje.
Matearjefjilden : De fjouwer basis kwantumfjilden en harren assosjearre dieltsjes (nammentlik "elektron", "up quark", "down quark" en "neutrino") foarmje de basis fan it universum . Om ûnbekende redenen reprodusearje dizze fjouwer fûnemintele dieltsjes harsels twa kear. Elektronen reprodusearje "muon" en "tau" (dy't respektivelik 200 kear en 3000 kear swierder binne as elektroanen); up quarks jouwe oanlieding ta "strange quark" en "bottom quark"; down quarks jouwe oanlieding ta "charm quark" en "top quark"; wylst neutrino's "muon neutrino" en "tau neutrino" jouwe.
Sa binne der 12 fjilden dy't oanlieding jouwe ta dieltsjes, wy neame se matearjefjilden.
Hjirûnder is de list mei 12 matearjefjilden dy't 12 dieltsjes yn it universum foarmje.
Krêftfjilden : De 12 matearjefjilden ynteraksje mei-inoar troch fjouwer ferskillende krêften - swiertekrêft , elektromagnetisme , sterke kearnkrêften (wurkje allinich op lytse skaal fan 'e kearn, hâlde quarks byinoar yn protonen en neutroanen) en swakke kearnkrêften (wurkje allinich op lytse skaal fan 'e kearn, ferantwurdlik foar radioaktyf ferfal en inisjearje kearnfúzje). Elk fan dizze krêften is assosjeare mei in fjild - elektromagnetyske krêft is assosjeare mei it gluonfjild , fjilden dy't assosjeare binne mei sterke en swakke kearnkrêften binne it W- en Z-bosonfjild en it fjild dat assosjeare is mei swiertekrêft is romte-tiid sels.
Hjirûnder is de list fan fjouwer krêftfjilden ferbûn mei fjouwer krêften.
| elektromagnetyske krêft | gluon fjild |
| Sterke en swakke kearnkrêften | w & z boson fjild |
| swiertekrêft | romte tiid |
It universum is fol mei dizze 16 fjilden (12 matearjefjilden plus 4 fjilden dy't ferbûn binne mei fjouwer krêften). Dizze fjilden ynteraksje mei-inoar op in harmonieuze manier. Bygelyks, as it elektronfjild (ien fan 'e matearjefjilden) op en del begjint te weagjen (omdat dêr in elektron is), dan begjint ien fan 'e oare fjilden, bygelyks in elektromagnetysk fjild, dat op syn beurt ek oscilleret en rimpelet. Der sil ljocht útstjoerd wurde, sadat it in bytsje oscilleret. Op in stuit sil it ynteraksje begjinne mei it kwarkfjild, dat op syn beurt oscilleret en rimpelet. It definitive byld dat wy krije, is de harmonieuze dûns tusken al dizze fjilden, dy't mei-inoar ferbûn binne.
Higgs fjild
Yn 'e jierren 1960 waard noch in oar fjild foarsein troch Peter Higgs. Tsjin 'e jierren 1970 waard dit in yntegraal ûnderdiel fan ús begryp fan it universum . Mar der wie gjin eksperiminteel bewiis (wat betsjut dat as wy it Higgs-fjild rimpelje litte, wy in assosjearre dieltsje sjen moatte) oant 2012 doe't CERN-ûndersikers by LHC de ûntdekking rapportearren. It dieltsje gedroech him krekt sa't it model foarsein hie. It Higgs-dieltsje hat in tige koarte libbensdoer, fan sawat 10-22 sekonden.
Dit wie de lêste boustien fan it universum . Dizze ûntdekking wie wichtich, om't dit fjild ferantwurdlik is foar wat wy massa yn it universum neame.
Eigenskippen fan dieltsjes (lykas elektryske lading en massa) binne útspraken oer hoe't har fjilden ynteraksje mei oare fjilden.
It is de ynteraksje fan 'e fjilden dy't yn it universum oanwêzich binne dy't oanlieding jouwe ta eigenskippen lykas massa, lading ensfh. fan ferskate dieltsjes dy't wy ûnderfine. Bygelyks, de eigenskip dy't wy elektryske lading fan in elektron neame, is in útspraak oer hoe't it elektroanenfjild ynteraksje hat mei it elektromagnetyske fjild. Op deselde wize is de eigenskip fan syn massa de útspraak oer hoe't it ynteraksje hat mei it Higgsfjild.
In begryp fan it Higgsfjild wie echt nedich, sadat wy de betsjutting fan massa yn it universum begrepen . De ûntdekking fan it Higgsfjild wie ek in befêstiging fan it Standertmodel, dat sûnt de jierren '1970 fan krêft wie.
