¿Qué son los fotones y los cuantos en física?
Sin embargo, el nacimiento del concepto de "fotones" se remonta a mediados del siglo XIX, cuando la radiación del cuerpo negro atraía gran atención por parte de los físicos. Los herreros saben desde la Edad del Hierro que cuando el metal se calienta a una temperatura suficientemente alta, emite luz visible, a temperaturas más bajas emite una luz roja oscura y a temperaturas más altas emite luz azul brillante. Se puede juzgar si la plancha está a la temperatura adecuada por el brillo y el color del metal.
En el siglo XIX, los físicos ya habían aprendido bastante sobre termodinámica y electromagnetismo. Saben que la razón por la que los metales a alta temperatura emiten luz es porque el metal se encuentra en un estado de alta temperatura y las cargas que contiene se mueven violentamente, emitiendo ondas electromagnéticas en la banda de luz visible Las ondas electromagnéticas emitidas por los objetos debido a la temperatura. se llaman radiación de cuerpo negro. A finales de 1850, G.R. Kirchhoff, maestro en termodinámica y electromagnetismo, se interesó por los fenómenos mencionados y comenzó a estudiar la radiación del cuerpo negro.
Consideró un recipiente hueco con pequeños agujeros en la superficie hecho de un determinado material a una determinada temperatura, y concluyó que si el área del pequeño agujero es mucho menor que el área del pared interior del contenedor, luego a través del pequeño orificio. La radiación electromagnética que sale del contenedor es equivalente a la radiación del cuerpo negro. La proporción de su energía en cada banda electromagnética (es decir, espectro) no tiene nada que ver con el material y la forma del recipiente hueco. Lo único que afecta al espectro electromagnético es la temperatura. Desafortunadamente, no pudo obtener la función de temperatura del espectro. Después de eso, cómo obtener la función de temperatura del espectro de forma teórica o experimental se ha convertido en un gran desafío para los físicos.
En los siguientes 40 años, los físicos llevaron a cabo muchos experimentos precisos y propusieron varios modelos y teorías para explicar los resultados experimentales. En estos estudios, Steven descubrió que la densidad de energía de la radiación del cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, lo que más tarde Postman demostró de forma puramente termodinámica. En 1893, Wynn derivó una función de temperatura espectral, pero como había un término desconocido en la función, la función no estaba en una forma definida.
La forma final correcta del espectro de radiación del cuerpo negro fue descubierta por Max Planck. En la mañana de junio de 1900, los colegas de Planck visitaron su casa y le llevaron la función de temperatura de radiación del cuerpo negro medida experimentalmente el día anterior. Planck concluyó que, dado que la función espectral de la radiación del cuerpo negro era independiente del material y la forma del recipiente hueco, podía suponer arbitrariamente que el recipiente hueco era una caja metálica rectangular. Las ondas electromagnéticas que pueden existir en un cuboide se han estudiado a fondo durante mucho tiempo en electromagnetismo. Al mismo tiempo, también se sabe por termodinámica que la temperatura provocará un movimiento violento de cargas para emitir ondas electromagnéticas, y estas ondas electromagnéticas emitidas también deben ajustarse a ellas. el patrón de ondas electromagnéticas que pueden existir en un cuboide.
Hasta ahora, sus suposiciones y cálculos son exactamente los mismos que los anteriores supuestos y cálculos fallidos de Rayleigh, por lo que también debería llegar a la misma conclusión errónea que el cálculo de Rayleigh: la energía de las ondas electromagnéticas en el contenedor hueco es ilimitada.
Pero antes de realizar más cálculos, Planck hizo una conjetura sin precedentes (la llamó la "Conjetura feliz"), es decir, cada modo de ondas electromagnéticas que puede existir en un cuboide tiene sólo un patrón determinado. (posteriormente llamada constante de Planck, H) multiplicada por la energía de un múltiplo entero de la frecuencia de la onda electromagnética (es decir, la energía de cada modo de la onda electromagnética E = nhf, n es un entero positivo o cero, f es la frecuencia de la onda electromagnética), ¿puede coincidir con la pared interior de la cosechadora cuboide? Al hacer esta suposición, calculó la relación entre el espectro de radiación del cuerpo negro y la temperatura (conocida como ley de radiación), que era completamente consistente con los datos experimentales que acababa de obtener de sus colegas.
