ΜΑΘΗΣΙΑΚΌΣ ΣΤΑΘΜΌΣ IV: ΔΥΑΔΙΚΌΤΗΤΑ ΚΎΜΑΤΟΣ-ΣΩΜΑΤΙΔΊΟΥ 39

Transcript

1 38 ΜΑΘΗΣΙΑΚΌΣ ΣΤΑΘΜΌΣ IV: ΔΥΑΔΙΚΌΤΗΤΑ ΚΎΜΑΤΟΣ-ΣΩΜΑΤΙΔΊΟΥ 39 1 το πείραμα της διπλής σχισμής με φως χαμηλής έντασης 39 2 Η κβαντική θεωρία του φωτός και της ύλης 41 2.α Ηλεκτρομαγνητικά κύματα και τα ενεργειακά τους κβάντα: φωτόνια 41 2.β Κύματα ύλης και κβάντα 42 3 Κβαντικά πεδία 43 ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ: Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές (CC BY-NC-SA 4.0) Υπό τους ακόλουθους όρους: Αναφορά στον δημιουργό Πρέπει να κάνετε κατάλληλη μνεία, να παρέχετε σύνδεσμο στην άδεια και να δηλώνετε τυχόν τροποποιήσεις. Αυτό μπορείτε να το κάνετε με οποιονδήποτε εύλογο τρόπο, χωρίς όμως να υπονοείται ότι ο αδειοδότης εγκρίνει εσάς ή τη χρήση σας. Μη-εμπορική Δεν επιτρέπεται η χρήση του υλικού για εμπορικούς σκοπούς. Μπορείτε να: Μοιραστείτε - να αντιγράψετε και να αναδιανείμετε το υλικό με οποιοδήποτε μέσο ή μορφή Προσαρμόσετε - να αναμείξετε, να τροποποιήσετε και να δημιουργήσετε πάνω στο υλικό Ο δικαιοπάροχος δεν μπορεί να ανακαλέσει αυτές τις ελευθερίες, εφόσον τηρείτε τους όρους της άδειας. Αναφορά στο έργο πρέπει να γίνεται ως εξής: Frans R., Tamassia L. Μαθησιακοί Σταθμοί του Quantum SpinOff (2014). Centre for Subject Matter Teaching, KHLim Katholieke Hogeschool Limburg, Diepenbeek, Βέλγιο

2 39 Μαθησιακός σταθμός IV: Δυαδικότητα Κύματος-Σωματιδίου 1 το πείραμα της διπλής σχισμής με φως χαμηλής έντασης Τον 19ο αιώνα κατέστη σαφές ότι το φως είναι κυματικό φαινόμενο: ένα κύμα ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Σύντομα όμως φάνηκε ότι αυτή η ερμηνεία δεν αποκάλυπτε εύστοχα την αληθινή φύση του φωτός. Ας πάμε λοιπόν πίσω στο πείραμα της διπλής σχισμής για το φως: Γνωρίζουμε ότι το φως που διέρχεται από δύο σχισμές, σχηματίζει ένα μοτίβο στο πέτασμα. Καθώς αντιλαμβανόμαστε το φως ως κύματα, μπορούμε να ερμηνεύσουμε τον σχηματισμό αυτού του μοτίβου ως εποικοδομητική ή καταστροφική υπέρθεση εξαιτίας του διαφορετικού μήκους της διαδρομής προς κάθε σχισμή (βλ. μαθησιακό σταθμό II). Στον πρώτο μαθησιακό σταθμό είδαμε ήδη τι συμβαίνει στα ηλεκτρόνια στο πείραμα της διπλής σχισμής. Μπορούμε να θεωρήσουμε τα ηλεκτρόνια σωματίδια ή πρέπει να τα θεωρήσουμε κύματα; Γιατί συμβαίνει αυτό; Ας εξετάσουμε, όμως, τώρα το πείραμα της διπλής σχισμής για φως με πολύ χαμηλή ένταση. Αναρωτιώμαστε αν θεωρητικά είναι δυνατή η μείωση της έντασης του φωτός σε ένα σκόπιμα χαμηλό επίπεδο; Ο Αϊνστάιν έδωσε ήδη την απάντηση στο ερώτημα αυτό το 1905: υπέθεσε ότι υπάρχει κάποιο φυσικό όριο και ότι η ένταση του φωτός δεν μπορεί να μειωθεί απεριόριστα: υπάρχει έναελάχιστο ποσό φωτός στη φύση. Αυτό μπορούμε να το παρατηρήσουμε αν μειώσουμε αρκετά την ένταση του φωτός στο πείραμα της διπλής σχισμής (π.