kvantfältteori gifter sig med ideerna från andra kvantteorier för att skildra alla partiklar som ”excitationer” som uppstår i underliggande fält. Den brittiska fysikern Paul Dirac började bollen rulla i slutet av 1920 – talet med sin ekvation som beskriver hur relativistiska elektroner – och med det de flesta andra materiepartiklar-beter sig.
Standardkvantumteori som utvecklats av Niels Bohr och Werner Heisenberg på 1920-talet är bra för att beskriva hur enskilda partiklar fungerar isolerat och i låga hastigheter. Men för att förklara deras interaktioner i den verkliga världen behöver du något mer.
i synnerhet måste du gifta dig med kvantteori med speciell relativitet, Einsteins teori om hur utrymme och tid varpar för saker som reser i höga hastigheter. Speciell relativitet säger att massa och energi är utbytbara, som förkroppsligas av ekvationen E=mc2. Heisenbergs kvantosäkerhetsprincip säger under tiden att partiklar kan låna energi från vakuumet under en viss tid.
Dirac-ekvationen hade ett sting i svansen: det förutspådde förekomsten av en partikel som är identisk med elektronen på alla sätt, bortsett från motsatt elektrisk laddning. Positronen, den första antimaterialpartikeln, upptäcktes vederbörligen i kosmiska strålar några år senare. Det var den första av en helt ny menageri av partiklar som teoretiker föreslog när kvantfältteorier utvecklades – och som senare dök upp i verkligheten.
annons
två kvantfältteorier ligger i hjärtat av standardmodellen för partikelfysik. Produkten av många årtionden av teoretiskt arbete, noggrant bekräftat av experiment, täcker denna modell arbetet med tre av de fyra naturkrafterna genom interaktioner mellan kraftbärande bosonpartiklar med materieframställande fermioner.
Quantum electrodynamics (QED) är den enhetliga ”electroweak” teorin om elektromagnetism och den svaga kärnkraften, som styr kärnprocesser som radioaktiva beta-sönderfall som är avgörande, till exempel i hur solen bränner sitt bränsle.
kvantkromodynamik (QCD) är under tiden teorin om den starka kärnkraften. Överförd av bosoner som kallas gluoner, binder denna starka, mycket korta kraft kvarkar tillsammans för att göra partiklar som protoner och neutroner.
standardmodellens Krona kom 2012, med upptäckten av Higgs boson, förutspådde nästan fem decennier tidigare. Massa är den mest fasta egenskapen hos materia, och massan av en grundläggande partikel bestäms av dess grad av interaktion med Higgs boson. Enligt en teori som först föreslogs 1964 ger det melassliknande fältet associerat med Higgs ett drag som varierar beroende på partikeltyp.
vad vi fortfarande saknar är dock en kvantfältteori om gravitation. Ensam av de fyra krafterna har tyngdkraften inga partiklar kopplade till den, och förklaras istället av Einsteins allmänna relativitetsteori som förvrängning av rymdtid-en helt annan vattenkokare. Richard Webb