Ag na teochtaí arda a bhaintear amach sa Cruinne an-óg, ní amháin gur féidir cáithníní agus fótóin a chruthú go spontáineach, agus go leor fuinnimh a thabhairt dóibh, ach freisin antiparticles agus cáithníní éagobhsaí freisin, agus anraith primordial cáithníní-agus-antiparticle mar thoradh air. Ach fiú amháin leis na coinníollacha seo, ní féidir ach cúpla stát, nó cáithníní ar leith, teacht chun cinn. (LEABHARLANN NÁISIÚNTA BROOKHAVEN)

Fiafraigh de Ethan: Conas a chruthaíonn Réimsí Quantum Cáithníní?

Má tá gach rud sa nádúr déanta as réimsí chandamach ina chroílár, conas a dhéanaimid cáithníní a fhoirceannadh ar chor ar bith?

Cad as a ndéantar ár Cruinne? Ar leibhéal bunúsach, chomh fada agus is eol dúinn, tá an freagra simplí: cáithníní agus réimsí. Tá an cineál ábhair a chuimsíonn daoine, an Domhan, agus na réaltaí go léir, mar shampla, comhdhéanta de na cáithníní aitheanta den tSamhail Chaighdeánach. Teoiricítear ábhar dorcha mar cháithnín, agus teoiricítear fuinneamh dorcha mar réimse is gné dhílis den spás féin. Ach níl sna cáithníní go léir atá ann, i gcroílár a nádúir, ach réimsí chandamach corraithe iad féin. Cad a thugann na hairíonna atá acu? Sin ábhar cheist na seachtaine seo, ag teacht chugainn ó Richard Hunt, atá ag iarraidh a fháil amach:

Tá ceist agam faoi réimsí Quantum. Má dhéanaimid airíonna cáithníní a shamhaltú mar excitations de réimsí neamhspleácha éagsúla (réimse Higgs le haghaidh maise, réimse EM le haghaidh luchtaithe srl) ansin cad is cúis leis na tonnta excitation seo taisteal timpeall le chéile? An bhfuil aonán de chineál éigin cáithníní i ndáiríre faoi na tonnta seo?

I bhfocail eile: cad a dhéanann cáithnín leis na hairíonna a dhéanann sé? A ligean ar ghlacadh le breathnú domhain.

Braitheadh ​​go díreach anois cáithníní agus frith-chomhábhair an tSamhail Chaighdeánaigh, agus an gabháltas deireanach, an Higgs Boson, ag titim ag an LHC níos luaithe sa deich mbliana seo. Is féidir na cáithníní seo go léir a chruthú ag fuinneamh LHC, agus tá tairisigh bhunúsacha riachtanach go hiomlán chun mais iomlán na gcáithníní a thuairisciú. Is féidir le fisic na dteoiricí réimse chandamach atá mar bhunús leis an tSamhail Chaighdeánach cur síos maith a dhéanamh ar na cáithníní seo, ach ní fios fós an bhfuil siad bunúsach. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Tá tréithe ag na cáithníní a bhfuil eolas againn orthu ar dealraitheach gur gné dhílis iad. Tá na cáithníní uile den chineál céanna - leictreoin, muons, cairéil suas, Z-bosons, srl - in-aitheanta óna chéile. Tá airíonna acu go léir a roinneann na cáithníní eile go léir den chineál céanna, lena n-áirítear:

  • mais,
  • muirear leictreach,
  • hypercharge lag,
  • casadh (móiminteam uilleach bunúsach),
  • muirear datha,
  • uimhir baryon,
  • uimhir lepton,
  • uimhir theaghlaigh lepton,

agus eile. Tá luach nialas ag roinnt cáithníní do go leor de na cainníochtaí seo; tá luachanna neamh-nialasacha ag cuid eile acu le beagnach gach ceann acu. Ach ar bhealach éigin, tá na hairíonna intreacha áirithe seo i ngach cáithnín atá ann atá ceangailte le chéile i “stát chandamach” aonair seasmhach a dtugaimid cáithnín áirithe air.

