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私たちは最終的に何で構成されていますか? 宇宙の基本的な構成要素は何ですか?

古代人は、私たちは水、土、火、空気の 118 つの「要素」で構成されていると考えていました。今では要素ではないことがわかっています。現在、約 XNUMX 個の要素があります。すべての元素は原子で構成されており、かつては分割できないと考えられていました。 J.J.トンプソンとラザフォードの発見後のXNUMX世紀初頭までに、原子は中心の核(陽子と中性子からなる)と電子で構成されていることが知られていました。 周回 その周り。 1970年代までに、陽子と中性子も基本的なものではなく、「アップクォーク」と「ダウンクォーク」で構成されており、したがって「電子」、「アップクォーク」、「ダウンクォーク」がすべてのもののXNUMXつの最も基本的な構成要素であることが知られていました。の中に 宇宙。量子物理学の画期的な発展により、粒子は実際には微分物であり、粒子が基本的なものではないことを示唆する場のエネルギーの束またはパケットであることがわかりました。根本的なのは、その根底にあるフィールドです。今では、量子場が世界のすべての基本的な構成要素であると言えます。 宇宙 (私たちのような高度な生物学的システムを含む)。私たちは皆、量子場で構成されています。電荷や質量などの粒子の特性は、その場が他の場とどのように相互作用するかについての記述です。たとえば、電子の電荷と呼ばれる特性は、電子場が電磁場とどのように相互作用するかについての記述です。そして。その質量の特性は、それがヒッグス場とどのように相互作用するかを表します。  

太古の昔から、人々は私たちが何からできているのか疑問に思ってきました。とは何ですか 宇宙 で出来ている?自然の基本的な構成要素は何ですか?そして、地球のすべてを支配する基本的な自然法則は何ですか? 宇宙? 標準モデル 科学の理論はこれらの質問に答えます。これは、過去何世紀にもわたって構築され成功した科学理論であると言われており、たった 1 つの理論で世界のほとんどのことが説明されます。 宇宙.  

人々は私たちが元素で構成されていることを早くから知っていました。各元素は原子で構成されています。当初、原子は分割できないと考えられていました。しかし、1897 年に J.J. トンプソンはブラウン管による放電を利用して電子を発見しました。その直後の 1908 年に、彼の後継者であるラザフォードは、有名な金箔の実験を通じて、原子の中心にはプラスに帯電した小さな核があり、その周りをマイナスに帯電した電子が周回していることを証明しました。 。その後、原子核は陽子と中性子から構成されていることが判明しました。  

1970 年代に、中性子と陽子は不可分ではないため基本的ではないが、それぞれの陽子と中性子は、「アップ クォーク」と「ダウン クォーク」の XNUMX つのタイプがあるクォークと呼ばれる XNUMX つの小さな粒子で構成されていることが発見されました。 「アップ クォーク」と「ダウン クォーク」は単に異なるクォークです。「アップ」と「ダウン」という用語は、方向や時間との関係を意味しません。陽子はXNUMXつの「アップクォーク」と「ダウンクォーク」で構成され、中性子はXNUMXつの「ダウンクォーク」と「アップクォーク」で構成されます。したがって、「電子」、「アップ クォーク」、「ダウン クォーク」は、地球内のあらゆるものの構成要素である XNUMX つの最も基本的な粒子です。 宇宙。しかし、科学の進歩により、この理解にも変化が見られました。場は粒子ではなく基本的なものであることがわかります。  

粒子は基本的なものではありません。 基本的なのは、それらの根底にある分野です。 私たちは皆、場の量子論で構成されています

現在の科学の理解によると、 宇宙 は、自然の基本的な構成要素を表す「フィールド」と呼ばれる目に見えない抽象的な実体で構成されています。フィールドとは、全体に広がっているものです 宇宙 そして空間内のあらゆる点で特定の値をとり、時間とともに変化する可能性があります。それはまるで全身に揺れる液体の波紋のようだ。 宇宙たとえば、磁場と電場は全体に広がります。 宇宙。電場や磁場は目に見えませんが、2 つの磁石を近づけたときに感じる力によって証明されるように、それらは現実的で物理的なものです。量子力学によれば、常にいくつかの離散的な塊に分割されているエネルギーとは異なり、場は連続的であると考えられています。

場の量子理論は、量子力学を場に結合するという考えです。これによると、電子流体 (つまり、この流体の波の波紋) は、小さなエネルギーの束に結びつけられます。これらのエネルギーの束は私たちが電子と呼ぶものです。したがって、電子は基本的なものではありません。それらは同じ根底にあるフィールドの波です。同様に、2 つのクォーク場の波紋によって「アップ クォーク」と「ダウン クォーク」が生じます。そして、同じことが他のすべての粒子にも当てはまります。 宇宙。フィールドはすべての根底にあります。私たちが粒子だと思っているものは、実際には小さなエネルギーの束に結びつけられた場の波です。私たちの基本的な基本的な構成要素 宇宙 これらの流体のような物質を私たちはフィールドと呼んでいます。パーティクルはこれらのフィールドの単なる派生物です。純粋な真空では、粒子が完全に取り除かれても、場は依然として存在します。   