Este resultado, más tarde conocido como ley de la radiación, resolvió con éxito el desafío planteado por Kirchhoff hace 40 años. A pesar de su éxito, Planck no entendió su hipótesis, que tenía implicaciones físicas más profundas. Más tarde admitió: "... Esto es puramente una hipótesis. Realmente no esperaba pensar más en ello".
Al final de 19, hay otro experimento famoso pero inexplicable: el experimento fotoeléctrico. experimento de efectos. Hertz y Leonard descubrieron que cuando hay luz sobre una placa de metal, se puede medir la corriente (es decir, algunos electrones pueden adquirir suficiente energía cinética después de ser iluminados por la luz para superar la diferencia de energía potencial entre las dos placas de metal y volar de una). placa de metal a otra) otra placa de metal, formando una corriente eléctrica), pero sin luz, la corriente eléctrica no se puede medir.
Pero lo que desconcertó a todos los científicos de la época fue la siguiente observación.
La primera es aumentar la intensidad de la luz irradiada, lo que sólo puede aumentar la corriente pero no la energía cinética de los electrones. La segunda es que no importa cuán fuerte sea la luz roja, no puede generar fotocorriente. En tercer lugar, incluso con luz violeta muy débil, se puede generar fotocorriente y la energía cinética de los electrones excitados es mayor que la energía cinética de los electrones excitados por una luz azul intensa.
En 1905, Einstein dio un sentido físico más profundo a la teoría de Planck, creyendo que la luz es una partícula independiente y que la energía de cada cuanto de luz es la frecuencia de la luz multiplicada por la constante de Planck.
Cree que la energía de las ondas electromagnéticas debe ser un múltiplo entero del paquete de energía, por lo que la energía de los electrones excitados por el cuanto de luz no debe tener nada que ver con la irradiación de las ondas electromagnéticas, sino sólo con la frecuencia de las ondas electromagnéticas. Estrictamente hablando, la energía cinética del electrón láser debe ser igual a la energía de un paquete de energía de onda electromagnética menos la energía requerida para que el electrón abandone el metal (llamada función de trabajo del metal). Si aumentamos la cantidad de exposición a las ondas electromagnéticas, solo aumentamos el número de electrones emitidos y la corriente, lo que no tiene nada que ver con la energía cinética de los electrones. Con esta explicación, podemos entender completamente por qué el experimento del efecto fotoeléctrico tiene tales resultados.
Cuando Einstein propuso el concepto de cuantificación de ondas electromagnéticas, especialmente las partículas de luz que amaba a Einstein, muchos científicos se mostraron escépticos. Entre ellos, la actitud de Planck fue la más interesante. Aunque él mismo fue el iniciador de la cuantificación de la energía de las ondas electromagnéticas, no pudo aceptar plenamente la teoría de las partículas de la luz. En su idea, "Deberíamos convertir el problema de la teoría cuántica en la interacción entre la materia, la energía y las ondas electromagnéticas".
De hecho, esta es la intención original del "método semiclásico", es decir , las ondas electromagnéticas se pueden utilizar de forma clásica. Para tratarlas, su amplitud puede ser continua y no es necesario tratarlas como una partícula. Simplemente cuantifica el estado energético del material. La cantidad de energía que las ondas electromagnéticas pueden transferir a la materia es la diferencia de energía entre los estados cuánticos de esta materia.
Incluso ahora, el enfoque semiclásico todavía tiene su lugar. Excepto algunos problemas físicos, como el desplazamiento de Lamb, el entrelazamiento de fotones, etc., que deben abordarse mediante métodos totalmente cuánticos, es decir, tratando las ondas electromagnéticas como partículas y cuantificando el estado energético de la materia, la mayoría de los problemas pueden resolverse mediante Métodos semiclásicos. Todavía existen muchos libros de texto que utilizan métodos semiclásicos para calcular el efecto fotoeléctrico.
