¿Cómo existe más de una de cada partícula elemental y qué las hace diferentes unas de otras?

La comprensión moderna de las partículas se basa en la teoría cuántica de campos. Según esta teoría, cada partícula es una excitación cuantificada de un campo cuántico local que impregna todo el universo en cada punto del espacio-tiempo. Hay 25 de estos campos cuánticos en el modelo estándar: 12 para la materia (fermiones) y 13 para la radiación (bosones). Todos estos campos son únicos y cada uno da lugar a una partícula única que se puede distinguir de cualquier otro tipo de partícula por su giro, carga o masa. Por eso existen diferentes tipos de partículas en nuestro universo y por eso, por ejemplo, un electrón es distinto de un muón, etc.

Para un campo cuántico dado, uno puede tener tantas partículas como desee. Todo lo que se necesita es la cantidad mínima de energía para excitar el campo a un nivel superior al nivel del estado fundamental para crear una partícula. Una vez que esta energía esté disponible, una partícula entraría en existencia. Ahora esa partícula elemental puede tener una vida extremadamente corta con un tiempo de vida de menos de un pico de segundo (tau lepton) o puede tener un tiempo de vida que exceda la vida del universo en varios órdenes de magnitud (electrón).

En el caso de los fermiones, las partículas obedecerían el principio de exclusión de Pauli y no más de una partícula puede ocupar un estado cuántico dado. Bajo condiciones extremas, todos los fermiones en un sistema dado pueden hacer una configuración donde todos los estados cuánticos distintos del sistema están ocupados. Un ejemplo fascinante es un gas degenerado de litio de 6 átomos a muy bajas temperaturas y densidades. Otro ejemplo es un gas de neutrones a densidades extremadamente altas que conducen a un condensado. Este condensado se conoce como la estrella de neutrones. Aunque un neutrón es una partícula compuesta hecha de 3 quarks, también puede actuar como un solo fermión en el límite de baja energía.

Los bosones, por otro lado, no obedecen el principio de exclusión de Pauli y todos los bosones de un tipo dado pueden, en teoría, ocupar el mismo estado cuántico conocido como condensado de Bose-Einstein. Un ejemplo espectacular de esto es un láser, un condensado de fotones Bose-Einstein. Otro ejemplo es el condensado de Bose-Einstein de átomos de hidrógeno, sodio o rubidio a temperaturas y densidades extremadamente bajas donde el átomo completo actúa como un bosón también en el límite de energía baja.

Imagine un cable delgado y largo que se une en dos puntos y se estira bien.

Si lo arrancas y lo sueltas, vibrará. Puede vibrar simultáneamente en dos planos ortogonales diferentes, y puede tener múltiples modos de vibración en cada plano:

Si se excita adecuadamente, incluso puede exhibir un comportamiento similar al de “paquete de ondas”: al arrancar el cable en un extremo se enviaría un frente de onda localizado en su longitud al otro extremo.

Ese es básicamente un modelo de baja dimensión de la teoría cuántica de campos. Nuestro cable tiene una dimensión de tiempo, una dimensión de espacio y dos dimensiones “internas” de valor real (o, equivalentemente, una dimensión interna de valor complejo) con simetría rotacional (que, en jerga de física, se describiría como U (1) grupo de simetría). La teoría del campo cuántico tiene una dimensión temporal, tres dimensiones espaciales y cinco dimensiones internas de valor complejo. Las diferentes dimensiones internas corresponden a diferentes partículas (dado que el cable puede vibrar en múltiples dimensiones a la vez, puede tener múltiples partículas diferentes en el mismo lugar), y diferentes excitaciones en el mismo plano / dimensión interna corresponden a diferentes números, coordenadas y momentos de partículas Hay cinco dimensiones internas que corresponden a tres colores de quark, leptones cargados y neutrinos.