Cinneann maiseanna scíthe na gcáithníní bunúsacha sa Cruinne cathain agus faoi na coinníollacha is féidir iad a chruthú. Dá mhéad cáithnín atá ann, is lú ama a chruthaítear go spontáineach dó go luath sa Cruinne. Éilítear ar airíonna cáithníní, páirceanna agus am spáis cur síos a dhéanamh ar an Cruinne a bhfuilimid ag maireachtáil ann (FIG. 15–04A Ó OLLSCOIL-REVIEW.CA)

Mar bhunús leis ar fad, tá réimsí éagsúla ann sa Cruinne. Tá réimse Higgs ann, mar shampla, ar réimse chandamach é a théann tríd an spás go léir. Is sampla réasúnta simplí é an Higgs de réimse, cé gurbh é an cáithnín a d’eascair as a iompar - boson Higgs - an ceann deireanach a aimsíodh riamh. Is réimsí bunúsacha chandamach iad an réimse leictreamaighnéadach (QED) agus an réimse luchtaithe dathanna (QCD), i measc nithe eile.

Seo mar a oibríonn sé: tá an réimse i ngach áit sa spás, fiú nuair nach bhfuil aon cháithníní i láthair. Tá an réimse chandamach ó thaobh nádúir de, rud a chiallaíonn go bhfuil an stát fuinnimh is ísle aige a dtugaimid an fuinneamh pointe nialasach air, a bhféadfadh a luach a bheith nialasach nó nach bhféadfadh. Ar fud áiteanna éagsúla sa spás agus san am, athraíonn luach na páirce, díreach mar a dhéanann gach réimse chandamach. Tá rialacha ag an Cruinne chandamach, chomh fada agus is féidir linn a thuiscint, a rialaíonn a neamhchinntitheacht bhunúsach.

Amharc ar ríomh teoirice réimse chandamach a thaispeánann cáithníní fíorúla san fholús chandamach. Fiú amháin i spás folamh, tá an fuinneamh folúis seo neamh-nialasach, ach gan coinníollacha teorann ar leith, ní chuirfear srian ar airíonna cáithníní aonair. (DEREK LEINWEBER)

Mar sin más réimsí gach rud, ansin cad is cáithnín ann? B’fhéidir gur chuala tú frása roimhe seo: gur excitations de réimsí chandamach iad cáithníní. Is é sin le rá, is réimsí chandamach iad seo nach bhfuil sa stát is ísle fuinnimh - nó náid-phointe - ach i stát ardfhuinnimh éigin. Ach díreach mar a oibríonn sé seo tá sé rud beag fánach.

Go dtí an pointe seo, bhíomar ag smaoineamh ar réimsí i dtéarmaí spáis folamh: tá na réimsí chandamach atá á bplé againn ann i ngach áit. Ach níl cáithníní ann i ngach áit ag an am céanna. A mhalairt ar fad, sin a dtugaimid go háitiúil orthu, nó atá teoranta do réigiún áirithe spáis.

Is é an bealach is simplí chun é seo a shamhlú ná coinníollacha teorann de chineál éigin a fhorchur: réigiún éigin spáis a d’fhéadfadh a bheith difriúil ó spás folamh amháin.

Ruthag cáithnín i mbosca (ar a dtugtar tobar cearnóg gan teorainn freisin) i meicnic chlasaiceach (A) agus i meicnic chandamach (BF). In (A), bogann an cáithnín ag treoluas tairiseach, ag preabadh anonn is anall. In (BF), taispeántar réitigh tonnfheidhmithe ar an gCothromóid Schrodinger atá spleách ar Am don gheoiméadracht agus don acmhainneacht chéanna. Tá an ais chothrománach suite, is í an ais ingearach an fhíorchuid (gorm) nó an chuid samhailteach (dearg) den tonnfheidhm. Is stáit stáiseanacha (eigenstates fuinnimh) iad B, C, D), a thagann ó réitigh ar an gCothromóid Schrodinger Ama-Neamhspleách. Is stáit neamh-stáiseanacha iad (E, F), réitigh ar chothromóid Schrodinger atá spleách ar Am. (STEVE BYRNES / SBYRNES321 DE CHOIMISIÚIN WIKIMEDIA)