En 1912, la inferencia del efecto fotoeléctrico explicada por Einstein fue observada por primera vez por Richard, y luego Millikan completó el experimento por completo, obteniendo así la constante de Planck precisa. En 1922, Compton confirmó aún más la naturaleza partícula de la luz mediante experimentos sobre la dispersión de electrones por rayos X. En este experimento, incluso observó que las partículas de luz tienen impulso. Pero qué son exactamente las partículas de luz sigue siendo una gran pregunta.
Si la luz es una partícula, lo que Einstein llamó una "singularidad" como un electrón, ¿cómo explicar el fenómeno en el experimento de interferencia de Young de que los fotones aún pueden interferir consigo mismos después de viajar diferentes distancias? El propio Einstein no tenía la respuesta. Más adelante en su vida, escribió: "Después de 50 años de pensamiento racional, no me ha dado ninguna respuesta a la pregunta: ¿Cuál es el cuanto de luz? Por supuesto, ahora todos creen que saben la respuesta, pero déjenme decirles: son Autoengaño."
Pero las ondas electromagnéticas tienen dos propiedades aparentemente contradictorias, partículas y ondas, lo que no impidió a Einstein pensar más en las propiedades cuánticas de la luz. Después de que Einstein pasara mucho tiempo estudiando la relatividad general, en 1916 volvió atrás y reconsideró las leyes de radiación de Planck.
Ahora que tenemos la electrodinámica cuántica, podemos obtener fácilmente la ley de radiación de Planck, pero en 1916, ni siquiera la mecánica cuántica, la predecesora de la electrodinámica cuántica, aún no había aparecido. Sin embargo, Einstein se basó en su profundo conocimiento de la termodinámica para derivar los coeficientes A y B de Einstein con respecto a las tasas de transición de los átomos entre diferentes niveles de energía. En aquella época se sabía, gracias a experimentos de espectroscopia atómica, que los átomos se dividían en dos tipos durante el proceso de transición. Correspondiente al espectro de la línea oscura, los átomos absorben fotones de un estado de baja energía a un estado de alta energía, mientras que en el espectro de la línea brillante, los átomos pasan de un estado de alta energía a un estado de baja energía y emiten fotones. Sin embargo, nadie conoce la relación entre las dos condiciones.
Einstein postuló que la materia está en equilibrio térmico con la radiación electromagnética que la rodea; Según la mecánica estadística, el número de átomos en diferentes niveles de energía vendrá determinado por la función de distribución de Maxwell-Boltzmann.
A partir de esto, Einstein concluyó que para lograr el equilibrio térmico, los átomos deben dividirse en tres tipos durante la transición: Radiación espontánea, es decir, los átomos en un estado de alta energía caerán naturalmente a un estado de baja energía. estado y emisión de fotones absorción estimulada, en la que un átomo en un estado de menor energía absorbe un fotón y luego salta a un estado de mayor energía y, por último y más sorprendente, emisión estimulada, en la que se emite un átomo en un estado de alta energía; por otro fotón se excita y cae en un estado de baja energía y emite un fotón al mismo tiempo. Gracias a la existencia de radiación estimulada, los científicos pudieron inventar con éxito los láseres 40 años después. Esta es una historia más adelante. Einstein también obtuvo la relación entre las tasas de aparición de estos tres tipos diferentes de transiciones atómicas.
En 1927, Dirac cuantizó con éxito las ondas electromagnéticas. Más tarde, Dirac y otros físicos desarrollaron esta teoría en electrodinámica cuántica. Esta teoría trasciende con éxito la dualidad de las partículas y ondas de luz y resuelve problemas que los métodos semiclásicos no pueden resolver. Al mismo tiempo, se descubrió que hay "energía de punto cero" en el vacío sin ondas electromagnéticas, lo cual es causado por la perturbación electromagnética del vacío. Y también se responde a la razón por la que la radiación espontánea se produce de forma natural, algo inicialmente incomprensible. La emisión espontánea puede considerarse como una especie de emisión estimulada, y los fotones que la excitan provienen de perturbaciones electromagnéticas en el vacío.
Sin embargo, la electrodinámica cuántica no puede decirnos dónde está el fotón. A diferencia de los electrones, cuya posición tiene un operador de posición en la mecánica cuántica, los fotones no tienen un operador de posición correspondiente. Einstein creía que los fotones son singularidades como los electrones, lo cual no estaba totalmente respaldado por la electrodinámica cuántica.
