kwantowa teoria pola łączy idee innych teorii kwantowych, aby przedstawić wszystkie cząstki jako „wzbudzenia”, które powstają w podstawowych polach. Brytyjski fizyk Paul Dirac zaczął toczyć piłkę pod koniec 1920 roku ze swoim równaniem opisującym, jak relatywistyczne elektrony – a wraz z nim większość innych cząstek materii-zachowują się.
Standardowa teoria kwantowa opracowana przez Nielsa Bohra i Wernera Heisenberga w latach dwudziestych XX wieku jest dobra do opisywania działania pojedynczych cząstek w izolacji i przy wolnych prędkościach. Ale aby wyjaśnić ich interakcje w prawdziwym świecie, potrzebujesz czegoś więcej.
w szczególności musisz połączyć teorię kwantową ze szczególną teorią względności, Einsteina o tym, jak przestrzeń i czas wypaczają się dla rzeczy poruszających się z dużą prędkością. Szczególna teoria względności mówi, że masa i energia są wymienne, czego ucieleśnieniem jest równanie E = mc2. Kwantowa zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że cząstki mogą pożyczać energię z próżni przez pewien czas.
Diraca miał żądło w ogonie: przewidywał on istnienie cząstki identycznej z elektronem pod każdym względem, z wyjątkiem przeciwnego ładunku elektrycznego. Pozyton, pierwsza cząstka antymaterii, został odkryty w promieniach kosmicznych kilka lat później. Była to pierwsza z zupełnie nowej menażerii cząstek, którą teoretycy zaproponowali w miarę ewolucji kwantowych teorii pola-i która później pojawiła się w rzeczywistości.
Reklama
dwie kwantowe teorie pola leżą u podstaw standardowego modelu fizyki cząstek. Model ten, będący owocem wielu dziesięcioleci teoretycznych prac, skrupulatnie potwierdzonych eksperymentami, obejmuje działanie trzech z czterech sił natury poprzez oddziaływania przenoszących siły cząstek bozonów z wytwarzającymi materię fermionami.
Elektrodynamika kwantowa (ang. Quantum electrodynamics, QED) to zunifikowana teoria elektromagnetyzmu i słabej siły jądrowej, która reguluje procesy jądrowe, takie jak rozpady radioaktywnych beta, które są kluczowe, na przykład, w jaki sposób Słońce spala swoje paliwo.
chromodynamika kwantowa (QCD) to tymczasem teoria silnej siły jądrowej. Przenoszona przez bozony zwane gluonami, ta silna siła o bardzo krótkim zasięgu wiąże kwarki razem, tworząc cząstki takie jak protony i neutrony.
koronna chwała modelu standardowego nadeszła w 2012 roku, wraz z odkryciem bozonu Higgsa, przepowiedzianym prawie pięć dekad wcześniej. Masa jest najbardziej stałą własnością materii, a masa cząstki fundamentalnej zależy od stopnia jej oddziaływania z bozonem Higgsa. Zgodnie z teorią zaproponowaną po raz pierwszy w 1964, pole podobne do melasy związane z Higgsem zapewnia opór, który zmienia się w zależności od rodzaju cząstek.
wciąż jednak brakuje nam kwantowej teorii pola grawitacyjnego. Sama z czterech sił grawitacja nie ma przyczepionych do siebie cząstek, a zamiast tego jest wyjaśniona przez ogólną teorię względności Einsteina jako wypaczenie czasoprzestrzeni-zupełnie innego rodzaju. Richard Webb