También puede observar que, en el modelo de cable, las diferentes dimensiones no son realmente independientes porque no puede tirar de dos puntos cercanos en el cable en diferentes direcciones. Por lo tanto, el cable tiene modos de vibración no planos (en sentido horario y antihorario). La colección de estos modos se denomina “campos de indicadores” y sus excitaciones se denominan “bosones de indicadores”. En el caso de la teoría del campo cuántico real, hay al menos 12 de estos (8 gluones, [matemáticas] W ^ +, W ^ -, Z ^ 0 [/ matemáticas] y fotón), formando el grupo de simetría SU (3 ) xSU (2) xU (1) (cada SU (n) contiene [math] n ^ 2-1 [/ math] campos y U (1) contiene uno). Es probable que el grupo de simetría sea realmente más grande, por ejemplo, puede ser SU (5), que es un superconjunto de SU (3) xSU (2) xU (1) pero con un total de 24 campos de calibre – 12 listados arriba y 12 que existen pero que aún no se observaron porque sus bosones medidores son muy pesados.

En el modelo de cable, los modos de rotación “conectan” los modos planos vertical y horizontal. En la teoría de campos cuánticos, los campos de medición también conectan diferentes tipos de partículas, y cada campo corresponde a un par de campos de fermiones; por ejemplo, los campos de bosones W conectan leptones cargados a neutrinos y quarks de tipo ascendente a quarks de tipo descendente.

Si tiene una objeción filosófica a la idea de que dos objetos sean separados e individuales, y sin embargo idénticos entre sí, ¡tiene suerte! En los modelos más actuales de física de partículas, las partículas no son ciudadanos ontológicos de primera clase. Los objetos fundamentales de estudio son los campos, y las partículas surgen solo condicionalmente, como un estado excitado de un campo. ¿Y esos campos? ¡Cada uno es único!

Personalmente, no tengo objeción en incluir objetos separados pero idénticos en una ontología. Eso es ciertamente lo que hizo la física de partículas antes de la invención de la teoría de campo cuántico, y quién sabe, tal vez tal modelo volverá a estar de moda algún día. Pero si te parece filosóficamente poco sólido, al menos por ahora, ¡puedes considerarte reivindicado!

Estoy de acuerdo con la mayoría de las respuestas. Solo agregaré que las partículas elementales tienen muchos números cuánticos diferentes además de la carga. ¡Estos tienen nombres caprichosos como extrañeza, encanto, verdad (belleza) (belleza), etc. En términos generales, pueden ser como la propiedad de los ojos, como el azul o el marrón o el color de la piel. Además, los quarks vienen con tres colores diferentes, otro nombre caprichoso para una propiedad cuántica. ¡La pregunta de por qué hay tantas partículas elementales con tantas propiedades distintas, sigue siendo un problema básico sin resolver y un premio nobel está esperando a esa persona que pueda resolver esto!

Los campos cuánticos crean partículas, y hay un campo cuántico para cada tipo de partícula que existe. Entonces, usted tiene, por ejemplo, un campo de quark up rojo, que solo puede crear o destruir quarks up rojos, que son idénticos entre sí. Los campos también son una función de posición y tiempo, que especifica dónde y cuándo se crea (o destruye) la partícula. Por lo tanto, existen partículas idénticas en diferentes posiciones.

Los diagramas de Feynman representan la creación, propagación y destrucción de estas partículas.

Los físicos teóricos no entienden cómo se crean las partículas o cómo cada partícula crea sus campos de energía. Sí, hablan de la vibración del vacío, pero no tienen idea de qué es el vacío. Entonces, en esencia, cuando los físicos teóricos hablan, también podrían estar diciendo que una partícula es el temblor de una cosa de ma-jing.

La Teoría de todo de Gordon comienza con la definición del componente básico del espacio-tiempo y muestra cómo y por qué estos componentes deben alinearse para crear el espacio-tiempo que conocemos con las propiedades de tres dimensiones espaciales.

Luego muestra que solo durante el Big Bang fueron estas entidades que crearon el espacio-tiempo (digo entidades y no partículas porque las partículas existen “en” el espacio-tiempo mientras que las entidades existen “como” espacio-tiempo) capaces de dar un salto en su Energía Gordon. Estado creando partículas de luz. Algunos de estos fotones primordiales en las condiciones que solo existían en el momento del Big Bang

pudimos dar el salto al siguiente estado de energía de Gordon y crear las primeras partículas que contienen masa.

Los físicos piensan que las partículas son vibraciones del vacío, pero la teoría de todo de Gordon muestra que el vacío es un medio energético y que la energía de las partículas “en” el medio energético produce una interacción de la energía de la partícula con la energía del medio de energía subyacente del espacio-tiempo. . Es esta interacción la que crea los campos de energía de una partícula.