Más tarde hubo más evidencia que respaldaba la cuantificación completa de las ondas electromagnéticas, la más famosa de las cuales fue el desplazamiento de Lamb observado en 1947. Lamb observó en el experimento que la diferencia de energía entre los dos dominios orbitales del espectro atómico 2s1/2 y 2p1/2 no es muy diferente, pero según la mecánica cuántica relativista, estos dos estados deberían tener la misma energía. Pero un año después, la electrodinámica cuántica explicó con éxito el desplazamiento de Lamb, porque la energía de la perturbación del vacío desplazará a los electrones de su dominio orbital original, y el dominio orbital S está más cerca del núcleo cargado positivamente, por lo que se ve más afectado que el orbital P. El impacto es mayor, por lo que habrá una ligera diferencia de energía entre los dos.
Aunque la electrodinámica cuántica ha resuelto muchos problemas que no pueden resolverse mediante métodos semiclásicos, todavía hay físicos que dudan de que no sea necesario cuantificar las ondas electromagnéticas y que todavía se pueda obtener una teoría completa mediante Modificando métodos semiclásicos. Esta corrección consiste en sumar las ondas electromagnéticas generadas después de la transición atómica a las ondas electromagnéticas originales e interactuar con los átomos. De hecho, la emisión espontánea puede explicarse mediante este método, pero la migración de Lamb no puede explicarse mediante el método semiclásico modificado de principio a fin.
Hasta ahora, muchos científicos siguen estudiando los fotones. Entre ellos, los pares de fotones entrelazados, la interferencia de múltiples fotones, la frecuencia de latido cuántico, la transmisión cuántica a larga distancia y la comunicación cuántica son temas candentes de investigación. La teoría de la electrodinámica cuántica es suficiente para explicar estos resultados. Pero todavía estamos interesados en estas dos preguntas: ¿qué son los fotones? ¿Dónde están los fotones? Nadie respondió. Quizás en 1926, cuando Louis nombró al "fotón", no esperaba que el "fotón" siguiera siendo un misterio en el próximo siglo.
1900 ~ 1926 es el período de gestación de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica en esta época era una teoría semiclásica y semicuántica, llamada teoría cuántica antigua, que partía del estudio de la radiación del cuerpo negro por parte del físico alemán Max Planck. La radiación del cuerpo negro es uno de varios problemas difíciles que no pueden resolverse con la física clásica de 1900 (mecánica newtoniana, electrodinámica maxwelliana, termodinámica, física estadística). El espectro de radiación del cuerpo negro derivado de la antigua teoría tendrá dificultades de divergencia y es inconsistente con los experimentos. Planck propuso posteriormente el concepto de "cuanto de energía", creyendo que un cuerpo negro está compuesto por una gran cantidad de osciladores y que la energía de cada oscilador es un múltiplo entero de la frecuencia del oscilador. Por lo tanto, el espectro de radiación derivado del cuerpo negro es completamente. consistente con el experimento. "Cuanto de energía" es un concepto nuevo, que muestra que la energía de los sistemas microscópicos puede ser intermitente y saltarina, completamente diferente de la física clásica, por lo que Planck hizo sonar el toque de atención para un nuevo viaje físico y se convirtió en uno de los comienzos de la física moderna. En 1905, Einstein llevó el concepto de "cuantos de energía" de Planck un paso más allá y creyó que la energía radiante era originalmente una parte causada por osciladores dependientes, y que cada parte tenía un portador material: un cuanto de luz, explicando así con éxito el efecto fotoeléctrico. El propio Einstein aplicó con éxito la teoría cuántica al problema del calor específico de los sólidos unos años más tarde.
