Найти в Дзене
Новый Человек XXI века

Квантовая теория поля: Стандартная модель

«Стандартная модель самая успешная научная теория всех времен» кембриджский физик Дэвид Тонг Одна из самых важных идей в физике ХХI века - это квантовая теория поля (КТП). КТП - это математическая и концептуальная основа современной физики элементарных частиц. Основными объектами квантовой теории поля являются квантовые поля, которые распространяются по Вселенной и посредством своих флуктуаций порождают все фундаментальные явления в физическом мире. Квантовые поля порождают фундаментальные частицы Сами квантовые поля кодируют всю информацию обо всем. Аннигилируют частица и античастица? Это описывается равным и противоположным возбуждениями квантового поля. Хотите описать спонтанное создание пар частиц частица-античастица? Это также связано с возбуждениями квантового поля. Сами частицы, как и электроны, являются просто возбужденными состояниями квантового поля. Каждая частица во Вселенной, как мы ее понимаем, представляет собой рябь, или возбуждение квантового поля. Это верно для квар

«Стандартная модель самая успешная научная теория всех времен» кембриджский физик Дэвид Тонг

Стандартная Модель. Стандартная модель состоит из 17 элементарных частиц. Фундаментальные частицы - это либо строительные блоки материи, называемые фермионами, либо посредники взаимодействий, называемые бозонами. В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.  источник онлайн-издание Quanta Magazine
Стандартная Модель. Стандартная модель состоит из 17 элементарных частиц. Фундаментальные частицы - это либо строительные блоки материи, называемые фермионами, либо посредники взаимодействий, называемые бозонами. В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов. источник онлайн-издание Quanta Magazine

Одна из самых важных идей в физике ХХI века - это квантовая теория поля (КТП). КТП - это математическая и концептуальная основа современной физики элементарных частиц. Основными объектами квантовой теории поля являются квантовые поля, которые распространяются по Вселенной и посредством своих флуктуаций порождают все фундаментальные явления в физическом мире.

Структура протона, смоделированная вместе с сопутствующими ему полями, показывает, как, несмотря на то, что она построена из трех кварков и глююонов она имеет конечный существенный размер, который возникает в ходе взаимодействия квантовых полей внутри протона. (источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Структура протона, смоделированная вместе с сопутствующими ему полями, показывает, как, несмотря на то, что она построена из трех кварков и глююонов она имеет конечный существенный размер, который возникает в ходе взаимодействия квантовых полей внутри протона. (источник онлайн-издание Quanta Magazine)

Квантовые поля порождают фундаментальные частицы

  • Электромагнитное поле порождает фундаментальные частицы бозоны - фотоны.
  • Сильное ядерное поле, удерживающее вместе протоны и нейтроны порождает фундаметальные частицы-бозоны - глюоны.
  • Слабое ядерное поле, ответственное за радиоактивные распады порождает W- и Z-бозоны.

Сами квантовые поля кодируют всю информацию обо всем. Аннигилируют частица и античастица? Это описывается равным и противоположным возбуждениями квантового поля. Хотите описать спонтанное создание пар частиц частица-античастица? Это также связано с возбуждениями квантового поля.

Визуализация показывает, как пары частица / античастица рождаются из квантового вакуума в течение мгновения следуя Принципу неопределенности Гейзенберга источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Визуализация показывает, как пары частица / античастица рождаются из квантового вакуума в течение мгновения следуя Принципу неопределенности Гейзенберга источник онлайн-издание Quanta Magazine)

Сами частицы, как и электроны, являются просто возбужденными состояниями квантового поля. Каждая частица во Вселенной, как мы ее понимаем, представляет собой рябь, или возбуждение квантового поля. Это верно для кварков, глюонов, бозона Хиггса и для всех других частиц Стандартной модели.

Сколько существует фундаментальных квантовых полей?

Стандартная модель признает существование двадцати четырех уникальных фундаментальных возможных состояний квантовых полей.

Образное представление - квантовые поля источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Образное представление - квантовые поля источник онлайн-издание Quanta Magazine)

В простейшей КТП, описывающей нашу реальность, квантовой электродинамике (КЭД) созданной в 1960-е Джулианом Швингером, Шиничиро Томонагой и Ричардом Фейнманом, существует только два квантовых поля: электромагнитное и электронное поля. Окружающее электрон электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве по неопределенным траекториям. В центре КЭД - анализ актов испускания или поглощения одного фотона заряженной частицей электроном, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары. В итоге, КЭД послужила моделью и шаблоном для всех последующих квантовых теорий поля.

