Korte beschrijving van de fundamenten van de realiteit - kwantumvelden

Vanuit ons menselijk evolutionair biologisch perspectief - de wereld bestaat uit kleine deeltjes die samenkomen in meer complexe structuren (van atomen, door moleculen van chemische verbindingen tot structuren zichtbaar voor het blote oog en zelfs megstructuren zoals planeten en sterren). Maar wanneer we deze microkosmos onderzoeken, begint dit perspectief geleidelijk aan te vervagen en hebben we steeds meer moeite met het bepalen of materie deeltjes of golven zijn. De meeste van wat een mens tegenkomt, kan worden teruggebracht tot: protonen, elektronen, neutronen, fotonen (waarbij protonen en neutronen een complexe structuur hebben, waarover later meer zal worden verteld). Dus waar we (algemeen) mee in aanraking komen - we hebben het weten terug te brengen tot 4 elementen. Onze voorouders (uit de 19e eeuw) wisten dit niet. Voor hen was de wereld opgebouwd uit tientallen soorten atomen (afhankelijk van hoe ver we historisch teruggaan, veranderde dit beeld uiteraard voortdurend). Onze voorouders begrepen bijna niets van alles wat ze aanraakten. Wij bevinden ons in een andere situatie. Er zijn echter slechts weinig "materiële" zaken waar we echt geen begrip van hebben, zoals donkere materie en donkere energie, die in essentie geen directe rol spelen in ons leven - hun rol wordt pas waargenomen op de schalen van sterrenstelsels en het universum. Protonen en neutronen bleken een interne structuur te hebben in de vorm van bovenste en onderste quarks die zich lijken te bevinden als in een "soep" van gluonen. Dit is echter een vereenvoudigd beeld (de nieuwste simulaties met behulp van AI en alle resultaten van de experimenten die de mensheid heeft uitgevoerd - suggereren dat het proton ook bestaat uit een charmant quark), maar we blijven vooruitgaan. Het is tijd om af te stappen van de deeltjesbenadering en over te gaan op golven - of liever gezegd op kwantumvelden. Een golf is een tussenaanzicht tussen deeltjes en kwantumvelden. De deeltjes, waarvan de interne structuren ondanks vele experimenten niet konden worden onderzocht, worden beschouwd als elementaire deeltjes. Dit zijn: - bosonen, ook wel bekend als deeltjes van interacties (zoals fotonen, gluonen en andere bosonen), - quarks, de deeltjes die materie massa geven (die proton en neutron vormen) - leptonen, de deeltjes die materie aanvullen met een klein deel massa (zoals elektron en neutrino). Alle deeltjes hebben hun antideeltjes. Het bestaan van antideeltjes past perfect in de kwantumveldentheorie (QFT). Als we het juiste veld stimuleren, kunnen we het waarnemen als een deeltje en zal de tegenovergestelde stimulatie een antideeltje produceren. Deeltjes in QFT zijn slechts het resultaat van de interactie van het onderzochte kwantumveld met het kwantumveld dat we gebruiken als meetinstrument. Als we een kwantumveld (in de vorm van een deeltje zoals een elektron of foton) richten op een ander kwantumveld (dat wordt onderzocht), zal het effect van de interactie ons een resultaat geven in de vorm van een eigenschap van het onderzochte kwantumveld. Maar het kan ook voorkomen dat we geen resultaat krijgen. Als we hetzelfde experiment vele malen herhalen, kunnen we statistische eigenschappen van het onderzochte veld bepalen, zoals de waarschijnlijkheid van interactie, die we de waarschijnlijkheid van het bestaan van een deeltje op die specifieke locatie noemen. Het gaat echter altijd om de interactie van twee of meer velden. In die zin bestaan de deeltjes niet. Alleen de kwantumvelden bestaan. De realiteit in het licht van QFT heeft geen materieel karakter. Dit materiële alledaagse karakter, dat we waarnemen, verschijnt pas wanneer er zo veel interacties plaatsvinden dat de directe rol van het halve karakter van de realiteit wordt verminderd. Het is nog steeds onbekend wat de exacte aard is van kwantumvelden. De naam "veld" komt van een gewoon boerenlandveld. We weten slechts dat we op een onvolmaakte manier de distributie van sommige velden in de ruimte kunnen meten en dat dit experimenteel zeer goed werkt. Sommige metingen komen tot 15 decimalen overeen met de theorie. Of beter gezegd, met de simplificaties van de theorie - omdat in de overgrote meerderheid van de gevallen de berekeningen te moeilijk zijn en we alleen in staat zijn om ze vrij nauwkeurig te benaderen met behulp van perturbatieve berekeningen. We zijn niet in staat om exacte analytische oplossingen te verkrijgen. Over het algemeen wordt aangenomen dat er de volgende kwantumvelden bestaan: - 6 kwarkvelden - 6 leptonvelden - 8 gluonvelden (sterke interactie) - het Higgs-veld - het EM-veld - voor fotonen - het bozon W-veld (zwakke interactie) - het bozon Z-veld (zwakke interactie). Samen vormen deze 24 kwantumvelden de gehele meetbare realiteit in de microkosmos. Maar deze verdeling kan ook anders zijn. Als er kwantumzwaartekracht bestaat, zou dat leiden tot een notering van 25 velden. Als we er echter van uitgaan dat er slechts één gluonveld is, dan worden het er 17. Als we daarnaast de bozonvelden W en Z (zwakke interactie) unificeren met de elektromagnetische interactie, blijven er 15 over. Als we veronderstellen dat de volgende generaties quarks en leptonen ook kunnen worden verenigd omdat ze alleen verschillen in hun interactie met het Higgs-veld, dan houden we er 7 over. Bij volledige unificatie waarop de mensheid kan rekenen, kunnen we het aantal kwantumvelden terugbrengen naar 7. Of dit het geval is, weet niemand nog. Het zou echter een vrij interessante prestatie zijn: alles waarmee we te maken hebben terugbrengen tot 7 kwantumvelden. Op voorwaarde dat donkere materie en donkere energie eerder een gevolg zijn van tekortkomingen in onze zwaartekrachtstheorie dan een tekortkoming in het Standaardmodel. Er zijn aanwijzingen voor zowel tekortkomingen in de zwaartekrachttheorie van Einstein, als voor een nieuwe onbekende interactie die ons ontgaat en die het Standaardmodel zou aanvullen. Dus er liggen nog heel wat dingen voor ons. Maar ik zou niet te opgewonden raken. Onze voorouders begrepen 99,99% van de basisprincipes van wat hen omringde niet. Wij begrijpen 99,99% van onze omgeving. Onze voorouders kenden de sterke interactie niet - die het sterkst is op kleine schalen. Wij kennen dat wel. Als iets voor ons verborgen blijft, kan dat niet sterk zijn. En als wat we niet kennen zwak is, heeft het slechts een geringe invloed op ons dagelijks leven. Het kan zich natuurlijk manifesteren op de schalen van sterrenstelsels (net als zwaartekracht) met enorme kracht.