En 1912, el joven danés Bohr obtuvo con éxito la fórmula para la posición de las líneas espectrales de los átomos de hidrógeno basándose en la teoría cuántica de Planck, la teoría de los fotones de Einstein y el modelo de estructura planetaria atómica de Rutherford. En 1924, un joven aristócrata francés de Broglie dedujo que las partículas físicas generales también deberían fluctuar basándose en la teoría de la luz de la dualidad onda-partícula, la teoría de la relatividad y la teoría de Bohr, y propuso el concepto de ondas de materia, que fue obtenido por Einstein. Los elogios y la verificación experimental llevaron directamente a la invención de la ecuación de onda de la mecánica cuántica por parte del estudioso austriaco Schrödinger en 1926. Al mismo tiempo, el joven alemán Heisenberg, influenciado por el principio de correspondencia y el principio de sinergia de Bohr, propuso una mecánica matricial equivalente a la dinámica ondulatoria de Schrödinger, pero en una forma diferente, que también podía explicar con éxito los problemas del espectro atómico. La mecánica matricial y la mecánica ondulatoria se denominan colectivamente mecánica cuántica, y así nació oficialmente la mecánica cuántica. Existen diferencias esenciales en la descripción de la materia entre la mecánica cuántica y la mecánica clásica. La mecánica cuántica cree que el concepto de "órbita de una partícula" no tiene sentido porque no podemos determinar el impulso y la posición de una partícula al mismo tiempo. Lo que podemos saber es la probabilidad de que aparezca una partícula en el espacio. La mecánica cuántica reemplaza los conceptos pasados de órbita y velocidad con funciones de onda y cantidades mecánicas de operador, e introduce el álgebra irreducible en la física. La mecánica cuántica también introdujo por primera vez los números complejos.
La introducción de números complejos en la física en el pasado era sólo una técnica conveniente y no tenía ningún significado real. Pero en la mecánica cuántica, los números imaginarios tienen un significado físico básico, como dijo el físico británico Dirac en la década de 1970: "... Esta fase compleja es extremadamente importante porque es la raíz de todos los fenómenos relacionados, y su significado físico es difícil de entender. ... Precisamente porque se ocultaron tan hábilmente, no se pudo establecer antes la mecánica cuántica. Se puede ver que por primera vez los números complejos tienen un significado físico irremplazable en la mecánica cuántica”. En la segunda mitad de la década de 1920, Dirac amplió la ecuación de onda no relativista de Schrödinger a la situación relativista, comprendiendo por primera vez la unión de la mecánica cuántica y la relatividad. La ecuación de Dirac es una ecuación de onda relativista que describe una gran clase de partículas con espín semientero, como los electrones. Dado que la materia que constituye el mundo real son los electrones, protones y neutrones con espín 1/2, la ecuación de Dirac es obviamente particularmente importante. La ecuación de Dirac puede predecir naturalmente que el espín de los electrones es 1/2, explicar la estructura fina de los átomos de hidrógeno y predecir la existencia de positrones. Pronto Anderson descubrió el positrón. La ecuación de Dirac se ha convertido en una de las ecuaciones más famosas de la mecánica cuántica. Este Dirac también cuantizó el campo electromagnético, confirmando teóricamente el punto más importante de la teoría fotónica de Einstein en 1905: que la luz está compuesta de fotones. Como sistema, la mecánica cuántica se estableció a finales de la década de 1920 y luego se aplicó a problemas prácticos.
Conceptos básicos y aplicaciones de la mecánica cuántica
Para muchas personas, quizás la mecánica cuántica sea más útil que la teoría de la relatividad. Este último se utiliza generalmente para estudiar la generación y transformación mutua de partículas elementales y la estructura espacio-temporal a gran escala. Sin embargo, para la producción y la vida humanas en el siglo XX, el mundo a nivel atómico es más importante. En la década de 1930, se aplicó la mecánica cuántica a la física del estado sólido, se establecieron la física de la materia condensada y la física molecular y se estableció la química cuántica. Sobre esta base, florecieron disciplinas como la ciencia de los materiales, la tecnología láser y la física superconductora, sentando las bases para el desarrollo de la tecnología informática, la tecnología de la información y la tecnología energética que afectaron profundamente los estilos de vida de las personas en el siglo XX. En la primera mitad del siglo XX, la mecánica cuántica penetró en el mundo microscópico, desarrolló la teoría de la estructura y dinámica nuclear, propuso el modelo de capa y el modelo colectivo de la estructura nuclear y estudió las principales reacciones como α, β y Transmutación γ del núcleo. La astrofísica debe utilizar la mecánica cuántica. Para aquellos objetos muy densos, como las enanas blancas y las estrellas de neutrones, cuando se agota el combustible nuclear, la gravedad de la estrella provocará su colapso. La temperatura de Fermi de los objetos de alta densidad es muy alta, mucho más alta que la temperatura real de la estrella. La presión de fusión de electrones y gases de la enana blanca y la presión de fusión de neutrones de la estrella de neutrones compiten con la gravedad. En este momento, los efectos de la mecánica cuántica juegan un papel decisivo en la formación de estrellas. En el caso de un agujero negro, los niveles de energía positiva y negativa del vacío de Dirac cercano a él estarán escalonados, por lo que algunas partículas de energía negativa pueden penetrar el área restringida a través del efecto túnel, convertirse en partículas de energía positiva y volar lejos. Los efectos de la mecánica cuántica de los agujeros negros son muy significativos y vale la pena estudiarlos.