χ. με τη χρήση φίλτρων): θα περιμένατε να δείτε ένα ακόμα ασθενέστερο μοτίβο συμβολής που όμως δεν συμβαίνει. Μπορούμε να παρατηρήσουμε πώς το φως καταφθάνει στο ένα σημείο μετά το άλλο, στο ένα κβάντο μετά το άλλο. Στην αρχή, τα κβάντα φωτός φαίνεται πως καταφθάνουν εντελώς τυχαία (βλ. εικόνες α και β). Σε λίγο, όμως, (συνήθως ύστερα από λίγα λεπτά αν χαμηλώσετε επαρκώς το φως), γίνεται σαφές ότι σχηματίζεται ένα μοτίβο συμβολής. Συνεπώς, όλα τα σημεία, παρότι φθάνουν το ένα μετά το άλλο, σχηματίζουν ένα μοτίβο! Μπορείτε να συγκρίνετε τα αποτελέσματα του πειράματος της διπλής σχισμής με ηλεκτρόνια (βλ. μαθησιακό σταθμό I), με αυτό του φωτός. Είναι συγκρίσιμα ή όχι;

3 40 Σχήμα 1 Σχηματισμός μοτίβου συμβολής. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ανιχνεύτηκαν είναι 100 (b), 3000 (c), (d), (e). (Πηγή: Tonomura, A., Endo, J., Matsuda, T., και Kawasaki, T. (1989) Demonstration of single-electron buildup of an interference pattern, American Journal of Physics 57 (2), ) Πώς μπορούμε να το καταλάβουμε; Ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ενέργεια του φωτός (ή γενικότερα η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) "διατίθεται" αποκλειστικά σε μικρά πακέτα ή κβάντα. Η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μεταφέρεται μόνο σε μικρά κβάντα. Με άλλα λόγια, η ενέργεια του φωτός δεν μπορεί να μεταβάλλεται αδιάκοπα, αλλά μόνο με μικρά διακριτικά άλματα, που ονομάζονται κβάντα. Γίνονται, όμως, αυτά τα κβάντα φωτός αντιληπτά σαν να επρόκειτο για σφαιρίδια; Γνωρίζουμε ήδη, από τον πρώτο μαθησιακό σταθμό, ότι η εκτόξευση σφαιριδίων ή σταγόνων μέσω δύο σχισμών, προκαλεί δύο "ζώνες άφιξης" στο πέτασμα. Αυτό, όμως, παρατηρούμε στο πείραμα των δύο σχισμών; Μπορούμε να αντιληφθούμε τα ηλεκτρόνια ή το φως στο πείραμα της διπλής σχισμής ως απλά αποτελούμενα από σφαιρίδια; (Ναι / Όχι) Εικόνα2 Το πείραμα της διπλής σχισμής με σωματίδια (Πηγή: Διασκευασμένο από το Υλικό που είναι Κοινό Κτήμα της Wikipedia) Το φως δεν φτάνει με τη μορφή σωματιδίων (κάτι που θα επέφερε δύο λωρίδες) αλλά ούτε και ως κύματα (κάτι που θα δημιουργούσε ένα μοτίβο συμβολής που εξασθενεί): το μοτίβο συμβολής δημιουργείται σταδιακά από ένα σωματίδιο τη φορά. Φαίνεται ότι τα σωματίδια φωτός συμφωνούν στο πώς θα φτάσουν: με ένα μοτίβο συμβολής κυμάτων. Συνεπώς, το φως φαίνεται πως μοιάζει τόσο με σωματίδιο όσο και με κύμα. Οι φυσικοί αποκαλούν αυτό το αδιανόητο πρόβλημα, δυαδικότητα κύματος -σωματιδίου. Η παράξενη φύση του φωτός προφανώς δεν είναι σύμφωνη με την κλασική θεωρία περί σωματιδίων ή κυμάτων. Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου αποτελεί θεμελιώδη αρχή του φωτός και της ύλης Στη φύση, υπάρχει προφανώς ένα είδος συμμετρίας μεταξύ του φωτός και της ύλης. Στην κβαντική μηχανική, τα ηλεκτρόνια μπορούν να θεωρηθούν απλά ως "σφαιρίδια", και το ίδιο ισχύει για τα φωτόνια. Ένα ηλεκτρόνιο, όπως και ένα φωτόνιο, φέρουν χαρακτηριστικά τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων: Τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια στο πείραμα της διπλής σχισμής καταφτάνουνένα-ένα, αλλά το μοτίβο που σχηματίζεται από αυτά τα σωματίδια είναι ένα μοτίβο συμβολής, που προκαλείται από τα κυματοειδή χαρακτηριστικά αυτών των σωματιδίων! Αυτή η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου φαίνεται να συνιστά θεμελιώδη αρχή στη φύση. Η κβαντική μηχανική έχει μεταβάλει πραγματικά τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη φύση του κόσμου. Εδώ βλέπετε πώς μια φωτογραφία επίσης σχηματίζεται από ένα φωτόνιο τη φορά (Πηγή:

4 41 photonicswiki Rose, A (1973) Vision: human and electronic. Plenum Press) 2 Η κβαντική θεωρία του φωτός και της ύλης Από το πείραμα της διπλής σχισμής για φως σε χαμηλή ένταση, γίνεται εμφανές ότι τοφως εμφανίζει ιδιότητες κύματος και.... Από το πείραμα της διπλής σχισμής για ηλεκτρόνια, γίνεται εμφανές ότι ταηλεκτρόνια εμφανίζουν ιδιότητες σωματιδίων και.... Η σωματιδιακή και η κυματική θεωρία είναι συμπληρωματικές, και η πραγματικότητα είναι πιο περίπλοκη από ό,τι οποιαδήποτε από τις δύο θεωρίες μπορούν να περιγράψουν ξεχωριστά. Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίουαποτελεί θεμελιώδες χαρακτηριστικό του φωτός και της ύλης στη φυσική. Είναι χαρακτηρισιτκό της σύγχρονης φυσικής εν αντιθέσει με την κλασική φυσική. 2.a Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και τα ενεργειακά τους κβάντα: φωτόνια Ταενεργειακά κβάντατου φωτός ονομάζονταιφωτόνια. Ο Max Planck ανακάλυψε την ακριβή σχέση μεταξύ της ενέργειας ενός φωτονίου (σωματιδιακή ιδιότητα) και της συχνότητας του κύματος φωτός (κυματική ιδιότητα). Με αυτή τη διάσημη σχέση Planck-Einstein μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγεθος των ενεργειακών πακέτων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου: E h. f (1.) όπου h είναι μια πολύ μικρή αλλά θεμελιώδης σταθερά της φύσης που καταδεικνύει την εξαιρετικά κοκκώδη υφή του φωτός στα κβάντα: η τιμή της σταθεράς του Planck h-6, J. s a) Να υπολογίσετε την τιμή του κβάντο φωτός για το κίτρινο φως με συχνότητα f =5 x Hz E =... Πρόκειται για το πιο μικρό κβάντο ενέργειας που εμφανίζεται στη φύση για φως αυτής της συχνότητας. b) Να υπολογίσετε την ενέργεια τριών κίτρινων φωτονίων: E =... Η ενέργεια του κίτρινου φωτός δεν μπορεί να λάβει κάποια αυθαίρετη τιμή αλλά είναι πάντα (ακέραιο / μη ακέραιο) πολλαπλάσιο της ενέργειας του φωτονίου που υπολογίσατε παραπάνω στο α). Η ενέργεια του φωτός δεν είναι συνεχώς μεταβλητή, αλλά είναι κβαντισμένη.

