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De quoi sommes-nous finalement constitués ? Quels sont les blocs de construction fondamentaux de l'univers?

Les anciens pensaient que nous étions constitués de quatre « éléments » : l'eau, la terre, le feu et l'air ; dont nous savons maintenant qu'ils ne sont pas des éléments. Actuellement, il y a environ 118 éléments. Tous les éléments sont constitués d'atomes que l'on croyait autrefois indivisibles. Au début du XXe siècle, suite aux découvertes de JJ Thompson et Rutherford, on savait que les atomes étaient constitués de noyaux (faits de protons et de neutrons) au centre et d'électrons en orbite autour. Dans les années 1970, on savait que les protons et les neutrons ne sont pas fondamentaux non plus, mais sont constitués de « quarks up » et de « quarks down », faisant ainsi des « électrons », des « quarks up » et des « quarks down » les trois constituants les plus fondamentaux de tout. dans l'univers. Avec les développements révolutionnaires de la physique quantique, nous avons appris que les particules sont en fait des dérivés, les faisceaux ou paquets d'énergie dans les champs impliquant des particules ne sont pas fondamentaux. Ce qui est fondamental, c'est le champ qui les sous-tend. Nous pouvons maintenant dire que les champs quantiques sont les éléments constitutifs fondamentaux de tout dans l'univers (y compris les systèmes biologiques avancés comme nous). Nous sommes tous constitués de champs quantiques. Les propriétés des particules, comme la charge électrique et la masse, sont des déclarations sur la façon dont leurs champs interagissent avec d'autres champs. Par exemple, la propriété que nous appelons charge électrique d'un électron est une déclaration sur la façon dont le champ des électrons interagit avec le champ électromagnétique. Et. la propriété de sa masse est la déclaration sur la façon dont elle interagit avec le champ de Higgs.  

Depuis l'Antiquité, les gens se demandent de quoi nous sommes faits ? De quoi est composé l'univers ? Quels sont les éléments constitutifs fondamentaux de la nature ? Et quelles sont les lois fondamentales de la nature qui régissent tout dans l'univers ? modèle standard de la science est la théorie qui répond à ces questions. On dit que c'est la théorie réussie de la science jamais construite au cours des derniers siècles, une théorie unique qui explique la plupart des choses dans l'univers.  

Les gens ont su très tôt que nous sommes faits d'éléments. Chaque élément, à son tour, est composé d'atomes. Au départ, on pensait que les atomes sont indivisibles. Cependant, en 1897, JJ Thompson a découvert des électrons en utilisant une décharge électrique à travers un tube à rayons cathodiques. Peu de temps après, en 1908, son successeur Rutherford a prouvé, grâce à sa célèbre expérience sur la feuille d'or, qu'un atome a un minuscule noyau chargé positivement au centre autour duquel des électrons chargés négativement tournent en orbite. Par la suite, il a été découvert que les noyaux sont constitués de protons et de neutrons.  

Dans les années 1970, on a découvert que les neutrons et les protons ne sont pas indivisibles et donc pas fondamentaux, mais chaque proton et neutron sont constitués de trois particules plus petites appelées quarks qui sont de deux types - « quarks up » et « quarks down » (« up quark" et "down quark" sont simplement des quarks différents. Les termes "up" et "down" n'impliquent aucune relation avec la direction ou le temps). Les protons sont composés de deux « quarks up » et d'un « quark down », tandis qu'un neutron est composé de deux « quarks down » et d'un « quark up ». Ainsi, les « électrons », les « quarks up » et les « quarks down » sont les trois particules les plus fondamentales qui constituent les éléments constitutifs de tout dans l'univers. Cependant, avec les progrès de la science, cette compréhension a également changé. Les champs s'avèrent fondamentaux et non des particules.  

Les particules ne sont pas fondamentales. Ce qui est fondamental, c'est le champ qui les sous-tend. Nous sommes tous constitués de champs quantiques

Selon la compréhension actuelle de la science, tout dans l'univers est composé d'entités abstraites invisibles appelées «champs» qui représentent les éléments fondamentaux de la nature. Un champ est quelque chose qui est répandu dans l'univers et prend une valeur particulière à chaque point de l'espace qui peut changer avec le temps. C'est comme des ondulations de fluide qui se balancent à travers l'univers, par exemple, les champs magnétiques et électriques se propagent à travers l'univers. Bien que nous ne puissions pas voir les champs électriques ou magnétiques, ils sont réels et physiques comme en témoigne la force que nous ressentons lorsque deux aimants se rapprochent. Selon la mécanique quantique, les champs sont considérés comme continus contrairement à l'énergie qui est toujours morcelée en quelques morceaux discrets.

La théorie quantique des champs est l'idée de combiner la mécanique quantique aux champs. Selon cela, le fluide électronique (c'est-à-dire les ondulations des ondes de ce fluide) est lié à de petits faisceaux d'énergie. Ces faisceaux d'énergie sont ce que nous appelons des électrons. Ainsi, les électrons ne sont pas fondamentaux. Ce sont les ondes du même champ sous-jacent. De même, les ondulations des deux champs de quarks donnent naissance à des « quarks up » et à des « quarks down ». Et il en va de même pour toutes les autres particules de l'univers. Les champs sous-tendent tout. Ce que nous considérons comme des particules sont en fait des ondes de champs liées à de petits faisceaux d'énergie. Les blocs de construction fondamentaux de base de notre univers sont ces substances fluides que nous appelons champs. Les particules ne sont que des dérivés de ces champs. Dans le vide pur, lorsque les particules sont complètement éliminées, les champs existent toujours.   