Kwantumfjilden en partikelfysika binne dynamyske fjilden fan stúdzje. Sûnt de ûntdekking fan it fjild fan Higgs hawwe ferskate ûntjouwings plakfûn dy't peil hawwe op it Standertmodel. De fraach nei antwurden foar de beheiningen fan it Standertmodel giet troch.
Standertmodel fan elemintêre dieltsjes: de 12 fûnemintele fermionen en 5 fûnemintele bosonen.
***
boarnen:
De Royal Institution 2017. Kwantumfjilden: De echte boublokken fan it universum - mei David Tong. Beskikber online op https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
FUNDAMENTELE DIELTSJES - In flugge blik
| Fundamentele dieltsjes wurde yndield yn Fermions en Bosons basearre op spin. |
| [A]. FERMIONEN |
| Fermionen hawwe spin yn ûneven healgetallen (½, 3/2, 5/2, ….). Dit binne matearje dieltsjes besteande út alle quarks en leptonen. - folgje Fermi-Dirac statistiken, - hawwe in heal-ûneven-integer spin – folgje it útslutingsprinsipe fan Pauli, d.w.s. twa identike fermionen kinne net deselde kwantumtastân of deselde lokaasje yn 'e romte ynnimme mei itselde kwantumgetal. Se kinne net beide yn deselde rjochting draaie, mar se kinne wol yn tsjinoerstelde rjochting draaie. – De fermionen omfetsje alle quarks en leptonen, en alle gearstalde dieltsjes dy't makke binne fan in ûneven oantal hjirfan. - Quarks = seis quarks (op, omleech, frjemd, sjarme, ûnder en boppe quarks). - Kombinearje om hadrons te foarmjen lykas protoanen en neutroanen. - Kin net wurde waarnommen bûten de hadrons. – Leptonen = elektroanen + muonen + tau + neutrino + muon neutrino + tau neutrino. - 'Elektronen', 'op-kwarks' en 'del-kwarks' de trije meast fûnemintele komponinten fan alles yn it hielal. - Protoanen en neutroanen binne net fûneminteel, mar binne opboud út 'up quarks' en 'down quarks' dus binne gearstalde dieltsjesProtonen en neutronen binne elk makke fan trije quarks - in proton bestiet út twa "up"-quarks en ien "down"-quark, wylst in neutron twa "down"-quarks en ien "up"-quark befettet. "Up" en "down" binne twa "smaken", of farianten, fan quarks. - Baryons binne gearstalde fermions makke fan trije quarks, bygelyks, protoanen en neutroanen binne baryons - Hadrons binne allinnich gearstald út kwarken, bygelyks baryonen (makke fan twa of mear kwarken) en mesonen (makke fan in kwark en in antikwark). |
| [B]. BOSONEN |
| Bosonen hawwe spin yn hiele wearden (0, 1, 2, 3, ...) - Bosons folgje Bose-Einstein-statistiken; hawwe integer spin . - neamd nei Satyendra Nath Bose (1894-1974), dy't tegearre mei Einstein de haadideeën ûntwikkele efter de statistyske termodynamika fan in bosongas. - folgje net it Pauli-útslutingsprinsipe, d.w.s. twa identike bosonen kinne deselde kwantumstate as deselde lokaasje yn 'e romte mei itselde kwantumnûmer ynnimme. Se kinne beide yn deselde rjochting draaie, - Elementêre bosonen binne it foton, it gluon, it Z-boson, W-boson en it Higgs-boson. Higgs-boson hat spin=0 wylst de gauge-bosonen (dat wol sizze, foton, it gluon, it Z-boson en W-boson) spin=1 hawwe. |
| [C]. KOMPOSITE DIELTSJES |
| Gearstalde dieltsjes kinne bosonen of fermionen wêze, ôfhinklik fan harren gearstalling. - Alle gearstalde dieltsjes opboud út in even oantal fermions is in boson (om't bosons hawwe in hiel getal spin en fermions hawwe ûneven heal-integer spin). – Alle mesonen binne bosonen (omdat alle mesonen binne makke fan in lykweardich oantal quarks en antiquarks). – Stabile kearnen mei even massa-nûmers binne bosonen bygelyks deuterium, helium-4, koalstof-12 ensfh. - De gearstalde bosonen foldogge ek net oan Pauli-útslutingsprinsipe. - Ferskate bosonen yn deselde kwantumsteat koalesearje om te foarmjen "Bose-Einstein Condensate (BEC).” |
***
