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¿De qué estamos hechos en última instancia? ¿Cuáles son los bloques de construcción fundamentales del universo?

Los antiguos pensaban que estábamos formados por cuatro "elementos": agua, tierra, fuego y aire; que ahora sabemos que no son elementos. Actualmente hay unos 118 elementos. Todos los elementos están formados por átomos que alguna vez se pensaron que eran indivisibles. A principios del siglo XX, tras los descubrimientos de JJ Thompson y Rutherford, se sabía que los átomos estaban constituidos por núcleos (hechos de protones y neutrones) en el centro y electrones. orbital alrededor. En la década de 1970, se sabía que los protones y los neutrones tampoco son fundamentales, sino que están formados por "quarks arriba" y "quarks abajo", lo que convierte a los "electrones", "quarks arriba" y "quarks abajo" en los tres constituyentes más fundamentales de todo. en el universo. Con los avances pioneros en la física cuántica, aprendimos que las partículas son en realidad derivadas, los haces o paquetes de energía en los campos que implican que las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que los subyace. Ahora podemos decir que los campos cuánticos son los componentes fundamentales de todo lo que existe en el mundo. universo (incluidos los sistemas biológicos avanzados como nosotros). Todos estamos formados por campos cuánticos. Las propiedades de las partículas, como la carga eléctrica y la masa, son declaraciones sobre cómo sus campos interactúan con otros campos. Por ejemplo, la propiedad que llamamos carga eléctrica de un electrón es una afirmación sobre cómo interactúa el campo de los electrones con el campo electromagnético. Y. la propiedad de su masa es la afirmación sobre cómo interactúa con el campo de Higgs.  

Desde la antigüedad, la gente se ha preguntado ¿de qué estamos hechos? Cuál es el universo ¿compuestos de? ¿Cuáles son los componentes fundamentales de la naturaleza? ¿Y cuáles son las leyes básicas de la naturaleza que gobiernan todo en el mundo? universo? Modelo estandar de la ciencia es la teoría que responde a estas preguntas. Se dice que esta es la teoría científica exitosa jamás construida durante los últimos siglos, una teoría única que explica la mayoría de las cosas en el mundo. universo.  

La gente supo desde el principio que estamos hechos de elementos. Cada elemento, a su vez, está formado por átomos. Inicialmente se pensaba que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, en 1897 JJ Thompson descubrió los electrones mediante descarga eléctrica a través de un tubo de rayos catódicos. Poco después, en 1908, su sucesor Rutherford demostró mediante su famoso experimento con la lámina de oro que un átomo tiene un pequeño núcleo cargado positivamente en el centro, alrededor del cual circulan electrones cargados negativamente. órbitas. Posteriormente se descubrió que los núcleos están formados por protones y neutrones.  

En la década de 1970, se descubrió que los neutrones y los protones no son indivisibles, por lo tanto, no son fundamentales, sino que cada protón y neutrón están formados por tres partículas más pequeñas llamadas quarks, que son de dos tipos: "quarks arriba" y "quarks abajo". up quark” y “down quark” son simplemente quarks diferentes. Los términos 'arriba' y 'abajo' no implican ninguna relación con la dirección o el tiempo). Los protones están formados por dos “quarks arriba” y un “quark abajo”, mientras que un neutrón está formado por dos “quarks abajo” y un “quark arriba”. Por lo tanto, los “electrones”, los “quarks arriba” y los “quarks abajo” son las tres partículas más fundamentales que constituyen los componentes básicos de todo lo que existe en el mundo. universo. Sin embargo, con los avances de la ciencia, esta comprensión también ha experimentado cambios. Se encuentra que los campos son fundamentales y no partículas.  

Las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que las subyace. Todos estamos hechos de campos cuánticos.

Según la comprensión actual de la ciencia, todo lo que hay en el universo se compone de entidades abstractas invisibles llamadas "campos" que representan los componentes fundamentales de la naturaleza. Un campo es algo que se extiende a lo largo universo y toma un valor particular en cada punto del espacio que puede cambiar con el tiempo. Es como ondas de fluido que se balancean a lo largo del universo, por ejemplo, los campos magnéticos y eléctricos se distribuyen por todo el universo. Aunque no podemos ver los campos eléctricos o magnéticos, son reales y físicos, como lo demuestra la fuerza que sentimos cuando acercamos dos imanes. Según la mecánica cuántica, se cree que los campos son continuos, a diferencia de la energía que siempre está dividida en bloques discretos.

La teoría cuántica de campos es la idea de combinar la mecánica cuántica con campos. De acuerdo con esto, el fluido de electrones (es decir, las ondas de las ondas de este fluido) se unen en pequeños haces de energía. Estos haces de energía son lo que llamamos electrones. Por tanto, los electrones no son fundamentales. Son las ondas del mismo campo subyacente. De manera similar, las ondas de los dos campos de quarks dan lugar a "quarks arriba" y "quarks abajo". Y lo mismo es cierto para cualquier otra partícula en el universo. Los campos subyacen a todo. Lo que consideramos partículas son en realidad ondas de campos unidos en pequeños haces de energía. Los pilares básicos y fundamentales de nuestra universo Son estas sustancias parecidas a fluidos que llamamos campos. Las partículas son meros derivados de estos campos. En el vacío puro, cuando las partículas se eliminan por completo, los campos todavía existen.   

