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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. Il existe actuellement quelque 118 éléments. Tous les éléments sont constitués d’atomes que l’on croyait autrefois indivisibles. Au début du XXe siècle, après les découvertes de JJ Thompson et de Rutherford, on savait que les atomes étaient constitués de noyaux (constitués 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 non plus fondamentaux 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 toute chose. dans le univers. Grâce aux développements révolutionnaires de la physique quantique, nous avons appris que les particules sont en réalité 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 domaine qui les sous-tend. Nous pouvons désormais dire que les champs quantiques sont les éléments fondamentaux de tout ce qui se passe dans le monde. univers (y compris les systèmes biologiques avancés comme nous). Nous sommes tous constitués de champs quantiques. Les propriétés des particules, telles que 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 manière dont le champ électronique 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 constitués ? Quel est le univers composé de ? Quels sont les éléments fondamentaux de la nature ? Et quelles sont les lois fondamentales de la nature qui régissent tout dans le univers? modèle standard La science est la théorie qui répond à ces questions. On dit que c’est la théorie scientifique à succès jamais construite au cours des derniers siècles, une théorie unique qui explique la plupart des choses dans le monde. univers.  

Les gens savaient très tôt que nous étions constitués d’éléments. Chaque élément, à son tour, est constitué d’atomes. Au départ, on pensait que les atomes étaient indivisibles. Cependant, en 1897, JJ Thompson a découvert les électrons en utilisant une décharge électrique à travers un tube cathodique. Peu de temps après, en 1908, son successeur Rutherford prouva, grâce à sa célèbre expérience sur la feuille d'or, qu'un atome possède au centre un minuscule noyau chargé positivement autour duquel tournent des électrons chargés négativement. orbites. 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 non fondamentaux, mais que chaque proton et neutron sont constitués de trois particules plus petites appelées quarks qui sont de deux types – « quarks up » et « quarks down » (« quarks down »). quark up » et « quark down » sont simplement des quarks différents. Les termes « up » et « down » n'impliquent aucune relation avec la direction ou le temps). Les protons sont constitués de deux « quarks up » et d'un « quark down », tandis qu'un neutron est constitué 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 ce qui se trouve dans le monde. univers. Cependant, avec les progrès de la science, cette compréhension a également changé. Les champs se révèlent être 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 ce qui se trouve dans le univers est constitué d'entités abstraites invisibles appelées « champs » qui représentent les éléments fondamentaux de la nature. Un champ est quelque chose qui s'étend sur univers et prend une valeur particulière en chaque point de l'espace qui peut changer avec le temps. C'est comme des ondulations de fluide qui se balancent à travers le univers, par exemple, les champs magnétiques et électriques sont répartis à travers le 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, on pense que les champs sont continus, contrairement à l’énergie qui est toujours regroupée 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 vagues de ce fluide) est lié en petits faisceaux d'énergie. Ces faisceaux d’énergie sont ce que nous appelons des électrons. Les électrons ne sont donc pas fondamentaux. Ce sont les vagues du même champ sous-jacent. De même, les ondulations des deux champs de quarks donnent naissance à des « quarks up » et des « quarks down ». Et il en va de même pour toutes les autres particules du univers. Les champs sont à la base de tout. Ce que nous considérons comme des particules sont en réalité des vagues de champs liées en petits faisceaux d’énergie. Les éléments 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 fondamentaux dans 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 le monde. univers. Les neutrinos sont partout, ils traversent tout partout sans interagir.

https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fast-radio-burst-frb-20220610a-originated-from-a-novel-source/Champs de matière: Les quatre champs quantiques de base et leurs particules associées (à savoir, « électron », « quark up », « quark down » et « neutrino ») forment le fondement du univers. Pour des raisons inconnues, ces quatre particules fondamentales se reproduisent deux fois. Les électrons reproduisent le « muon » et le « tau » (qui sont respectivement 200 fois et 3000 XNUMX 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 les neutrinos donnent naissance aux « neutrinos muoniques » et aux « neutrinos 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 de 12 champs de matière qui composent 12 particules dans le 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  

Le 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 électronique (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 également osciller et onduler. Il y aura de la lumière qui sera émise et qui oscillera un peu. À un moment donné, il commencera à interagir avec le champ des quarks, qui à son tour oscillera et ondulera. L'image finale avec laquelle nous nous retrouvons est la danse harmonieuse entre tous ces champs, imbriqués les uns dans les autres.  

Champ de Higgs

Dans les années 1960, un autre domaine a été prédit par Peter Higgs. Dans les années 1970, cela est devenu partie intégrante de notre compréhension de la univers. Mais il n’y avait aucune preuve expérimentale (ce qui signifie 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 leur 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.  

Ce fut le dernier élément constitutif du univers. Cette découverte était importante car ce domaine 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 le univers qui donnent naissance à des propriétés telles que la masse, la charge, etc. des différentes particules que nous expérimentons. Par exemple, la propriété que nous appelons charge électrique d’un électron est une déclaration sur la manière dont le champ électronique interagit avec le champ électromagnétique. De même, la propriété de sa masse indique comment elle interagit avec le champ de Higgs.

Une compréhension du champ de Higgs était vraiment nécessaire pour comprendre la signification de la masse dans le univers. La découverte du champ de Higgs a également confirmé le modèle standard en vigueur 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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