La teoria quantistica dei campi sposa le idee di altre teorie quantistiche per descrivere tutte le particelle come “eccitazioni” che sorgono nei campi sottostanti. Il fisico britannico Paul Dirac ha iniziato la palla a rotazione alla fine del 1920 con la sua equazione che descrive come gli elettroni relativistici – e con essa la maggior parte delle altre particelle di materia-si comportano.
La teoria quantistica standard sviluppata da artisti del calibro di Niels Bohr e Werner Heisenberg negli 1920 va bene per descrivere il funzionamento delle singole particelle in isolamento ea basse velocità. Ma per spiegare le loro interazioni nel mondo reale, hai bisogno di qualcosa di più.
In particolare, è necessario sposare la teoria quantistica con la relatività speciale, la teoria di Einstein di come lo spazio e il tempo si deformano per le cose che viaggiano ad alta velocità. La relatività speciale dice che massa ed energia sono intercambiabili, come incarnato dall’equazione E=mc2. Il principio di indeterminazione quantistica di Heisenberg, nel frattempo, afferma che le particelle possono prendere in prestito energia dal vuoto per un certo periodo di tempo.
L’equazione di Dirac aveva un pungiglione nella sua coda: ha predetto l’esistenza di una particella identica all’elettrone in ogni modo, a parte la carica elettrica opposta. Il positrone, la prima particella di antimateria, fu debitamente scoperto nei raggi cosmici pochi anni dopo. Fu il primo di un nuovo serraglio di particelle che i teorici proposero come teorie di campo quantistiche evolute-e che in seguito spuntarono nella realtà.
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Due teorie di campo quantistico si trovano al centro del modello standard della fisica delle particelle. Prodotto di molti decenni di lavoro teorico, meticolosamente confermato dall’esperimento, questo modello copre il funzionamento di tre delle quattro forze della natura attraverso interazioni di particelle di bosoni che trasportano forza con fermioni che producono materia.
L’elettrodinamica quantistica (QED) è la teoria unificata “elettrodebole” dell’elettromagnetismo e della forza nucleare debole, che governa i processi nucleari come i decadimenti beta radioattivi che sono cruciali, ad esempio, nel modo in cui il sole brucia il suo combustibile.
La cromodinamica quantistica (QCD), nel frattempo, è la teoria della forza nucleare forte. Trasmessa da bosoni chiamati gluoni, questa forza forte, molto a corto raggio lega i quark insieme per creare particelle come protoni e neutroni.
Il coronamento del modello standard è arrivato nel 2012, con la scoperta del bosone di Higgs, previsto quasi cinque decenni prima. La massa è la proprietà più solida della materia e la massa di una particella fondamentale è determinata dal suo grado di interazione con il bosone di Higgs. Secondo una teoria proposta per la prima volta nel 1964, il campo simile alla melassa associato all’Higgs fornisce una resistenza che varia a seconda del tipo di particella.
Ciò che ci manca ancora, tuttavia, è una teoria quantistica dei campi della gravità. Solo delle quattro forze, la gravità non ha particelle ad essa collegate, ed è invece spiegata dalla teoria generale della relatività di Einstein come la deformazione dello spazio-tempo – un bollitore di pesce molto diverso. Richard Webb