Fornmenn héldu að við værum samansett úr fjórum „þáttum“ – vatni, jörðu, eldi og lofti; sem við vitum núna að eru ekki frumefni. Sem stendur eru um 118 þættir. Öll frumefni eru gerð úr atómum sem áður var talið að væru ódeilanleg. Snemma á tuttugustu öld eftir uppgötvanir JJ Thompson og Rutherfords var vitað að frumeindir væru samsett úr kjarna (úr róteindum og nifteindum) í miðjunni og rafeindum bylgja í kring. Um 1970 var vitað að róteindir og nifteindir eru ekki heldur grundvallaratriði heldur eru gerðar úr „upp kvörkum“ og „niðurkvarkum“ sem gera „rafeindir“, „uppkvarkar“ og „niðurkvarkar“ að þremur grundvallarþáttum alls. í alheimurinn. Með hinni brautryðjandi þróun í skammtaeðlisfræði, lærðum við að agnir eru í raun afleiður, orkubúnt eða orkupakkar á sviðum sem gefa til kynna agnir eru ekki grundvallaratriði. Það sem er grundvallaratriði er svið sem liggur til grundvallar þeim. Við getum nú sagt að skammtasvið séu grundvallarbyggingareiningar alls í alheimurinn (þar á meðal háþróuð líffræðileg kerfi eins og við). Við erum öll gerð úr skammtasviðum. Eiginleikar agna eins og rafhleðsla og massi eru fullyrðingar um hvernig svið þeirra hafa samskipti við önnur svið. Til dæmis er eiginleiki sem við köllum rafhleðslu rafeindarinnar fullyrðing um hvernig rafeindasviðið hefur samskipti við rafsegulsviðið. Og. eiginleiki massa þess er staðhæfingin um hvernig það hefur samskipti við Higgs sviðið.
Frá fornu fari hefur fólk velt því fyrir sér hvað við erum samsett úr? Hvað er alheimurinn samanstendur af? Hver eru grundvallarbyggingareiningar náttúrunnar? Og, hver eru grundvallarlögmál náttúrunnar sem stjórna öllu í alheimurinn? Venjulegt líkan vísindanna er kenningin sem svarar þessum spurningum. Þetta er sögð vera farsæla vísindakenningin sem hefur verið byggð upp á síðustu öldum, ein kenning sem útskýrir flest allt í alheimurinn.
Fólk vissi snemma að við erum samsett úr frumefnum. Hvert frumefni er aftur á móti gert úr atómum. Upphaflega var talið að atóm væru ódeilanleg. Hins vegar árið 1897 uppgötvaði JJ Thompson rafeindir með því að nota rafhleðslu í gegnum bakskautsgeislarör. Skömmu síðar, árið 1908, sannaði arftaki hans Rutherford með frægu gullþynnutilraun sinni að frumeind er með örlítinn jákvætt hlaðinn kjarna í miðjunni sem neikvætt hlaðnar rafeindir hringast um í. brautir. Í kjölfarið kom í ljós að kjarnar eru gerðir úr róteindum og nifteindum.
Á áttunda áratugnum kom í ljós að nifteindir og róteindir eru ekki ódeilanlegar og eru því ekki grundvallaratriði, en hver róteind og nifteind eru gerð úr þremur smærri ögnum sem kallast kvarkar sem eru tvenns konar – „upp kvarkar“ og „niðurkvarkar“ (“ upp quark“ og „down quark“ eru aðeins mismunandi kvarkar Hugtökin „upp“ og „niður“ gefa ekki til kynna neitt samband við stefnu eða tíma). Róteindir eru samsettar úr tveimur „upp-kvarki“ og „niður-kvarki“ á meðan nifteind er úr tveimur „niður-kvarki“ og „upp-kvarki“. Þannig eru „rafeindir“, „uppkvarkar“ og „niðurkvarkar“ þrjár grundvallaragnir sem eru byggingareiningar alls í alheimurinn. Hins vegar, með framförum í vísindum, hefur þessi skilningur líka séð breytingar. Reitir finnast vera grundvallaratriði en ekki agnir.
Agnir eru ekki grundvallaratriði. Það sem er grundvallaratriði er sviðið sem liggur til grundvallar þeim. Við erum öll gerð úr skammtasviðum.
Eins og á núverandi skilningi á vísindum, allt í alheimurinn samanstendur af ósýnilegum óhlutbundnum einingum sem kallast 'reitir' sem tákna grundvallarbyggingareiningar náttúrunnar. Akur er eitthvað sem dreifist yfir alheimurinn og tekur sérstakt gildi á hverjum stað í geimnum sem getur breyst með tímanum. Það er eins og gára af vökva sem sveiflast um allt alheimurinn, til dæmis, segulsvið og rafsvið dreifast yfir alheimurinn. Þó að við getum ekki séð raf- eða segulsvið eru þau raunveruleg og líkamleg eins og sést af kraftinum sem við finnum þegar tveir seglar eru færðir nær. Samkvæmt skammtafræðinni er talið að svið séu samfelld ólíkt orku sem er alltaf sett saman í staka klumpa.
Skammtasviðskenningin er hugmyndin um að sameina skammtafræði við svið. Samkvæmt þessu bindast rafeindavökvinn (þ.e. gárur af bylgjum þessa vökva) í litla orkubúnta. Þessir orkubúnir eru það sem við köllum rafeindir. Þannig eru rafeindir ekki grundvallaratriði. Þær eru öldurnar á sama undirliggjandi sviði. Á sama hátt gefa gárur á kvarkareitunum tveimur tilefni til „uppkvarka“ og „niðurkvarka“. Og það sama á við um hverja aðra ögn í alheimurinn. Reitir liggja undir öllu. Það sem við hugsum um sem agnir eru í raun öldur sviðanna bundnar í litla orkubúnta. Helstu grundvallarbyggingareiningar okkar alheimurinn eru þessi vökvalík efni sem við köllum reiti. Agnir eru aðeins afleiður þessara sviða. Í hreinu lofttæmi, þegar agnir eru teknar alveg út, eru svið enn til.