Aunque la mecánica cuántica ha logrado un gran éxito, en comparación con la mecánica newtoniana, la mecánica cuántica rompe más completamente con el sentido común, por lo que todavía hay muchos debates sobre los fundamentos de la mecánica cuántica, como dijo Bohr: " Cualquiera que esté Quien no se sorprenda por la mecánica cuántica no entenderá la mecánica cuántica.
"En la primera mitad del siglo XX, Einstein y Bohr tuvieron una gran discusión sobre si la mecánica cuántica era autosuficiente y completa, lo que desencadenó una serie de trabajos basados en la mecánica cuántica, como la teoría de las variables ocultas, el teorema de Bell, el gato de Schrödinger. experimento de estado, etc. Estos trabajos nos permiten ver las dificultades en la comprensión de la mecánica cuántica.
Por un lado, la aplicación de la mecánica cuántica nos permite sentir las características coloridas y extrañas del mundo real. y, por otro lado, también promueve nuestra comprensión de la mecánica cuántica. La comprensión de los fundamentos de la mecánica. En la segunda mitad del siglo XX, la mecánica cuántica rejuveneció en la investigación fundamental y aplicada sobre la naturaleza de la superconductividad, el efecto Casimir del vacío. , los efectos Hall cuánticos fraccionarios y enteros, el efecto A-B y los factores de fase geométricos. El estudio de la condensación de Bose-Einstein y los láseres atómicos ha enriquecido enormemente la comprensión de las personas sobre el mundo físico. El estudio de estos efectos y tecnologías tendrá un profundo impacto. sobre el progreso científico de la mecánica cuántica en el siglo XXI. Es la teoría del movimiento de partículas individuales a altas energías, las partículas se crean y aniquilan, involucrando múltiples partículas. Por lo tanto, fue necesario desarrollar la mecánica cuántica en una teoría cuántica de campos. Electrodinámica cuántica. La electrodinámica cuántica estudia la colisión cuántica de electrones y fotones. Se estableció en las décadas de 1930 y 1940 sobre la base del estudio de la estructura ultrafina de los átomos de hidrógeno: el método de cuantificación integral de trayectoria. desarrollado por Feynman y otros es una herramienta poderosa para estudiar la cuantificación de campos de interacción. Es posible calcular la matriz de dispersión y la sección transversal de reacción. La teoría cuántica de campos es un marco vacío y se deben introducir interacciones para describirse entre sí. Se estudia la transformación de las partículas actuantes y su esencia. Esta es la tarea de la teoría cuántica de campos. La teoría cuántica de campos es el resultado del desarrollo profundo de la electrodinámica cuántica que tiene el grupo U(1). grupo de simetría interna). Al cambiar la fase local de la función de onda de la partícula cargada y la correspondiente transformación del potencial electromagnético, se encuentra que para mantener la invariancia de esta transformación, se necesita un término de acoplamiento entre la partícula cargada y el campo electromagnético. (Un campo calibre) debe ser introducido. En el mundo microscópico en ese momento, además de la fuerza electromagnética, también había fuerzas fuertes que controlaban la agregación de los núcleos atómicos y fuerzas débiles que controlaban la desintegración de los núcleos atómicos. La definición de ecuaciones dinámicas que satisfacen estas interacciones requiere una comprensión del primer principio.