Inár bpictiúr réamh-chandamach den Cruinne, níl sna cáithníní ach pointí agus gan aon rud níos mó: aonáin aonair a bhfuil tacar airíonna sannta dóibh. Ach tá a fhios againn go gcaithfimid tonnfhaid a chur in ionad cáithníní sa Cruinne chandamach, ar tacar paraiméadair dóchúla iad a thagann in ionad cainníochtaí clasaiceacha cosúil le “suíomh” nó “móiminteam.”

In ionad luachanna uathúla, tá tacar luachanna féideartha ann ar féidir le réimse chandamach a ghlacadh. Tá cuid de na hairíonna a bhaineann le cáithnín leanúnach, cosúil lena suíomh, agus tá cuid eile scoite. Is iad na cinn scoite na cinn is suimiúla i dtéarmaí airíonna bunúsacha na gcáithníní, ós rud é nach féidir leo siúd ach luachanna sonracha a ghlacadh atá sainithe ag na coinníollacha sainiúla a leagann an Cruinne amach.

Is féidir le sreangán giotáir, as féin, creathadh i líon gan teorainn de mhodhanna tonnchrith, a fhreagraíonn do shraith neamhshrianta fuaimeanna a shamhlaítear. Ach trí thiús na sreinge a shrianadh, an teannas atá ann, agus fad éifeachtach na coda a chreathann, ní féidir ach tacar sonrach nótaí teacht chun cinn. Tá na 'coinníollacha teorann' seo doscartha ón tacar aschur féideartha. (GETTY)

Bealach simplí chun é seo a shamhlú is ea giotár a shamhlú. Ar ghiotár, tá sé shraith de thiúis éagsúla agat, áit ar féidir linn féachaint ar thiús mar mhaoin bhunúsach den tsreang. Dá mba rud é nach raibh agat ach na teaghráin seo (agus gan aon ghiotár), agus chuir tú an cheist faoi líon na slite éagsúla a d’fhéadfadh na teaghráin seo a chreathadh, bheifeá ag críochnú le líon gan teorainn torthaí incheadaithe.

Ach ní thairgeann giotáir tacar féidearthachtaí gan teorainn ar chor ar bith. Tá coinníollacha teorann againn maidir leis na teaghráin sin:

  • tá fad éifeachtach gach sreinge srianta ag na pointí tosaigh agus deiridh,
  • tá líon na excitations féideartha srianta ag suíomhanna na frets ar an gclár saor,
  • tá na modhanna tonnchrith srianta ag céimseata agus ag ceol overtones,
  • agus tá na fuaimeanna a d’fhéadfadh sé a dhéanamh srianta ag teannas gach sreinge.

Déantar na hairíonna seo a chinneadh go uathúil de réir mhéid, airíonna sreinge, agus tiúnadh gach giotáir aonair.

Is cothromóid aonair í an tSamhail Chaighdeánach Lagrangian a chuimsíonn cáithníní agus idirghníomhaíochtaí an tSamhail Chaighdeánaigh. Tá cúig chuid neamhspleácha ann: na glútan (1), na bosúin laga (2), an chaoi a n-idirghníomhaíonn ábhar leis an bhfórsa lag agus le réimse Higgs (3), na cáithníní taibhse a dhealraíonn iomarcaíochtaí réimse Higgs (4), agus an Taibhsí Fadeev-Popov, a théann i bhfeidhm ar iomarcaíochtaí idirghníomhaíochta laga (5). Ní chuirtear maiseanna neodrón san áireamh. Chomh maith leis sin, níl anseo ach an méid atá ar eolas againn go dtí seo; b’fhéidir nach é an Lagrangian iomlán é ag cur síos ar 3 cinn de na 4 fhórsa bunúsacha. .