La clave de estas interacciones es que una vez que el espacio-tiempo se estabiliza en su alineación de red 3D actual, la energía del espacio-tiempo ya no puede convertirse en la energía de una partícula y la energía de una partícula ya no puede convertirse en la energía del espacio-tiempo. (Por cierto, es esta separación de energía la responsable de lo que los físicos llaman dimensiones ocultas, pero esa es otra lección por completo)

Además, resulta que existe una jerarquía de energía en el universo donde la mayor parte de la energía anterior al Big Bang permaneció en forma del medio de energía espacio-temporal. Solo un pequeño porcentaje de energía dio el salto a estados de energía Gordon más altos.

La pequeña ecuación que une las energías del universo y la clave de la teoría del todo de Gordon es

Donde G solo puede tener tres valores. Cuando G = 2, E2 es la energía de la materia. Cuando G = 1, E1 es la energía de la luz. Cuando G = 0, E0 es la energía del espacio-tiempo. Tenga en cuenta que c ^ 0 es 1, y no importa la energía E0 en nuestro espacio-tiempo subyacente, la velocidad de un fotón a través de ese espacio-tiempo siempre debe ser c ^ 1. Esta es la verdadera solución detrás del experimento de Michelson-Morley.

Entonces el medio existe, pero no se descubrió hasta la Teoría de todo de Gordon. En palabras de Mark Twain, “No es lo que no sabes lo que te mata, es lo que sabes con certeza que no es cierto”. Quiere saber las otras diez razones principales por las que los físicos no han descubierto la teoría de todo…

La teoría de todo … ¿Qué tardó tanto?

La respuesta corta es, no lo sabemos. La idea de que hay algún tipo de reglas de cuantificación (o algo similar) es casi seguro que es correcta, pero no está del todo claro qué se cuantifica. A primera vista, la carga eléctrica es, pero luego obtenemos quarks, con 1/3 e de carga base, y aunque estos pueden combinarse para obtener la carga unitaria, el electrón aparentemente no se ve comprometido por ninguna parte. Entonces, ¿cómo surge esto? En mi opinión, el giro se entiende razonablemente fácil en términos de un grado angular de libertad, y uno podría esperar un término radial correspondiente, pero si es así, ¿dónde / qué es?

Verá en otras respuestas que las partículas se explican como excitaciones de campos. Luego postulan 25 campos. Para mí, eso no parece fundamental. Tener un campo para cada partícula simplemente mueve el problema, y ​​lo que es peor, para mí no explica por qué algunos tienen vidas indefinidas (o infinitas), y algunas excitaciones decaen en tiempos increíblemente cortos. Peor aún, no hay más excitaciones, como los armónicos, o si los hay, no se comportan como esperamos. Si la masa de un electrón se debe a una sola excitación, ¿por qué no hay una doble excitación, que debería ser un simple múltiplo de la masa del electrón (o lo suficientemente cerca)? El siguiente problema, para mí, al considerar las partículas como excitaciones en un campo, es que la excitación se comporta como una onda estacionaria (o número de ondas). Hasta un punto que está bien: así es como veo girar, en una dimensión angular. Aquí hay un límite natural: después de 360 ​​grados se repite, por ejemplo, una onda sinusoidal. Pero, ¿cuál es la condición límite para el componente radial de la excitación? ¿Y por qué toma ese valor particular? Entonces, interactúa con el campo de Higgs, por ejemplo, pero ¿por qué interactúa exactamente de esa manera? ¿Por qué las masas de la partícula muón y tau son múltiplos raros particulares de la masa de electrones? En mi opinión, nos estamos perdiendo algo, y cuando resolvemos qué, podemos encontrar que un poco de la teoría restante necesita una revisión seria. En otras palabras, las partículas fundamentales siguen siendo un trabajo en progreso, y aunque eventualmente lo solucionaremos, puede resultar en más de una visita a Estocolmo.

Los quarks existen en trillizos por color y en pares de partículas / antipartículas. Debe cancelar el color mediante la adición de estilo RR o R + B + G.

Hay tres generaciones de cada uno de los cuatro tipos de partículas, lo que da doce tipos. La forma rectangular ordenada aquí sugiere que son de la forma AB, donde A y B son generaciones / propiedades.