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

LES SCIENCESLA PHYSIQUEDe 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 qu'ils ne sont pas des éléments et il y a maintenant quelque 118 éléments. Tous les éléments sont constitués d'atomes que l'on croyait autrefois indivisibles, mais au début du XXe siècle, après les découvertes de JJ Thompson et Rutherford, les atomes étaient connus pour être constitués de noyaux (constitués de protons et de neutrons) au centre et d'électrons en orbite. 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 tout. dans l'univers. Avec les développements révolutionnaires de la physique quantique, nous avons appris que les particules sont 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 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 façon dont le champ d'électrons interagit avec le champ électromagnétique. Et. la propriété de sa masse est l'énoncé sur la façon dont il interagit avec le champ de Higgs.  

Depuis l'Antiquité, les gens se demandent de quoi nous sommes constitués ? 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 ? Le modèle standard de la science est la théorie qui répond à ces questions. On dit que c'est la théorie de la science à succès 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, il a été 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". (Les quarks "up quark" et "down quark" sont simplement des quarks différents et n'ont aucune relation avec une direction ou un 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 et les éléments constitutifs de tout dans l'univers. Cependant, avec les progrès de la science, cette compréhension a également connu des changements. Les champs sont fondamentaux et non des particules, comme cela avait été envisagé auparavant.   

Selon la compréhension actuelle de la science, tout dans l'univers est composé d'entités abstraites invisibles appelées « champs », et qui représentent les éléments constitutifs fondamentaux de la nature. Un champ est quelque chose qui s'étend à travers 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 dans tout l'univers, par exemple, des 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 et, par exemple, sont mis en évidence par la force que nous ressentons lorsque deux aimants sont rapprochés.  

Les années 1920 avaient vu des changements révolutionnaires dans notre compréhension de l'univers. La mécanique quantique dit qu'au lieu d'être continue, l'énergie est toujours morcelée en quelques morceaux discrets. D'autre part, les champs sont considérés comme continus.  

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

La théorie quantique des champs est l'idée de combiner la mécanique quantique aux champs. Selon cela, le fluide électronique, les ondulations des ondes de ce fluide, sont liés en petits faisceaux d'énergie par les règles de la mécanique quantique, et ces faisceaux d'énergie sont ce que nous appelons la particule, l'électron. 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 au quark up et au quark down. Et il en va de même pour toutes les autres particules de l'univers. Il y a des champs qui sous-tendent tout. Ce que nous considérons comme des particules ne sont pas vraiment des particules, ce sont des ondes de ces champs liés en petits faisceaux d'énergie. Les éléments de base fondamentaux de notre univers sont ces substances fluides que nous appelons champs. Les particules sont des dérivés de ces champs, donc non fondamentaux. Dans le vide pur, lorsque les particules sont complètement éliminées, il existe encore des champs régis par les règles de la mécanique quantique.   

Les trois champs quantiques les plus fondamentaux 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. Ces quatre champs et leurs particules associées, à savoir l'électron, le quark up, le quark down et le neutrino, forment le socle de l'univers. Pour des raisons inconnues, ces quatre particules les reproduisent deux fois. Les électrons reproduisent le muon et le tau (qui sont respectivement 200 fois et 3000 fois plus lourds que les électrons), les quarks up donnent naissance à des quarks étranges et bottom, les quarks down donnent naissance au quark charm et au quark top et le neutrino donnent naissance au neutrino muon et au neutrino tau .  

Ainsi, il y a 12 champs qui donnent de la matière, nous les appelons champs de matière. Vous trouverez ci-dessous la liste des 12 champs (champs de matière) qui composent 12 particules dans l'univers.  

électron (e) 
quark up (u) 
quark down (d) 
neutrino (νe
10-6 
Muon (μ-
200 
quark(s) étrange(s) 
200 
quark charme (c) 
2000 
neutrino du muon (νμ)  
10-6 
Tau (τ-
3000 
quark bottom (b) 
8000 
quark top (t)  
340,000 
neutrino tau (ντ
10-6 

Ces 12 champs interagissent les uns avec les autres par l'intermédiaire de quatre forces différentes - gravité, électromagnétisme, forces nucléaires fortes (fonctionnent uniquement 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 pour la décroissance radioactive et initier la fusion nucléaire).  

Chacune de ces forces est associée à un champ – la force électromagnétique est associée au champ de gluons, les champs associés aux forces nucléaires fortes et faibles sont le champ des bosons W et Z et le champ associé à la gravité est l'espace-temps lui-même. Ci-dessous se trouve la liste de quatre autres champs 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 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 un champ électromagnétique qui, à son tour, va oscillent et ondulent également. Il y aura de la lumière qui sera émise donc ça 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 arrivons, c'est la danse harmonieuse entre tous ces champs, qui s'imbriquent les uns les autres.  

Champ du Higgs : Découverte en 2012  

Dans les années 1960, un autre domaine a été prédit par Peter Higgs. Appelé champ de Higgs, ce champ est devenu une partie intégrante de notre compréhension de l'univers dans les années 1970. Mais il n'y avait aucune preuve expérimentale (ce qui signifie que si nous faisons onduler le champ de Higgs, nous devrions voir une particule associée) jusqu'en 2012, lorsque les chercheurs du CERN au LHC ont signalé 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 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 façon dont le champ d'électrons interagit avec le champ électromagnétique. La propriété de sa masse est l'énoncé sur la façon dont il interagit avec le champ de Higgs. Par conséquent, comprendre le champ de Higgs était vraiment nécessaire pour comprendre la signification de la masse dans l'univers. La découverte du champ de Higgs a également confirmé le modèle standard qui était en place depuis les années 1970, bien que cette confirmation ait pris environ 50 ans. 

Pour conclure, 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 subissons. 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  

***

Umesh Prasad
Umesh Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Rédacteur en chef, Scientific European

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