I gcás ár gcáithníní Múnla Caighdeánach, tá tacar féidearthachtaí teoranta ann freisin. Eascraíonn siad as cineál sonrach teoiric réimse chandamach: teoiric tomhsaire. Tá teoiricí tomhsaire dosháraithe faoi chlaochlú claochlaithe (cosúil le treisithe luais, aistriúcháin suímh, srl.) Ar cheart go mbeadh ár ndlíthe fisiciúla dosháraithe fúthu freisin.

Tagann an tSamhail Chaighdeánach go háirithe ó theoiric réimse chandamach atá comhdhéanta de thrí ghrúpa (mar atá i matamaitic na ngrúpaí bréaga) atá ceangailte le chéile:

  • SU (3), grúpa atá déanta as maitrísí 3 × 3, a chuireann síos ar an idirghníomhaíocht láidir,
  • SU (2), grúpa atá déanta as maitrísí 2 × 2, a chuireann síos ar an idirghníomhaíocht lag,
  • agus U (1), ar a dtugtar an grúpa ciorcal agus déanta de gach uimhir chasta le luach absalóideach 1, a chuireann síos ar an idirghníomhaíocht leictreamaighnéadach.

Cuir iad seo go léir le chéile ar an mbealach ceart - SU (3) × SU (2) × U (1) - agus gheobhaidh tú ár Múnla Caighdeánach.

Taispeánann an léaráid seo struchtúr an mhúnla chaighdeánaigh (ar bhealach a thaispeánann na príomhchaidrimh agus na patrúin níos iomláine, agus níos míthreorach, ná san íomhá níos eolaí atá bunaithe ar chearnóg 4x4 de cháithníní). Taispeánann an léaráid seo go háirithe na cáithníní go léir sa mhúnla caighdeánach (lena n-áirítear a n-ainmneacha litreacha, maiseanna, spins, handness, muirir, agus idirghníomhaíochtaí leis na bosons tomhsaire - ie leis na fórsaí láidre agus leictrithe). Taispeánann sé freisin ról boson Higgs, agus struchtúr bhriseadh siméadrachta leictreoin, ag léiriú conas a bhriseann luach ionchais folúis Higgs siméadracht electroweak, agus conas a athraíonn airíonna na gcáithníní atá fágtha dá bharr. (LATHAM BOYLE AND MARDUS OF WIKIMEDIA COMMONS)

Ní sraith dlíthe fisice amháin atá sa tSamhail Chaighdeánach, ach soláthraíonn sí coinníollacha teorann seanfhocal a chuireann síos ar speictream na gcáithníní is féidir a bheith ann. Toisc nach bhfuil an tSamhail Chaighdeánach déanta de réimse chandamach amháin ina haonar, ach go bhfuil na hairíonna bunúsacha go léir (seachas domhantarraingt) ag obair le chéile, tá tacar seasta airíonna ag speictream na gcáithníní a fhoirceannadh muid.

Déantar é seo a chinneadh ag an struchtúr sonrach matamaiticiúil - SU (3) × SU (2) × U (1) - atá mar bhunús leis an tSamhail Chaighdeánach. Freagraíonn gach cáithnín do réimsí bunúsacha chandamach na Cruinne ar fad corraithe ar bhealach ar leith, le cúpláil follasach leis an tsraith iomlán réimsí. Cinneann sé seo airíonna a gcáithníní, mar:

  • mais,
  • muirear leictreach,
  • muirear datha,
  • hypercharge lag,
  • uimhir lepton,
  • uimhir baryon,
  • uimhir theaghlaigh lepton,
  • agus casadh.
Patrún an isospin lag, T_3, agus hipearcharge lag, Y_W, agus muirear datha na gcáithníní bunrang uile ar a dtugtar, rothlaithe ag an uillinn mheasctha lag chun lucht leictreach, Q, a thaispeáint go garbh feadh an ingearaigh. Briseann réimse neodrach Higgs (cearnóg liath) siméadracht an electroweak agus idirghníomhaíonn sé le cáithníní eile chun mais a thabhairt dóibh. (CJEAN42 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Dá mbeadh an tSamhail Chaighdeánach ar fad ann, ní cheadófaí aon teaglaim eile. Tugann an tSamhail Chaighdeánach réimsí fermion duit, a fhreagraíonn do na cáithníní ábhair (cairéil agus leptóin), chomh maith le réimsí bosón, a fhreagraíonn do na cáithníní a iompraíonn fórsa (gliúnna, bosúin laga, agus fótón), chomh maith leis na Higgs.

Tógadh an tSamhail Chaighdeánach le tacar siméadrachta san áireamh, agus is iad na bealaí ar leith a bhriseann na siméadrachtaí seo speictream na gcáithníní ceadaithe a chinneadh. Éilíonn siad orainn fós na tairisigh bhunúsacha a chur isteach a chinneann luachanna sonracha airíonna cáithníní, ach airíonna cineálacha teoirice le:

  • 6 chairéal agus seandachtaí le trí dhath an ceann,
  • 3 leptón luchtaithe agus antileptons,
  • 3 neutrinos agus antineutrinos,
  • 8 glútan gan mhais,
  • 3 bosún lag,
  • 1 fótón gan mhais,
  • agus 1 Higgs boson,

a chinneann an tSamhail Chaighdeánach féin.

Cuimsíonn Múnla Caighdeánach fhisic na gcáithníní trí cinn de na ceithre fhórsa (seachas domhantarraingt), an tsraith iomlán cáithníní aimsithe, agus a n-idirghníomhaíochtaí uile. Is ábhar díospóireachta é cibé an bhfuil cáithníní breise agus / nó idirghníomhaíochtaí ann nach féidir a fháil le himbhuailteoirí is féidir linn tógáil ar an Domhan, ach ní bheidh a fhios againn ach an freagra má dhéanaimid iniúchadh anuas ar an teorainn fuinnimh atá ar eolas. (TIONSCADAL OIDEACHAIS FISIC COMHTHÉACSACHA / DOE / NSF / LBNL)

Mar sin, conas a fhaighimid cáithníní chandamach leis na hairíonna a dhéanaimid? Tagann trí rud le chéile:

  1. Tá dlíthe na teoirice réimse chandamach againn, a chuireann síos ar na réimsí a théann tríd an spás go léir is féidir a mhúscailt chuig stáit shaintréithe éagsúla.
  2. Tá struchtúr matamaiticiúil an tSamhail Chaighdeánaigh againn, a shocraíonn na teaglamaí incheadaithe de chumraíochtaí allamuigh (ie cáithníní) is féidir a bheith ann.
  3. Tá na tairisigh bhunúsacha againn, a sholáthraíonn luachanna airíonna ar leith do gach teaglaim incheadaithe: airíonna gach cáithnín.

Agus b’fhéidir go mbeidh níos mó ann. Féadfaidh an tSamhail Chaighdeánach cur síos a dhéanamh ar réaltacht go han-mhaith, ach ní chuimsíonn sé gach rud. Ní chuireann sé san áireamh ábhar dorcha. Nó fuinneamh dorcha. Nó bunús na neamhshiméadracht ábhair-antamatter. Nó na cúiseanna atá taobh thiar de luachanna ár dosháraithe bunúsacha.

Ní sholáthraíonn an tSamhail Chaighdeánach ach na cumraíochtaí incheadaithe atá ar eolas againn. Má tá neodrinos agus ábhar dorcha mar chomhartha ar bith, ba cheart go mbeadh níos mó ann. Ceann de phríomhspriocanna eolaíochta an 21ú haois is ea a fháil amach cad eile atá ann. Fáilte go dtí teorainn cheannródaíoch na fisice nua-aimseartha.

Seol isteach do chuid ceisteanna Iarr ar Ethan chuig startwithabang ag gmail dot com!

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.