Þrjú helstu skammtasvið í náttúrunni eru „rafeindir“, „uppkvarki“ og „niðurkvarki“. Það er fjórða sem kallast neutrino, en þau mynda okkur ekki heldur gegna mikilvægu hlutverki annars staðar í alheimurinn. Neutrinos eru alls staðar, þau streyma í gegnum allt alls staðar án þess að hafa samskipti.
https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Málasvið: Grunnskammtasviðin fjögur og tengdar agnir þeirra (þ.e. „rafeind“, „up quark“, „down quark“ og „neutrino“) mynda berggrunn alheimurinn. Af óþekktum ástæðum endurskapa þessar fjórar grundvallaragnir sig tvisvar. Rafeindir endurskapa „múon“ og „tau“ (sem eru 200 sinnum og 3000 sinnum þyngri en rafeindir í sömu röð); uppkvarkar gefa tilefni til „furðulegs kvarks“ og „botnkvarks“; dúnkvarkar gefa tilefni til „sjarmakvarks“ og „toppkvarks“; á meðan nitrino gefa tilefni til „muon neutrino“ og „tau neutrino“.
Þannig eru 12 svið sem gefa tilefni til agna, við köllum þær málefnasviðum.
Hér að neðan er listi yfir 12 efnissvið sem mynda 12 agnir í alheimurinn.
Kraftasvið: Efnissviðin 12 hafa samskipti sín á milli í gegnum fjóra mismunandi krafta - þyngdarafl, rafsegulfræði, sterkar kjarnorkusveitir (starfa aðeins í litlum mælikvarða í kjarna, halda kvarkum saman inni í róteindum og nifteindum) og veikar kjarnorkusveitir (starfa aðeins á litlum mælikvarða í kjarna, ábyrgur fyrir geislavirkri rotnun og koma af stað kjarnasamruna). Hver þessara krafta er tengdur sviði - rafsegulkraftur er tengdur við glúon sviði, svið sem tengjast sterkum og veikum kjarnorkuöflum eru W og Z boson sviði og sviðið sem tengist þyngdaraflinu er rúm-tíma sjálft.
Hér að neðan er listi yfir fjögur kraftsvið sem tengjast fjórum krafti.
| rafsegulkraftur | glúon sviði |
| Sterk og veik kjarnorkuöfl | w & z boson sviði |
| þyngdarafl | rúmtími |
The alheimurinn er fyllt með þessum 16 reitum (12 efnisreitir plús 4 reitir sem tengjast fjórum sveitum). Þessi svið hafa samskipti saman á samræmdan hátt. Til dæmis, þegar rafeindasviðið (eitt af efnissviðunum) byrjar að bylgjast upp og niður (vegna þess að það er rafeind þar), þá ræsir það eitt af hinum sviðunum, td rafsegulsvið sem aftur mun líka sveiflast og gára. Það verður ljós sem gefur frá sér svo það mun sveiflast aðeins. Á einhverjum tímapunkti mun það byrja að hafa samskipti við kvarkasviðið, sem aftur mun sveiflast og gára. Lokamyndin sem við endum með er samfelldur dans milli allra þessara sviða, sem samtvinnast.
Higgs völlurinn
Á sjöunda áratugnum var eitt annað sviði spáð af Peter Higgs. Um 1960 varð þetta óaðskiljanlegur hluti af skilningi okkar á alheimurinn. En það voru engar tilraunavísbendingar (sem þýðir að ef við gerum Higgs akur gára, ættum við að sjá tengda ögn) fyrr en 2012 þegar CERN vísindamenn við LHC greindu frá uppgötvun sinni. Ögnin hagaði sér nákvæmlega eins og líkanið spáði fyrir um. Higgs ögnin hefur mjög stuttan líftíma, um það bil 10-22 sekúndur.
Þetta var síðasta byggingareiningin í alheimurinn. Þessi uppgötvun var mikilvæg vegna þess að þetta svið ber ábyrgð á því sem við köllum massa í alheimurinn.
Eiginleikar agna (eins og rafhleðsla og massi) eru fullyrðingar um hvernig svið þeirra hafa samskipti við önnur svið.
Það er samspil sviðanna sem eru til staðar í alheimurinn sem gefa tilefni til eiginleika eins og massa, hleðslu o.s.frv. mismunandi agna sem við upplifum. Til dæmis er eiginleiki sem við köllum rafhleðslu rafeindarinnar fullyrðing um hvernig rafeindasviðið hefur samskipti við rafsegulsviðið. Á sama hátt er eiginleiki massa þess fullyrðing um hvernig það hefur samskipti við Higgs sviðið.
Skilningur á Higgs sviði var virkilega þörf svo að við skildum merkingu massa í alheimurinn. Uppgötvun á sviði Higgs var einnig staðfesting á Standard Model sem var til staðar síðan 1970.
Skammtasvið og agnaeðlisfræði eru kraftmikil fræðasvið. Síðan Higgs-reiturinn uppgötvaðist hefur nokkur þróun átt sér stað sem tengist Standard líkaninu. Leit að svörum um takmarkanir Standard líkansins heldur áfram.
***
Heimildir:
The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe – með David Tong. Fæst á netinu á https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
***
