1. 原子・原子核・核子・場という物質の階層
まず尺度を知る #
原子は原子核と電子からなる量子的な束縛系であり、硬い小球ではありません。電子雲が主な大きさを、原子核がほぼすべての質量を決めます。典型的な原子の尺度は約 10⁻¹⁰ m、原子核は約 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ m です。1 フェムトメートルは 10⁻¹⁵ m です。「半径」は分布の特徴的な尺度を表します。
陽子の価クォーク構成は uud、中性子は udd です。これは量子数を示す記号であり、グルーオンやクォーク・反クォークの動力学も核子に含まれます。電子の静止エネルギーは約 0.511 MeV、陽子は約 938.272 MeV、質量比は約 1836 です。
粒子は場の励起 #
量子場理論では粒子は場の量子化された励起です。自然単位 ℏ=c=1 で自由なスカラー場のラグランジアン密度は
真空期待値は真空状態での演算子の平均です。平均がゼロでも、揺らぎや真空エネルギーがゼロとは限りません。原子、原子核、核子は複合系ですが、標準模型では電子とクォークを基本粒子として扱います。