5 42 Επειδή, όμως, το φως αποτελείται από ένα παλλόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, συνάγουμε ότι η ενέργεια του ίδιου του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι κβαντισμένη. Η ενέργεια εκλύεται από το πεδίο μόνο ανά φωτόνιο και άρα σε πακέτα. 2.b Κύματα ύλης και κβάντα Χρόνια πριν την εκτέλεση του πειράματος της διπλής σχισμής για τα ηλεκτρόνια, ο Γάλλος φυσικός Louis de Broglie προέβλεψε τις κυματικές ιδιότητες της ύλης. Ο Louis De Broglie πίστευε στην συμμετρία της φύσης: όταν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αλληλεπιδρούν κατά διακριτά κβάντα ενέργειας (που αντιλαμβανόμαστε ως φωτόνια), θεωρούσε προφανές ότι θα ισχύει και το αντίθετο: τα σωματίδια της ύλης, που μέχρι σήμερα δεν θεωρούνται ως κβάντα κάποιου πεδίου, θα πρέπει επίσης να λογίζονται κατ' αυτόν τον τρόπο. Tο κύμα του οποίου τα κβάντα βλέπουμε ως σωματίδια, ονομάζεται "υλικό κύμα". Ο De Broglie υποστήριξε την ύπαρξη ανάλογων κυμάτων ύλης. Έτσι, ήταν ο πρώτος που αποδέχτηκε την κυματική φύση της ύλης. Επιπλέον, ο De Broglie μπόρεσε να διατυπώσει μια ακριβή σχέση που συνέδεε αυτό το μέχρι στιγμής άγνωστο υλικό πεδίο με τις κανονικές ιδιότητες της ύλης, όπως τη μάζα και την ταχύτητα. Σε αυτόν τον τύπο, ο De Broglie εδραιώνει μια σχέση μεταξύ της γραμμικής ορμής η οποία είναι επίσης γνωστή στην κλασική μηχανική ως το γινόμενο της μάζας ενός σωματιδίου επί της ταχύτητας του p mv (2.) Η ορμή αποτελεί μια τυπική ιδιότητα των σωματιδίωνεπίσης γνωστή στη νευτώνεια μηχανική (π.χ. ένα φορτηγό που κινείται με μικρή ταχύτητα μπορεί να έχει ορμή όση και ένα μικρό αυτοκίνητο που κινείται με μεγάλη ταχύτητα). Από την άλλη, μια ιδιότητα των κυμάτων είναι το μήκος κύματος. Ο De Broglie συνδέει τώρα αυτές τις μέχρι τότε ασυμβίβαστες ιδιότητες των σωματιδίων και των κυμάτων σε μια ακριβή σχέση: Το μήκος κύματος είναι ιδιότητα των κυμάτων h mv (3.) Η γραμμική ορμή είναι ιδιότητα των σωματιδίων. Η υπόθεση de Broglie συνδέει τη σωματιδιακή και την κυματική φύση της ύλης, ακριβώς μέσω της ελάχιστης σταθεράς του Planck: Το μήκος κύματος της (ένα κβάντο) ύλης είναι αντιστρόφως ανάλογο προς τη γραμμική ορμή του. Τα σωματίδια που έχουνμεγάλη ορμή, ως εκ τούτου, έχουν μικρό μήκος κύματος.

6 43 Για ένα ηλεκτρόνιο, η σχέση de Broglie ορίζει: p = h / λ, όπου p είναι... του ηλεκτρονίου, και λ είναι το μήκος κύματος του... που είναι συνδεδεμένο με το ηλεκτρόνιο. Πώς γίνεται να παρατηρούμε (π.χ. στο πείραμα της διπλής σχισμής) το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου και να μη βλέπουμε το μήκος κύματος μιας σφαίρας; Ας υπολογίσουμε τα μήκη κύματος των δύο σωματιδίων με τη σχέση De Broglie. a) Υπολογίστε το μήκος κύματος De Broglie ενός ηλεκτρονίου με ταχύτητα v= m/s (Χρειάζεστε τη μάζα του ηλεκτρονίου. Ψάξτε να τη βρείτε!) m e-= kg λ= b) Υπολογίστε το μήκος κύματος De Broglie μιας μπάλας με μάζα m=0,20 kg και ταχύ τητα v=15 m/s λ= c) Συγκρίνετε αυτά τα δύο μήκη κύματος με το μήκος κύματος του φωτός (ανατρέξτε σε έναν από τους προηγούμενους μαθησιακούς σταθμούς, όπου μιλήσαμε για το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα): Το μήκος κύματος του ορατού φωτός κυμαίνεται μεταξύ... Το μήκος κύματος μιας κανονικής μπάλας είναι... από το μήκος κύματος του ορατού φωτός. Το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου είναι... από το μήκος κύματος του ορατού φωτός. d) Ποιος είναι ο λόγος που δεν παρατηρούμε τα κυματικά χαρακτηριστικά μιας κανονικής μπάλας (ακόμα και σε ένα υπερσύγχρονο εργαστήριο); Τι είδους κύμα είναι όμως ένα υλικό κύμα; Ας προσπαθήσουμε να βρούμε μια απάντηση. 