自然界の 3 つの最も基本的な量子場は、「電子」、「アップ クォーク」、「ダウン クォーク」です。ニュートリノと呼ばれる4番目のものがありますが、それらは私たちを構成するものではなく、地球の他の場所で重要な役割を果たしています。 宇宙。ニュートリノはどこにでも存在し、相互作用することなくあらゆる場所に流れ込みます。

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/マターフィールド: 4 つの基本的な量子場とそれに関連する粒子 (つまり、「電子」、「アップ クォーク」、「ダウン クォーク」、「ニュートリノ」) が、 宇宙。理由は不明ですが、これら 200 つの基本粒子は自身を 3000 回繰り返し再生します。電子は「ミュオン」と「タウ」(それぞれ電子のXNUMX倍とXNUMX倍重い)を再生します。アップクォークは「ストレンジクォーク」と「ボトムクォーク」を生じます。ダウンクォークは「チャームクォーク」と「トップクォーク」を生じます。一方、ニュートリノは「ミューニュートリノ」と「タウニュートリノ」を生じます。  

したがって、粒子を発生させる 12 のフィールドがあり、それらを粒子と呼びます。 物質フィールド.

以下は、12 個の粒子を構成する 12 個の物質フィールドのリストです。 宇宙.  

力場: 12 の物質フィールドは XNUMX つの異なる力を通じて相互作用します – 重力, 電磁気, 強力な核戦力 (原子核の小規模なスケールでのみ動作し、陽子と中性子の内部でクォークを保持します) 弱い核戦力 (小規模な原子核でのみ動作し、放射性崩壊を引き起こし、核融合を開始します)。 これらの力のそれぞれは場に関連付けられており、電磁力は次のように関連付けられています。 グルーオン場、強い核力と弱い核力に関連するフィールドは、 W ボソン フィールドと Z ボソン フィールド そして重力に関連する場は 時空 そのもの。

以下は、XNUMX つの力に関連付けられた XNUMX つの力場のリストです。    

電磁力  グルーオン場 
強い核力と弱い核力 w&zボゾン場 
重力  時空  

  宇宙 はこれら 16 のフィールド (12 の物質フィールドと 4 つの力に関連する XNUMX つのフィールド) で満たされます。これらのフィールドは調和のとれた形で相互作用します。たとえば、電子場(物質場の XNUMX つ)が(そこに電子があるため)上下に波打ち始めると、他の場の XNUMX つ、たとえば電磁場が発生し、その結果、振動や波紋も発生します。発せられる光があるので、少し振動します。ある時点で、クォーク場と相互作用し始め、クォーク場が振動し、波紋を生じます。私たちが最終的に得られる写真は、これらすべての分野が相互に絡み合いながら調和のとれたダンスをしているということです。  

ヒッグス場

1960 年代に、もう 1970 つの分野がピーター ヒッグスによって予測されました。 XNUMX 年代までに、これは私たちの理解に不可欠な部分となりました。 宇宙。しかし、2012 年に LHC の CERN 研究者がその発見を報告するまで、実験的証拠 (つまり、ヒッグス場波紋を起こせば関連粒子が見られるはず) はありませんでした。粒子はモデルによって予測されたとおりに正確に動作しました。ヒッグス粒子の寿命は非常に短く、約10年です。-22 秒です。  

これが最後の構成要素でした。 宇宙。この場は私たちが質量と呼ぶものに関与しているため、この発見は重要でした。 宇宙.  

粒子の特性 (電荷や質量など) は、粒子の場が他の場とどのように相互作用するかについての記述です。  

それは、フィールドに存在するフィールドの相互作用です。 宇宙 私たちが経験するさまざまな粒子の質量、電荷などの特性を生じさせるものです。たとえば、電子の電荷と呼ばれる特性は、電子場が電磁場とどのように相互作用するかについての記述です。同様に、その質量の特性は、それがヒッグス場とどのように相互作用するかについての記述となります。

質量の意味を理解するには、ヒッグス場の理解が本当に必要でした。 宇宙。ヒッグス場の発見は、1970 年代から存在していた標準モデルの確認でもありました。

量子場と素粒子物理学は動的な研究分野です。 ヒッグス場の発見以来、標準モデルに関連するいくつかの開発が行われました。 標準モデルの制限に対する答えの探求は続いています。

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ソース:  

ロイヤルインスティテューション2017。場の量子論:宇宙の本当のビルディングブロック–デビッドトングと。 オンラインで入手可能 https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

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ウメシュプラサド
ウメシュプラサド
科学ジャーナリスト | 『Scientific European』誌創設編集者

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