تظهر نظرية المجال أو الحقل الكمومي مجموعة من المبادئ الفيزيائية الجامعة لعناصر ميكانيكا الكم مع عناصر النسبية، وذلك لشرح سلوك الجسيمات دون الذرية وتفاعلاتها عبر مجموعة متنوعة من مجالات القوة. من الأمثلة على نظريات المجال الكمومي الحديثة ديناميكا الكهرباء الكمية، التي تصف تفاعلات الجسيمات المشحونة كهربائيًّا مع القوى المغناطيسية. ومثال آخر هو الديناميكا اللونية الكمومية التي توضح تفاعلات الكواركات والقوة الشديدة. تم أخذ بعض الظواهر فيزياء الجسيمات عند تصميم نظريات الحقل الكمومي ومنها التصادمات عالية الطاقة التي يمكنها أن تنشيء أو تدمر الجسيمات دون الذرية.
تدمج نظرية المجال الكمومي أفكار نظريات الكم الأخرى. بدأ الفيزيائي البريطاني بول ديراك بهذه النظرية في أواخر عشرينيات القرن الماضي بمعادلته التي تصف كيف تتصرف الإلكترونات النسبية - ومعها معظم جسيمات المادة الأخرى. تعتبر نظرية الكم القياسية التي طورها أمثال نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ في عشرينيات القرن الماضي جيدة لوصف طريقة عمل الجسيمات الفردية بمعزل وبسرعة بطيئة. لكن لشرح تفاعلاتهم في العالم الحقيقي، فأنت تحتاج إلى الجمع بين نظرية الكم والنسبية الخاصة، نظرية أينشتاين حول كيفية انحراف الزمان والمكان للأشياء التي تسافر بسرعات عالية. تقول النسبية الخاصة إن الكتلة والطاقة قابلة للتبادل، كما تجسدها المعادلة E = mc2. في غضون ذلك، يقول مبدأ اللايقين الكمومي لهايزنبرغ، إن الجسيمات يمكنها استعارة الطاقة من الفراغ لفترة زمنية معينة.
كان لمعادلة ديراك أثر؛ فقد تنبأت بوجود جسيم مطابق للإلكترون من جميع النواحي، باستثناء الشحنة الكهربائية المعاكسة. تم اكتشاف البوزيترون، أول جسيم من المادة المضادة في الأشعة الكونية بعد بضع سنوات. لقد كانت الأولى من مجموعة جديدة كاملة من الجسيمات التي اقترحها المنظرون مع تطور نظريات المجال الكمومي - والتي ظهرت لاحقًا في الواقع.
تكمن نظريتا الحقل الكمومي في قلب النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. نتاج عقود عديدة من العمل النظري، الذي أكدته التجربة بدقة، يغطي هذا النموذج أعمال ثلاث من قوى الطبيعة الأربع من خلال تفاعلات جسيمات البوزون الحاملة للقوة مع الفرميونات التي تصنع المادة.
النموذج الأولي لنظريات المجال الكمومي هو الديناميكا الكهربية الكمومية (QED)، هي نظرية "الكهرو ضعيفة" الموحدة للكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة، والتي تحكم العمليات النووية مثل تحلل بيتا المشع التي تعتبر حاسمة، مثلما يحدث في كيفية حرق الشمس لوقودها. والتي توفر إطارًا رياضيًا شاملاً للتنبؤ وفهم تأثيرات الكهرومغناطيسية على المواد المشحونة كهربائيًا على جميع مستويات الطاقة. تعتبر القوى الكهربائية والمغناطيسية ناتجة عن انبعاث وامتصاص جزيئات تبادل تسمى الفوتونات. يمكن تمثيلها على أنها اضطرابات في المجالات الكهرومغناطيسية، مثل التموجات على بحيرة هي اضطرابات في الماء. في ظل ظروف مناسبة، قد تخلو الفوتونات تمامًا من الجسيمات المشحونة؛ ثم يمكن اكتشافها كضوء وكأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. وبالمثل، فإن بعض الجسيمات مثل الإلكترونات تعتبر نفسها بمثابة اضطرابات في مجالاتها الكمية. تتفق التكهنات العددية المستندة إلى QED مع المعلومات التجريبية في حدود جزء واحد من كل 10 ملايين في بعض الحالات.
