Ce este Universul la nivel fundamental, conform teoriei campurilor cuantice

 Experimentele recente au aratat ca tarâmul subatomic este mult mai uimitor decât cel prezentat de conceptele din cele doua teorii. A trecut aproape un secol, la urma urmelor, de la fundamentarea acestora…

Mecanica cuantica ne spune ca un electron este atât particula, cât si unda si nu poti fi sigur niciodata cum se va comporta. Relativitatea ne spune ca timpul nu este absolut, distantele depind de observator si ca energia poate fi transformata în materie si invers. Aceste idei sunt înca corecte, dar sunt doar vârful aisbergului.

Fizicienii folosesc acum o clasa de teorii denumite teorii ale câmpului cuantic sau QFT (eng. quantum field theories), care au fost postulate pentru prima data la sfârsitul anilor 1920 si care s-au dezvoltat în deceniile urmatoare. QFT sunt bizare, dar unii s-au obisnuit cu ele.

Pentru a începe, sa ne gândim la electroni. Peste tot în Univers exista un câmp numit câmpul electronic. Un electron fizic nu este câmpul, ci mai degraba o vibratie localizata pe acest câmp electronic. De fapt, fiecare electron din Univers este o vibratie localizata similara a câmpului electronic.

Electronii nu sunt singurele particule care sunt vibratii localizate ale unui câmp; toate particulele sunt la fel.

Exista un câmp fotonic, un câmp al quarcurilor, un câmp gluonic, un câmp miuonic etc. Iar ceea ce noi vizualizam ca fiind particule sunt în fapt doar vibratii localizate ale acelui câmp.

Bosonul Higgs, descoperit recent, are aceeasi natura. Câmpul Higgs interactioneaza cu particulele si le da astfel acestora masa. Este dificil sa observam acest câmp direct. În schimb, furnizam energie câmpului prin coliziuni de particule si-l facem astfel sa vibreze.

Când spunem ca „am descoperit bosonul Higgs”, ar trebui sa întelegeti asa: „am generat vibratii ale câmpului Higgs si am observat aceste vibratii”.

Aceasta idee ofera o viziune complet diferita asupra modului în care functioneaza lumea subatomica. Peste tot în spatiu exista o mare varietate de câmpuri diferite, la fel cum un anumit lucru poate avea simultan miros, sunet si culoare. Ceea ce gândim ca fiind o particula este pur si simplu o vibratie a câmpului sau.

Acest lucru are consecinte semnificative asupra felului în care întelegem interactiunile dintre particule. 

De exemplu, luati în considerare un proces simplu prin care doi electroni sunt  emisi unul catre altul si sunt împrastiati. În întelegerea clasica a împrastierii, un electron emite un foton în deplasarea sa catre celalalt, ceea ce provoaca un fel de recul. Fotonul calatoreste catre celalalt electron, care, de asemenea, ar avea o miscare de recul. Este ca si cum ai avea doi oameni în doua barci; daca unul dintre ei arunca un sac în cealalta barca, atât barca celui care arunca, cât si a celui care primeste sacul vor avea o miscare de recul.

O diagrama Feynman si acelasi proces subatomic folosind teoria câmpurilor cuantice . În stânga, un câmp de fotoni vibreaza iar câmpul quarcului si câmpul gluonic sunt stationare. Când fotonul creeaza o pereche quarc – antiquarc, câmpul quarcului vibreaza, în timp ce celelalte doua câmpuri nu. În cele din urma, atunci când quarcul si antiquarcul se combina pentru a crea un gluon, numai câmpul gluonic vibreaza.

În abordarea teoriei câmpurilor cuantice, o vibratie a câmpului electronic induce o vibratie în câmpul fotonic. Vibratia câmpului fotonic transporta energia si impulsul catre o alta vibratie a electronului si este absorbita.

În procesul binecunoscut în care un foton se transforma într-un electron si un electron de antimaterie (pozitron), vibratiile câmpului fotonic sunt transferate în câmpul electronic si sunt initiate doua seturi de vibratii – una compatibila cu o vibratie a unui electron, iar cealalta în concordanta cu vibratia unui pozitron.

Aceasta idee despre câmpuri si vibratii explica modul în care Universul functioneaza la nivel fundamental.

Aceste câmpuri acopera tot spatiul. Unele câmpuri pot interactiona cu alte câmpuri, dar nu cu toate. Câmpul de fotoni, de pilda, poate interactiona cu câmpurile particulelor încarcate electric, dar nu poate „vedea” câmpurile gluonice sau neutrinice.

Pe de alta parte, un foton poate interactiona indirect cu câmpul gluonic, mai întâi generând vibratii ale quarcurilor care apoi produc vibratii gluonice. Este un fel ca atunci când doi frati certati folosesc o a treia persoana pentru a transmite mesaje.

Teoria câmpurilor cuantice reprezinta într-adevar un mod de gândire uluitor. Tot ce exista este doar o consecinta a vibratiilor câmpurilor prezente pretutindeni în Univers. Întregul Univers este format din câmpuri care genereaza o vasta „simfonie” subatomica. Fizicienii încearca sa înteleaga aceasta simfonie.

scientia.ro

Bogdan

Per aspera ad astra