Breve descrizione dei fondamenti della realtà - campi quantistici

Dal nostro punto di vista umano, che è il risultato dell'evoluzione biologica, il mondo è composto da piccole particelle che si combinano in strutture più complesse (dagli atomi, alle molecole di composti chimici, fino alle strutture visibili a occhio nudo e persino alle megastrutture come pianeti e stelle). Tuttavia, quando esaminiamo il microcosmo, questo punto di vista inizia a crollare e abbiamo sempre più difficoltà a determinare se la materia è composta da particelle o da onde. La maggior parte delle cose con cui veniamo in contatto può essere ridotta a: protoni, elettroni, neutroni, fotoni (con protoni e neutroni che hanno una struttura complessa, di cui parleremo più avanti). Quindi, ciò con cui veniamo a contatto comunemente - siamo riusciti a ridurlo a 4 elementi. I nostri antenati (del XIX secolo) non sapevano nulla di questo. Per loro, il mondo era composto da decine di tipi di atomi (a seconda di quanto indietro andiamo storicamente, ovviamente questa visione continuava a cambiare). I nostri antenati non capivano quasi niente di ciò che toccavano. Noi siamo in una situazione diversa. Nel caso delle "materie" materiali, realmente non comprendiamo solo la materia oscura e l'energia oscura che non svolgono un ruolo diretto significativo nella nostra vita - il loro ruolo è riconosciuto solo a livello galattico e cosmico. I protoni e i neutroni si sono rivelati avere una struttura interna sotto forma di quark up e down disposti come in una "zuppa" di gluoni. Questa è ancora un'immagine semplificata (simulazioni più recenti con l'uso di intelligenza artificiale e tutti i risultati degli esperimenti condotti dall'umanità suggeriscono che il protone è composto anche da un quark affascinante), ma stiamo continuando a procedere. È ora di passare dall'approccio particellare alle onde - o meglio ai campi quantici. L'onda è un punto di vista intermedio tra le particelle e i campi quantici. Le particelle il cui interno, nonostante numerosi esperimenti, non siamo stati in grado di studiare sono considerate particelle elementari fondamentali. Queste includono: bosoni, noti come particelle di interazione (come fotoni, gluoni e altri bosoni), quark, che sono particelle costituenti la massa della materia (che formano il protone e il neutrone), leptoni, che sono particelle che completano la materia con una piccola parte di massa (come elettroni e neutrini). Tutte queste particelle hanno le proprie antiparticelle. L'esistenza delle antiparticelle si inserisce perfettamente nella teoria quantistica dei campi (QFT). Se ad esempio possiamo osservare una particella come stimolo del campo, il suo stimolo opposto sarà l'antiparticella. Le particelle in QFT sono il risultato dell'interazione tra un campo quantistico studiato e il campo quantistico che usiamo come strumento di misurazione. Se indirizziamo un campo quantistico (sotto forma di particella come ad esempio un elettrone o un fotone) verso un altro campo quantistico (studiato), l'effetto dell'interazione ci fornirà un risultato sotto forma di affermazione di una determinata proprietà del campo quantistico studiato. Tuttavia, potrebbe anche verificarsi che non otteniamo alcun risultato. Se ripetiamo molte volte una misurazione, possiamo stabilire le proprietà statistiche del campo studiato, come ad esempio la probabilità di interazione, che chiameremo probabilità di esistenza di una particella in un dato luogo. In ogni caso, si tratta di un'interazione tra due o più campi. In questo senso, le particelle non esistono. Esistono solo campi quantistici. Secondo la QFT, la realtà non ha un carattere materiale. Il carattere materiale che osserviamo ogni giorno appare solo quando entra in gioco un così alto numero di interazioni, che il carattere dei campi quantici smette di svolgere un ruolo diretto. Non sappiamo esattamente quale sia la natura dei campi quantistici. Il nome stesso del campo proviene da un normale campo coltivato. Sappiamo solo di poter misurare in modo imperfetto la distribuzione dei valori di alcuni campi nello spazio e che ciò si adatta bene ai nostri esperimenti. Alcuni risultati delle misurazioni corrispondono fino al quindicesimo decimale alla teoria, o meglio agli accorgimenti della teoria - poiché nella stragrande maggioranza dei casi, i calcoli sono troppo complessi per noi e possiamo solo approssimarli abbastanza usando il calcolo perturbativo. Non siamo in grado di ottenere soluzioni analitiche precise. Si presume in generale che esistano i seguenti campi quantistici: 6 campi quark, 6 campi leptoni, 8 campi gluonici (interazione forte), campo di Higgs, campo EM - per i fotoni, campo dei bosoni W (interazione debole), campo del bosone Z (interazione debole). In totale, 24 campi quantistici costituiscono l'intera realtà misurabile nel microcosmo. Ma questa suddivisione può essere diversa. Se esiste una gravità quantistica, allora dovremmo aggiungere uno. Se assumiamo che ci sia solo un campo gluonico, 24 diventano 17. Se unifichiamo i campi dei bosoni W e Z (interazione debole) con l'interazione EM, rimangono 15. Se presumiamo che le generazioni successive di quark e leptoni siano anche unificabili, poiché differiscono solo per l'interazione con il campo di Higgs, avremo: 7. Con una piena unificazione su cui l'umanità può contare, potremmo ridurre il numero dei campi quantistici a 7. Se sarà così, nessuno lo sa ancora. Ma sarebbe un traguardo piuttosto interessante: ridurre tutto ciò con cui abbiamo a che fare a 7 campi quantistici* * assumendo che la materia oscura e l'energia oscura siano più il risultato di lacune nella nostra teoria della gravità che del Modello Standard. Ci sono indicazioni sia delle carenze nella teoria della gravità di Einstein che di una nuova interazione sconosciuta, che ci sfugge e che si integrerebbe con il Modello Standard. Quindi, ci sono ancora molte cose davanti a noi. Ma non consiglio di eccitarsi troppo. I nostri antenati non comprendevano il 99,99% delle basi di ciò che li circondava. Noi comprendiamo il 99,99% di ciò che ci circonda. I nostri antenati non conoscevano l'interazione forte - che è la più forte nelle piccole scale. Noi la conosciamo. Se qualcosa ci è nascosto, non può essere qualcosa di forte. E se ciò che non conosciamo è debole, ha un impatto trascurabile sulla nostra vita quotidiana. Può ovviamente manifestarsi su scala galattica (come la gravità) con una forza enorme.