3 Κβαντικά πεδία Είδαμε νωρίτερα πως οι επιστήμονες ένιωσαν άβολα στην ιδέα της «εξ αποστάσεως δράσης» σε σχέση με δυνάμεις, όπως οι βαρυτικές ή οι μαγνητικές. Για να είναι επιστημονικά ορθή αυτή η "εξ αποστάσεως δράση", εισήγαγαν την έννοια του πεδίου. Τα κλασικά πεδία, όπως το ηλεκτρομαγνητικό και το βαρυτικό πεδίο, θεωρούνται ως "διαμεσολαβητές" των δυνάμεων (ή μάλλον της ενέργειας). Στην κβαντική θεωρία, άλλωστε, τα υλικά κύματα (τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως υλικό πεδίο) μεταφέρουν την ενέργεια και η ιδέα του «διαμεσολαβητή» ενέργειας παραμένει αλλά εφαρμόζεται και στην ίδια την ύλη, γεγονός μάλλον απροσδόκητο. Βασικά, οι φυσικοί ανέπτυξαν μια κβαντική θεωρία πεδίουαπό την οποία προκύπτουν όλα όσα μπορούμε να παρατηρήσουμε στη φύση: ύλη και δυνάμεις. Σε σύγκριση με τα κλασικά πεδία (όπως τα βαρυτικά ή τα κλασικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία) τα κβαντικά πεδία μπορούν να εκλύουν ενέργεια μόνο σε διακριτά πακέτα ή αλλιώς «κβάντα». Για παράδειγμα, όλα τα σωματίδια που έχουν μετρηθεί στους επιταχυντές σωματιδίων, όπως το CERN στη Γενεύη, προβλέπονται από την κβαντική θεωρία πεδίου. Τα κβαντικά πεδία ορίζονται, όπως τα κλασικά πεδία, σε όλα τα σημεία του χώρου. Μπορούν να μεταβάλλονται στον χρόνο όπως τα κύματα, και κατ' αυτόν τον τρόπο διαδίδονται.

7 44 Στην πραγματικότητα, τα κβαντικά πεδία περιέχουν ενέργεια, καθώς πάλλονται με διακριτό τρόπο, όπως ακριβώς οι χορδές των μουσικών οργάνων. Πακέτα ενέργειας εκλύονται, όταν το πεδίο μεταπίπτει από μια κατάσταση εντονότερων δονήσεων σε μια κατάσταση ηπιότερων δονήσεων. Τα βήματα μεταξύ των καταστάσεων ταλάντωσης είναι κβαντισμένα και άρα μόνο πακέτα είναι δυνατό να απελευθερωθούν όταν το πεδίο μεταπίπτει από μια εντονότερη σε μια ηπιότερη κατάσταση δονήσεων. Η απελευθέρωση ενός τέτοιου κβάντος έξω από το πεδίο είναι τοπική και θα την ερμηνεύσουμε λέγοντας ότι παρατηρείται ένα «σωματίδιο». Για παράδειγμα, ένα φωτόνιο μπορεί να δημιουργηθεί ως το κβάντο ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αλλά και η ίδια η ύλη, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, είναι κβάντα παλλόμενων υλικών πεδίων. Το ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου (στα Αγγλικά: Quantum Field Theory QFT), είναι ένα κβάντο του ηλεκτρικού πεδίου ύλης. Μπορούμε τώρα να εξηγήσουμετον σχηματισμό του μοτίβου συμβολής στο πείραμα της διπλής σχισμής με την κβαντική θεωρία πεδίου. Ο σχηματισμός ενός διακριτού μοτίβου συμβολής στο πείραμα της διπλής σχισμής ερμηνεύεται με την κβαντική θεωρία πεδίου. Τα κύματα ενός κβαντικού πεδίου διέρχονται μέσω των οπών στο πείραμα της διπλής σχισμής και συμβάλλουν μεταξύ τους. Συνεπώς, η υπέρθεση και των δύο κυμάτων (ένα από κάθε σχισμή) ευθύνεται για τη δημιουργία ενός μοτίβου συμβολής μεγίστων και ελαχίστων. Τα μέγιστα εμφανίζονται σε σημεία όπου η διαφορά μήκους της απόστασης που διανύεται είναι τέτοια που το προερχόμενο από μια σχισμή κύμα είναι ομοφασικό με