場の量子理論: すべては場である

現実のフィールド

場の量子論の紹介

無限に小さい粒子の世界における物質とその挙動について話したいとき、私たちは場の量子論にアプローチします。場の量子理論は素粒子物理学を理解するのに役立ちます。特定の状況では、時空の一部に入る粒子の数は変動し、出ていく粒子の数とは異なります。
たとえば、初期状態の原子が最終状態で原子と 1 つの光子を加えた場合、粒子の数は変化します。つまり、真空から光子が突然出てきて、電磁場に現れたのです。量子論は、現実世界ではすべてが「場」であることを教えてくれます。

宇宙のエネルギーのフィールド、サポート

私たちは、驚くべき特徴を持った複数の多様な分野に自分自身の深みにどっぷりと浸かっています。場は物理学の基本的な概念であり、他のもので構成されているのではなく、それ自体が現実世界を構成しています。フィールドは、原子から大きな銀河構造に至るまで、宇宙のあらゆるもののエネルギーを運びます。
磁気、重力、核力、光、物質、その他多くの物理現象は場によって運ばれます。最も驚くべきことは、私たちを構成する物質自体が一連のフィールドで構成されていることです。電子や陽子も場なので、私たちは直観を逃れた場で構成されています。
言い換えれば、私たちはフィールドに浸された幽霊のような量子粒子の集合体でできています。これらの場は、粒子のエネルギーを周囲の利用可能な空間全体に運びます。

フィールド内のインタラクションとパーティクル

場の概念があると、物事の本質のビジョンは圧倒的であり、現実は奇妙になり、私たちの主要な五感から逃れます。現実は単に物質の存在によって説明されるのではなく、現実の物体と低エネルギー量子場の仮想物体との間の交換や相互作用によっても説明されます。
量子の世界では、すべての標準モデルの粒子、フェルミ粒子、ボソンは場の振動から出現します。これは、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) のような粒子加速器がどのように動作するかの基本概念でもあります。科学者が粒子を見たいとき、エネルギーが問題の粒子と一致する衝突を引き起こします。
クォークと電子は通常の物質を構成していますが、絶対零度 (-273.15°C) を超える物質は放射線、つまりフィールド内を伝わる光を放出します。チャクタイプドフェルミオン、チャクタイプドボソン、ソンプロプレチャンプ。チャンピオンを興奮させるためには、粒子を考慮する必要があります。

波動粒子の二重性と直観

光の「波動と粒子の二重性」は、1929 年にフランスの数学者で物理学者のルイ・ド・ブロイ (Louis de Broglie、1892 年 - 1987 年) によって電子に拡張され、その後すべての粒子に拡張されました。しかし、私たちの心は直観を養い、概念を表現するために世界のイメージを必要とします。
しかし、量子と私たちが存在する量子場のセットを概念化するのは簡単ではありません。すべては「場」ですが、泡立ち、荷電した動的システムである量子場はすべて、自然の 2 つの基本的な場である重力場または電磁場の一部です。

フィールドとは何ですか?

一般的な定義

物理学では、フィールドとは、多数のオブジェクトを含むシステム内でリンクされた 3 つの要素です。区切られた空間の一部、測定可能な物理量、および空間の一部を物理量に結び付ける関係。言い換えれば、フィールドは物理量、つまり空間の一部の各点が対応または関数によって物理量に関連付けられている機器を使用して定量化できる測定可能なオブジェクトで満たされます。たとえば、大気圧、気温、風速だけでなく、雨、磁気、重力、放射能もフィールドで表すことができます。

スカラーフィールドとベクトルフィールド

フィールドはスカラーまたはベクトルです。
スカラー場は単純な量で測定できます。たとえば、温度や質量は物理量によって定義され、単一の値によって完全に測定できます。
ベクトル場はベクトル量、つまり単一の値では十分ではない量に関連付けられます。また、向き、つまり風速フィールドの場合のように方向と方向も必要です。

フィールドの表現とエネルギー

フィールドをどのように表現するか?
スカラーフィールドの場合は、温度フィールドまたは圧力フィールドと同様に、値が同じスペースを表すだけで十分です (1 番目と 3 番目のサムネールを参照)。
ベクトル場の場合、風向フィールドや磁場のように、各点が接線フィールドベクトルである磁力線を表現するだけで十分です (2 番目と 4 番目のサムネールを参照)。
場のエネルギーが空間に消えていきます。放送局が発生する電磁場の外では受信できなくなるのはこのためです。電磁場が突然遮断されると、火花が生成されます (電磁場にはエネルギーが含まれています)。

量子場

量子物理学では、量子粒子は微粒子ではなく、ヒルベルト空間の状態ベクトルで表される数学的量であるため、微粒子の概念は使用されません。この概念は直感や私たちのビジョンから逃れます。

量子場はすべての空間を満たします。これは亜原子粒子のベクトル場であり、その大きさは量子化され (有限の値セットで取得され)、その関係は波動関数 (状態ベクトル) です。これにより、システム内のすべての情報を知ることが可能になり、あらゆる粒子に波に特有の干渉特性を与えることができます。
量子の世界では、基底（励起されていない）状態にあるすべての粒子は波です。
ハドロンの場は、空の空間で現れたり消えたりしながら動き回る仮想粒子、パートン (グルーオンとクォーク) です。
弱い核力によって運ばれる場を、W ボソンと Z ボソンが横切ります。
電磁場は光子によって横断されます。
重力は非常に弱い力であるため、重力場は「重力子」（まだ発見されていません）によって横断されます。
したがって、物質の仮想粒子と現実粒子はこれらの泡立つフィールドに浸り、そのエネルギーを時々伝達します。これが科学者が衝突型加速器で引き起こす現象です。衝突型加速器内で電子と陽電子が出会うと、電子と陽電子は互いに消滅し、そのエネルギーが満ち溢れる真空に転送されます。このエネルギーは実際の物質粒子を生成し、それが虚空から出現し、コンピューター画面上に数「瞬間」表示されます。

場のエネルギーと周波数

したがって、場はすべての空間を占める泡立ちシステム、うねり、振動、発振、波長、つまり周波数を持つ波です。
Max Planck (1858 − 1947) の式 e=hν のおかげで、場にもエネルギーがあります (e は動くもののエネルギー、h はプランク定数、ν はギリシャ文字の nu、周波数)。この値のペア、エネルギーと周波数は、空間の各点のフィールドを特徴付けます。空間内の各点では、粒子の出現または消滅が可能になります。