En 1954, Yang Zhenning y Mills extendieron la teoría de la invariancia de calibre local al grupo no conmutativo internamente simétrico e introdujeron el campo de calibre no abeliano para determinar. la forma básica de interacción y se convirtió en un estándar en la física teórica. La forma de transformación más importante después de la transformación relativista de Lorentz es la transformación espacio-tiempo, y la transformación de calibre es la transformación del espacio interno, que determina la forma del movimiento y la interacción del material. El mecanismo de Higgs de ruptura espontánea de la simetría del vacío fue descubierto en 1971. En 1971, Fardev y Popov utilizaron por primera vez el método de cuantificación integral de trayectoria para obtener el esquema de cuantificación correcto del calibre. Te Hooft y otros demostraron la importancia de la normalización de campos de calibre y proponen un esquema práctico de normalización de dimensiones.
Basado en la teoría de campos de calibre, experimentos de física de partículas y estructuras de partículas elementales (leptones de tercera generación y quarks de tercera generación), teorías de campos de calibre especiales: teoría unificada de corriente débil y cromodinámica cuántica. Desde que en 1979 se descubrió la evidencia de que los gluones transmiten la fuerza de cambio de color (fuerte), y en 1984 se descubrió la evidencia de que los bosones intermedios W y Z0 transmiten la interacción débil, estamos convencidos de que una teoría unificada que describa las fuerzas débiles y electromagnéticas interacciones es el que describe el modelo de campo de calibre SU (2) × U (1) de interacción fuerte. Estos dos modelos se denominan colectivamente modelo estándar. Los físicos encontraron evidencia de la existencia del quark más pesado que predijeron (el quark top) en 1995, y la última partícula elemental que predijeron (el neutrino tau) también fue descubierta en 2000. Kurt Hooft también ganó el Premio Nobel de Física en 1999 por su trabajo. El éxito repetido del Modelo Estándar lo ha convertido en la mejor teoría de la estructura, el movimiento y las interacciones de la materia.
La mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos han dado a los humanos una visión más esencial de la naturaleza del vacío. En el pasado se pensaba que el vacío estaba vacío. El vacío ha sido considerado como la fuente de partículas desde que Dirac propuso que el vacío es un "mar de partículas de energía negativa". El vacío tiene muchos efectos, como el efecto Casimir que refleja la energía del vacío cero, el desplazamiento Lamb del espectro del hidrógeno causado por la polarización del vacío (estructura hiperfina de los átomos de hidrógeno), la emisión atómica espontánea causada por la interacción entre átomos excitados y el vacío cero, etc. . Como estado fundamental del campo cuántico, el vacío tiene simetría universal.
En la década de 1960, el sur de China y Goethe-Hiiraji descubrieron que el vacío de la teoría cuántica de campos rompería espontáneamente la simetría. En la década de 1970, Polyakov y otros descubrieron la estructura topológica del vacío. En la actualidad, el vacío se puede operar localmente y el vacío ha pasado a ser objeto de investigación sobre interacciones.
Resumen
La centenaria mecánica cuántica ha tenido un impacto revolucionario en la ciencia y la tecnología del siglo XX. Precisamente por su influencia de gran alcance nos ha traído cada vez más misterios sin resolver en el cambio de siglo. Li Zhengdao cree que a finales del siglo XX existían los siguientes misterios físicos: confinamiento de quarks, materia oscura, ruptura de simetría, propiedades del vacío, etc. Además, resolver misterios como el origen de la masa, la naturaleza de la carga eléctrica, la gravedad cuántica y la repetición generacional de las partículas elementales también traerá consigo nuevos avances físicos. Para explorar la naturaleza profunda del mundo material, también se están desarrollando la gran teoría unificada, la supersimetría, la supergravedad y la teoría de las supercuerdas. Pueden ser el preludio de una nueva revolución. Aunque no sé si una revolución como el nacimiento de la mecánica cuántica puede volver a ocurrir, los próximos 100 años definitivamente mantendrán ocupados a los físicos. Estos nuevos conceptos, nuevas teorías y nuevas tecnologías tendrán un impacto en los conceptos y las vidas humanas del futuro. Las consecuencias son enormes y es posible que aún no estén bajo nuestro control.