Los tres campos cuánticos más básicos de la naturaleza son el “electrón”, el “quark arriba” y el “quark abajo”. Hay un cuarto llamado neutrino, sin embargo, no nos constituyen pero juegan un papel importante en otras partes del planeta. universo. Los neutrinos están en todas partes, fluyen a través de todo sin interactuar.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Campos de materia: Los cuatro campos cuánticos básicos y sus partículas asociadas (a saber, “electrón”, “quark arriba”, “quark abajo” y “neutrino”) forman la base de la universo. Por razones desconocidas, estas cuatro partículas fundamentales se reproducen dos veces. Los electrones reproducen “muón” y “tau” (que son 200 y 3000 veces más pesados ​​que los electrones respectivamente); los quarks arriba dan lugar a “quarks extraños” y “quarks abajo”; los quarks down dan origen al “quark charm” y al “quark top”; mientras que los neutrinos dan origen al “neutrino muónico” y al “neutrino tau”.  

Así, existen 12 campos que dan lugar a partículas, los llamamos campos de materia.

A continuación se muestra la lista de 12 campos de materia que forman 12 partículas en el universo.  

Campos de fuerza: Los 12 campos de materia interactúan entre sí a través de cuatro fuerzas diferentes: gravedad, electromagnetismo, fuerzas nucleares fuertes (operar solo a pequeña escala del núcleo, mantener los quarks juntos dentro de protones y neutrones) y fuerzas nucleares débiles (operar solo a pequeña escala del núcleo, responsable de la desintegración radiactiva e iniciar la fusión nuclear). Cada una de estas fuerzas está asociada a un campo: la fuerza electromagnética está asociada a campo de gluones, los campos asociados con fuerzas nucleares fuertes y débiles son Campo de bosones W y Z y el campo asociado a la gravedad es tiempo espacial misma.

A continuación se muestra la lista de cuatro campos de fuerza asociados con cuatro fuerzas.    

fuerza electromagnetica  campo de gluones 
Fuerzas nucleares fuertes y débiles campo bosón w & z 
gravedad  tiempo espacial  

La universo está lleno de estos 16 campos (12 campos de materia más 4 campos asociados con cuatro fuerzas). Estos campos interactúan juntos de manera armoniosa. Por ejemplo, cuando el campo de electrones (uno de los campos de materia) comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo (porque hay un electrón allí), eso inicia uno de los otros campos, digamos el campo electromagnético que, a su vez, también oscilan y ondulan. Habrá luz que se emitirá de modo que oscilará un poco. En algún momento, comenzará a interactuar con el campo de quarks, que a su vez oscilará y se ondulará. La imagen final con la que terminamos es la danza armoniosa entre todos estos campos, entrelazados entre sí.  

campo de higgs

En la década de 1960, Peter Higgs predijo otra esfera. En la década de 1970, esto se convirtió en parte integral de nuestra comprensión sobre la universo. Pero no hubo evidencia experimental (es decir, si hacemos ondas en el campo de Higgs, deberíamos ver partículas asociadas) hasta 2012, cuando los investigadores del CERN en el LHC informaron de su descubrimiento. La partícula se comportó exactamente de la manera predicha por el modelo. La partícula de Higgs tiene una vida muy corta, de unos 10-22 segundos.  

Este fue el último pilar de la universo. Este descubrimiento fue importante porque este campo es responsable de lo que llamamos masa en el universo.  

Las propiedades de las partículas (como la carga eléctrica y la masa) son afirmaciones sobre cómo interactúan sus campos con otros campos.  

Es la interacción de los campos presentes en el universo que dan lugar a propiedades como masa, carga, etc. de diferentes partículas que experimentamos. Por ejemplo, la propiedad que llamamos carga eléctrica de un electrón es una afirmación sobre cómo interactúa el campo de los electrones con el campo electromagnético. De manera similar, la propiedad de su masa es la afirmación sobre cómo interactúa con el campo de Higgs.

Realmente era necesario comprender el campo de Higgs para entender el significado de masa en el universo. El descubrimiento del campo de Higgs también fue la confirmación del modelo estándar que estaba en vigor desde la década de 1970.

Los campos cuánticos y la física de partículas son campos de estudio dinámicos. Desde el descubrimiento del campo de Higgs, se han producido varios desarrollos relacionados con el modelo estándar. La búsqueda de respuestas a las limitaciones del modelo estándar continúa.

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Fuentes:  

The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe - con David Tong. Disponible en línea en https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Periodista científico | Editor fundador de la revista Scientific European

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