В настоящее время, Стандартная модель предполагает существование двенадцати фермионных (кварки и лептоны) полей и двенадцати бозонных полей.

Фермионы - это строительные блоки материи. Всего существует 12 фермионов, разделенных на шесть кварков и шесть лептонов. Все более крупные частицы и вся материя состоят только из кварков и лептонов.
12 фермионов - 6 кварков (верхний, нижний, странный, очаровательный, нижний, верхний) кварков и их антикварковые аналоги,и 6 лептонов (три заряженных (электрон, мюон, тау) и три нейтральных (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) лептона и их аналоги из антивещества) источник онлайн-издание Quanta Magazine)
12 фермионов - 6 кварков (верхний, нижний, странный, очаровательный, нижний, верхний) кварков и их антикварковые аналоги,и 6 лептонов (три заряженных (электрон, мюон, тау) и три нейтральных (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) лептона и их аналоги из антивещества) источник онлайн-издание Quanta Magazine)
12 бозонов (8 глюонов - восемь возможных цветовых комбинаций) сильное взаимодействие, два (W-и-Z) бозона (слабое взаимодействие),один электромагнитный (фотонный) бозон, и бозон Хиггса) ответственны за все взаимодействия между частицами. Они определяют три из четырех фундаментальных сил в природе: сильное взаимодействие, слабое взаимодействие (радиоактивный распад) и электромагнетизм.

Пять бозонов (глюоны, фотоны и W, Z и загадочный бозон Хиггс) источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Пять бозонов (глюоны, фотоны и W, Z и загадочный бозон Хиггс) источник онлайн-издание Quanta Magazine)
источник онлайн-издание Quanta Magazine)
источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Бозон Хиггса. Бозон Хиггса отличается от других бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов) тем, что механизм Хиггса не приводит к чему-либо, напоминающему силу (например, сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия). Поле Хиггса - это скалярное поле, а бозон Хиггса - частица с нулевым спином. источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Бозон Хиггса. Бозон Хиггса отличается от других бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов) тем, что механизм Хиггса не приводит к чему-либо, напоминающему силу (например, сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия). Поле Хиггса - это скалярное поле, а бозон Хиггса - частица с нулевым спином. источник онлайн-издание Quanta Magazine)

Вселенную на фундаментальном уровне можно рассматривать как сложную динамичную структуру квантовых полей

источник онлайн-издание Quanta Magazine)
источник онлайн-издание Quanta Magazine)

В отличие от многих других физических теорий, на данном этапе нет канонического определения того, что такое КТП. Вместо этого формулируется ряд различных представлений, каждое из которых имеет свои достоинства и ограничения.

Если рассматривать квантовую механику (КМ) как современную теорию одной частицы (или, возможно, очень небольшого числа частиц), то можно представлять КТП как расширение КМ для анализа систем со многими частицами - и, следовательно, с большим числом степеней свободы. Переход от КМ к КТП позволяет рассматривать как частицы, так и поля в рамках единой теоретической основы.

Уравнения Клейна-Гордона и Дирака в КМ не способны описывать системы с переменным числом частиц. Однако очевидно, что для КТП существенно описание процессов трансформации частиц, когда частицы одного вида разрушаются, а другие создаются. Математикам придется по-новому взглянуть на квантовую теорию поля, если они хотят понять ее непротиворечивым и строгим образом. Есть основания надеяться, что решение этой проблемы закроет многие из самых серьезных вопросов физики.

Уравнение Дирака — квантовое уравнение движения электрона, удовлетворяющее требованиям теории относительности, применимое также для описание других точечных фермионов со спином 1/2; установлено П. Дираком в 1928. источник онлайн-издание Quanta Magazine)
Уравнение Дирака — квантовое уравнение движения электрона, удовлетворяющее требованиям теории относительности, применимое также для описание других точечных фермионов со спином 1/2; установлено П. Дираком в 1928. источник онлайн-издание Quanta Magazine)

Спасибо за внимание!