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Volume 29: Pages 532-541, 2016
Atomism revisited
Arto Annila1,a)and Erkki Kolehmainen2,b)
1Department of Physics, University of Helsinki, Gustaf Hällströmin katu 2, FI-00014 Helsinki, Finland
2Department of Chemistry, University of Jyväskylä, Survontie 9B, FI-40014 Jyväskylä, Finland
The ancient atomism inspires us to reconsider everything as being composed of indivisible entities, known today as quanta of actions. The quantum of light is the familiar single quantum in its open waveform. Likewise, any other physical action is a geometric notion in terms of energy and time. The quantized systems, e.g., elementary particles take forms of geodesics, i.e., paths of least action in quest for energetic balance with surrounding quanta. The fine-structure constant, as the ratio of two actions corresponding to the electron and neutrino, allows us to deduce unambiguously the characteristic symmetries of leptons, mesons, and baryons. We exemplify the quantized structures of photon, neutrino, electron, proton, and neutron as well as those of weak bosons and the Higgs boson. This universal description can be related to quantum field theory (QFT) so that the quantized entity, e.g., an elementary particle, is the source for surrounding field quanta, expressly those that embody vacuum. Moreover, we model some nuclei, among them chemically important 12C, as high-symmetry complexes of nucleons. The elementary ingredients can be assembled to models of atoms to illustrate notions of quantum mechanics. Finally, we discuss the four fundamental forces and their relative strengths in terms of actions.
L'ancien atomisme nous inspire à reconsidérer tout comme étant composé d'entités indivisibles, connues aujourd'hui comme quanta d'actions. Le quantum de lumière est le quantum unique familier dans sa forme d'onde ouverte. De même, toute autre action physique est une notion géométrique en termes d'énergie et de temps. Les systèmes quantiques, par exemple les particules élémentaires, prennent des formes de géodésiques, c’est à dire, les chemins de moindre action en quête d'équilibre énergétique avec le quanta environnant. La constante de structure fine comme rapport de deux actions, correspondant à l'électron et au neutrino, permet de déduire sans ambiguïté les symétries caractéristiques de leptons, mésons et baryons. Nous illustrons les structures quantiques du photon, neutrino, électron, proton et du neutron, ainsi que ceux des bosons faibles et du boson de Higgs. Cette description universelle peut être liée à la théorie quantique des champs afin que l'entité quantifiée, par exemple une particule élémentaire, soit la source pour le champ de quanta environnant, précisément ceux qui incarnent le vide. De plus, nous modélisons certains noyaux, parmi lesquels le12C chimiquement important, comme les complexes de nucléons à haute symétrie. Les ingrédients élémentaires peuvent être assemblés à des modèles d'atomes pour illustrer les notions de mécanique quantique. Enfin, nous discutons des quatre interactions élémentaires et de leurs forces relatives en termes d'actions.
Key words: Elementary Particles; Free Energy; Fundamental Forces; Geodesic; Quantum of Action; The Principle of Least Action.
Received: July 13, 2016; Accepted: October 6, 2016; Published Online: October 28, 2016
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