Les trois champs quantiques les plus élémentaires de la nature sont « l'électron », le « quark up » et le « quark down ». Il en existe un quatrième appelé neutrino, cependant, ils ne nous constituent pas mais jouent un rôle important ailleurs dans l'univers. Les neutrinos sont partout, ils traversent tout partout sans interagir.

Champs de matière: Les quatre champs quantiques de base et leurs particules associées (c'est-à-dire « électron », « quark up », « quark down » et « neutrino ») forment le socle de l'univers. Pour des raisons inconnues, ces quatre particules fondamentales se reproduisent deux fois. Les électrons reproduisent « muon » et « tau » (qui sont respectivement 200 fois et 3000 fois plus lourds que les électrons) ; les quarks up donnent naissance au « quark étrange » et au « quark bottom » ; les quarks down donnent naissance au « quark charme » et au « quark top » ; tandis que le neutrino donne naissance au « neutrino muon » et au « neutrino tau ».  

Ainsi, il y a 12 champs qui donnent naissance à des particules, nous les appelons champs de matière.

Vous trouverez ci-dessous la liste des 12 champs de matière qui composent 12 particules dans l'univers.  

Champs de force: Les 12 champs de matière interagissent les uns avec les autres à travers quatre forces différentes - la gravité, électromagnétisme, forces nucléaires puissantes (ne fonctionnent qu'à petite échelle du noyau, maintiennent les quarks ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons) et forces nucléaires faibles (fonctionnent uniquement à petite échelle du noyau, responsable de la désintégration radioactive et initient la fusion nucléaire). Chacune de ces forces est associée à un champ – la force électromagnétique est associée à champ de gluons, les champs associés aux forces nucléaires fortes et faibles sont Champ de bosons W et Z et le champ associé à la pesanteur est espace-temps elle-même.

Vous trouverez ci-dessous la liste des quatre champs de force associés à quatre forces.    

force électromagnétique  champ de gluons 
Forces nucléaires fortes et faibles champ de boson w & z 
la gravité  espace-temps  

L'univers est rempli de ces 16 champs (12 champs de matière plus 4 champs associés à quatre forces). Ces champs interagissent ensemble de manière harmonieuse. Par exemple, lorsque le champ d'électrons (l'un des champs de matière) commence à onduler de haut en bas (parce qu'il y a un électron là-bas), cela déclenche l'un des autres champs, disons le champ électromagnétique qui, à son tour, va aussi osciller et onduler. Il y aura de la lumière qui est émise donc qui va osciller un peu. À un moment donné, il commencera à interagir avec le champ de quarks, qui à son tour oscillera et ondulera. L'image finale avec laquelle nous nous retrouvons est la danse harmonieuse entre tous ces domaines, imbriqués les uns dans les autres.  

Champ de Higgs

Dans les années 1960, un autre champ a été prédit par Peter Higgs. Dans les années 1970, cela est devenu partie intégrante de notre compréhension de l'univers. Mais il n'y avait aucune preuve expérimentale (c'est-à-dire que si nous faisons onduler le champ de Higgs, nous devrions voir des particules associées) jusqu'en 2012, lorsque les chercheurs du CERN au LHC ont rapporté sa découverte. La particule s'est comportée exactement de la manière prédite par le modèle. La particule de Higgs a une durée de vie très courte, d'environ 10-22 secondes.  

C'était le dernier bloc de construction de l'univers. Cette découverte était importante car ce champ est responsable de ce que nous appelons la masse dans le univers.  

Les propriétés des particules (comme la charge électrique et la masse) sont des déclarations sur la façon dont leurs champs interagissent avec d'autres champs.  

C'est l'interaction des champs présents dans l'univers qui donne naissance à des propriétés telles que la masse, la charge, etc. des différentes particules que nous connaissons. Par exemple, la propriété que nous appelons charge électrique d'un électron est une déclaration sur la façon dont le champ des électrons interagit avec le champ électromagnétique. De même, la propriété de sa masse est la déclaration sur la façon dont elle interagit avec le champ de Higgs.

Une compréhension du champ de Higgs était vraiment nécessaire pour que nous comprenions la signification de la masse dans l'univers. La découverte du champ de Higgs a également été la confirmation du modèle standard qui était en place depuis les années 1970.

Les champs quantiques et la physique des particules sont des domaines d'étude dynamiques. Depuis la découverte du champ de Higgs, plusieurs développements ont eu lieu qui ont des incidences sur le modèle standard. La quête de réponses aux limites du modèle standard se poursuit.

*** 

Sources:  

The Royal Institution 2017. Champs quantiques : les vrais blocs de construction de l'univers – avec David Tong. Disponible en ligne sur https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Journaliste scientifique | Rédacteur fondateur, magazine Scientific European

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