το κύμα από την άλλη σχισμή (εποικοδομητική υπέρθεση). Σε άλλα σημεία, το μήκος της απόστασης είναι τέτοιο που προκύπτει καταστροφική συμβολή μεταξύ των δύο κυμάτων. Σχήμα 3 Η κβαντική θεωρία πεδίου θεωρεί ότι το πεδίο συνδέεται με σωματίδια όπως ένα ηλεκτρόνιο. Το πεδίο διέρχεται από σχισμές και συμβάλλει (δημιουργικά και καταστροφικά) σε διαφορετικά σημεία. Όπου τα πλάτη είναι μεγάλη, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα εκπομπής ενός διακριτού και τοπικού πακέτου ενέργειας από το πεδίο. Αυτό είναι που αντιλαμβανόμαστε ως σωματίδιο. Δεν σημαίνει όμως ότι, όπου υπάρχουν μέγιστα κυμάτων, θα υπάρχει κατ' ανάγκη και σωματί διο. Εδώ εισάγεται η έννοια της πιθανότητας στην κβαντική θεωρία. Σε μέρη όπου το πλάτος του πεδίου είναι μέγιστο (σε μέγιστη συμβολή), υπάρχει μεγάλη πιθανότητανα απελευθερωθεί ενεργειακό πακέτο από το πεδίο. Συνεπώς, στην περίπτωση του πειράματος της διπλής σχισμής με ηλεκτρόνια, σε εκείνα τα μέ γιστα είναι αυξημένη η πιθανότητα εμφάνισης κάποιου ηλεκτρονίου. Στην περίπτωση του πειράματος της διπλής σχισμής για το φως, τα μέγιστα είναι σημεία όπου είναι μεγάλες οι πιθανότητες το πεδίο να δώσει ένα φωτόνιο. Το πλάτος των κυμάτων είναι αναλογικό προς την πιθανότητα να εκλυθεί κβάντο από το πεδίο. Αυτή η θεμελιώδης ιδιότητα των πιθανοτήτων εξηγεί την τυχαία εμφάνιση των σημείων ("σωματιδίων") στα πειράματα της διπλής σχισμής. Η εμφάνιση ενός ηλεκτρονίου δεν μπορεί να προβλεφθεί με ακρίβεια, παρά μόνο οι πιθανότητές της.

8 45 Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου και οι πιθανότητες αντιμετωπίζονται στην Κβαντική Θεωρία Πεδίου ως θεμέλιο της σύγχρονης φυσικής όπου η ύλη και το φως διαθέτουν συμμετρικές ιδιότητες. Σύμφωνα με τη σύγχρονη ματιά της κβαντικής θεωρίας πεδίου, ακόμη και οι δυνάμεις (με εξ αποστάσεως δράση, θυμηθείτε) θεωρούνται το αποτέλεσμα της ανταλλαγής κβά ντα μεταξύ πεδίων. Όλα αυτά τα κβάντα συνθέτουν τα γνωστά μας πεδία ύλης (όπως τη γνωρίζουμε στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev) και πεδία δυνάμεων. Στα πειράματα του CERN ελέγχεται αυτή η κβαντική θεωρία της ύλης και των δυνάμεων, ενώ ακόμα και νέοι φυσι κοί μπορεί να βρεθούν εκεί αναζητώντας νέες απαντήσεις σε άγνωστα φαινόμενα, όπως τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια. και τον Σκωτσέζο Peter Higgs το 2013). Ένα πρόβλημα της κβαντικής θεωρίας πεδίου παραμένει, π.χ. ότι το βαρυτικό πεδίο (προς το παρόν) δεν μπορεί να γίνει κατανοητό στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας πεδίου και κατά συνέπεια η βαρύτητα αντιμετωπίζεται ως κλασικό πεδίο, ακόμα και στη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν. Οι φυσικοί ψάχνουν εδώ και περίπου 100 χρόνια για μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Όλοι ελπίζουν ότι η πειραματική επαλήθευση του μποζονίου Brout-Englert-Higgs τον Ιούλιο του 2012, θα ρίξει περισσότερο φως στο ζήτημα (πρβ. βραβείο Νόμπελ για τον Βέλγο François Englert Εικόνα 4 Ο François Englert και ο Peter Higss μετά την πειραματική επιβεβαίωση του μποζονίου Brout-Englert-Higgs τον Ιούλιο του 2012 στο Cern. Και οι δύο τιμήθηκαν με το βραβείο νόμπελ φυσικής τον Δεκέμβριο του 2013 για την πρόβλεψη αυτού του κβάντο στο πεδίο BEH, το οποίο είχαν προτείνει ήδη από τη δεκαετία του (Πηγή CERN, Γενεύη)