يعتقد الكثير من علماء الفيزياء بأن هناك قوى أخرى في الطبيعة أي القوة الضعيفة التي ستحلل جسيمات بيتا المشع. القوة القوية التي تربط مكونات النوى الذرية معًا ؛ وربما أيضًا قوة الجاذبية —يمكن وصفها بنظريات مشابهة لـ QED. تُعرف هذه النظريات بشكل جماعي باسم نظريات القياس. يتم التوسط في كل قوة من خلال مجموعتها الخاصة من جزيئات التبادل، وتنعكس الاختلافات بين القوى في خصائص هذه الجسيمات. فعلى سبيل المثال، تعمل القوى الكهرومغناطيسية وقوى الجاذبية على مسافات طويلة، وجسيمات تبادلها - الفوتون المدروس جيدًا والجرافيتون الذي لم يتم اكتشافه بعد - ليس لهما كتلة. في المقابل، تعمل القوى القوية والضعيفة فقط على مسافات أقصر من حجم نواة الذرة.
النموذج الثاني هو الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) أو نظرية المجال الكمومي الحديثة، هي نظرية القوة النووية القوية قصيرة المدى وهي التي تصف تأثيرات القوة القوية بين الكواركات، والتي تتنبأ بوجود جسيمات تبادل تسمى الغلوونات، والتي هي أيضًا عديمة الكتلة كما هو الحال مع QED ولكن تفاعلاتها تحدث بطريقة تحصر الكواركات في الأساس جسيمات مثل البروتون والنيوترون. يتم نقل القوة الضعيفة بواسطة جسيمات التبادل الهائل - جسيمات W وZ - وبالتالي فهي محدودة بمدى قصير للغاية، حوالي 1 بالمائة من قطر نواة ذرية نموذجية.
يعتمد الفهم النظري الحالي للتفاعلات الأساسية للمادة على نظريات المجال الكمومي لهذه القوى. ومع ذلك، يستمر البحث لتطوير نظرية حقل موحد تشمل جميع القوى. في مثل هذه النظرية الموحدة، سيكون لجميع القوى أصل مشترك وستكون مرتبطة بالتماثلات الرياضية. ستكون أبسط نتيجة هي أن جميع القوى ستكون ذات خصائص متطابقة وأن آلية تسمى كسر التناظر العفوي ستفسر الاختلافات المرصودة. تم تطوير نظرية موحدة للقوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة، النظرية الكهروضعيفة وحصلت على دعم تجريبي كبير. من المحتمل أن هذه النظرية يمكن أن تمتد لتشمل القوة الشديدة. توجد أيضًا نظريات تتضمن قوة الجاذبية، لكنها تعتمد على التخمين أكثر.
في عام 2012، تم دعم النموذج القياسي مع اكتشاف بوزون هيغز، الذي تم التنبؤ به قبل خمسة عقود تقريبًا. الكتلة هي أكثر خصائص المادة صلابة، وتتحدد كتلة الجسيم الأساسي بدرجة تفاعلها مع بوزون هيغز. وفقًا لنظرية تم اقتراحها لأول مرة في عام 1964، فإن المجال الشبيه بدبس السكر المرتبط بـ Higgs يوفر مقاومة تختلف وفقًا لنوع الجسيمات. كل جسيم في جسمك - في الواقع، كل جسيم في الكون - هو تموج صغير للحقل الأساسي، مصبوب في جسيم بواسطة آلية ميكانيكا الكم.
ومع ذلك، ما زلنا نفتقر إلى نظرية المجال الكمي للجاذبية. وحدها من بين القوى الأربع، لا ترتبط الجاذبية بجسيمات بها، وبدلاً من ذلك يتم تفسيرها من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين على أنها تزييف الزمكان.
لماذا نظرية الحقل الكمومي صعبة؟
تقلبات الكم
المجال الكمومي هو كائن معقد. يرجع هذا جزئيًا إلى احتوائه على جميع الفيزياء: يمكن للحقل وصف أعداد هائلة من الجسيمات، والتفاعل بعدد لا يحصى من الطرق المختلفة. ومع ذلك، حتى قبل أن نصل إلى هذه الصعوبات، هناك سبب آخر يجعل نظرية المجال الكمومي صعبة.
في الفراغ الخالي من كل الجزيئات. تظهر أن المجال الكمومي لا يمكن أن يظل ثابتًا. بدلاً من ذلك، فإنه يغلي ويغلي، وهو عبارة عن حساء فقاعي من الجزيئات والجزيئات المضادة، يتم تكوينه وتدميره باستمرار. هذا التعقيد هو ما يجعل نظرية المجال الكمومي صعبة. حتى العدم يصعب فهمه في نظرية المجال الكمومي. عندما تبدأ في إضافة الجزيئات، يتم تشويه الفراغ بطرق مثيرة للاهتمام. بعد عقود عديدة من اكتشاف نظرية المجال الكمومي، ما زلنا بعيدين عن فهم كل التفاصيل الدقيقة التي تحتويها.
المراجع:
1471 مشاهدة
