نظرية المجال الكمي (QFT) هي الإطار الرياضي والمفاهيمي لفيزياء الجسيمات الأولية المعاصرة، بالمعنى غير الرسمي إلى حد ما، والحقل الكمومي امتداد لميكانيكا الكم، والتعامل مع الجسيمات، إلى الحقول، أي الأنظمة ذات عدد لا حصر له من درجات الحرية، وفي هذا المقال سنوضح ما هي نظرية الحقل الكمومي
ما هي نظرية الحقل الكمومي
- نظرية الحقل الكمومي (QFT) هي الإطار الرياضي والمفاهيمي لفيزياء الجسيمات الأولية المعاصرة، وهو أيضًا إطار يستخدم في مجالات أخرى من الفيزياء النظرية، مثل فيزياء المادة المكثفة والميكانيكا الإحصائية.
- بالمعنى غير الرسمي إلى حد ما، فإن الحقل الكمومي هو امتداد لميكانيكا الكم، والتعامل مع الجسيمات، إلى الحقول، أي الأنظمة ذات عدد لا حصر له من درجات الحرية.
- تعتبر نظرية المجال الكمي نتيجة مزيج من نظرية المجال الكلاسيكي، وميكانيكا الكم، والنسبية الخاصة.
- في العقد الماضي، أصبح موضوع نظرية المجال الكمي موضوعًا نوقش على نطاق واسع في فلسفة العلوم، مع أسئلة تتراوح من المنهجية والدلالات إلى الأنطولوجيا.
- يبدو أن الحقل الكمومي مأخوذ على محمل الجد في آثاره الميتافيزيقية يعطي صورة للعالم الذي يتعارض مع المفاهيم الكلاسيكية المركزية للجسيمات والحقول، وحتى مع بعض ميزات إدارة الجودة.
اقرأ أيضا: معلومات عن الفيزياء والكيمياء
تاريخ نظرية المجال الكمومي
- ظهرت نظرية الحقل الكمي على يد أجيال من علماء الفيزياء النظرية، على امتداد معظم القرن العشرين.
- بدأ تطورها في عشرينيات القرن الماضي، بوصف التفاعلات بين الضوء والإلكترونات، وبلغت ذروتها في نظرية المجال الكمي الأولى – الديناميكا الكهربية الكمية.
- سرعان ما تبعها عقبة رئيسية وهي ظهور واستمرار العديد من اللانهايات في الحسابات المضطربة، وهي مشكلة تم حلها فقط في الخمسينيات من القرن الماضي باختراع إجراء إعادة التطبيع.
- جاء الحاجز الرئيسي الثاني مع عدم قدرة الحقل على وصف التفاعلات الضعيفة والقوية، لدرجة دعا فيها بعض المنظرين إلى التخلي عن النهج النظري للمجال.
- أدى تطوير نظرية القياس وإكمال النموذج القياسي في السبعينيات، إلى نهضة نظرية المجال الكمومي.
تطور نظرية الحقل الكمومي
- تجمع نظرية المجال الكمومي، أفكار نظريات الكم الأخرى، لتصوير جميع الجسيمات على أنها “إثارة” تنشأ في الحقول الأساسية.
- بدأ الفيزيائي البريطاني بول ديراك دراسة المجال الكمي في أواخر عشرينيات القرن الماضي، بمعادلته التي تصف كيف تتصرف الإلكترونات النسبية – ومعها معظم جسيمات المادة الأخرى.
- تعتبر نظرية الكم القياسية كما طورها أمثال نيلز بور وفيرنر هايزنبرج في عشرينيات القرن الماضي، جيدة لوصف طريقة عمل الجسيمات الفردية بمعزل وبسرعة بطيئة، لكن لشرح تفاعلاتهم في العالم الحقيقي، فنحن بحاجة إلى المجال الكمي.
- على وجه الخصوص، نحتاج إلى الجمع بين نظرية الكم والنسبية الخاصة، نظرية أينشتاين حول كيفية انحراف المكان والزمان للأشياء التي تسافر بسرعات عالية.
- تقول النسبية الخاصة إن الكتلة والطاقة قابلة للتبادل، كما تجسدها المعادلة E = m c 2، في غضون ذلك، يقول مبدأ عدم اليقين الكمومي لهيزنبرغ، إن الجسيمات يمكنها استعارة الطاقة من الفراغ لفترة زمنية معينة.
- كان لمعادلة ديراك أثر في الاكتشافات اللاحقة، فقد تنبأت بوجود جسيم مطابق للإلكترون من جميع النواحي، باستثناء الشحنة الكهربائية المعاكسة.
- تم اكتشاف البوزيترون، أول جسيم من المادة المضادة، على النحو الواجب 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.
نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED)
- الديناميكا الكهربية الكمية (QED)، هي نظرية “الكهروضعيفة” الموحدة للكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة، التي تحكم العمليات النووية مثل تحلل بيتا المشع التي تعتبر حاسمة، على سبيل المثال، في كيفية حرق الشمس لوقودها.
- وفي الوقت نفسه، فإن الديناميكا اللونية الكمية (QCD)، هي نظرية القوة النووية القوية، هذه القوة القوية قصيرة المدى، التي تنتقل عن طريق بوزونات تسمى الغلوونات، تربط الكواركات معًا لتكوين جسيمات مثل البروتونات والنيوترونات.
- وجاء تتويج المجد من النموذج القياسي في عام 2012، مع اكتشاف ل بوزون هيغ ، وهو أن الكتلة هي أكثر خصائص المادة صلابة، ويتم تحديد كتلة الجسيم الأساسي من خلال درجة تفاعله مع بوزون هيغز.
اقرأ أيضا: معلومات عن الفيزياء الكمية
أهمية نظرية الحقل الكمي (QFT)
- عندما لا يمكن تطبيق كل من ميكانيكا الكم والميكانيكا الكلاسيكية، كما هو الحال على المستوى الكمي مع العديد من درجات الحرية، تصبح نظرية المجال الكمي (QFT) قابلة للتطبيق.
- يتعامل الحقل الكمومي مع المسافات الصغيرة، والسرعات الكبيرة بدرجات عديدة من الحرية، بالإضافة إلى إمكانية حدوث أي تغيير في عدد الجسيمات خلال التفاعل، إذ أن مخطط نظرية المجال الكمي هو أن الفرميونات تتفاعل عن طريق تبادل البوزونات.
- للتعامل مع درجات كبيرة من الحرية على المستوى العياني، تصبح الميكانيكا الإحصائية صالحة، حيث تستكشف الميكانيكا الإحصائية العدد الكبير من الجسيمات وتفاعلاتها ككل في الحياة اليومية.
أسباب صعوبة نظرية المجال الكمومي
- المجال الكمومي هو كائن معقد، يرجع هذا جزئيًا إلى أنه يحتوي على جميع الفيزياء: يمكن للحقل وصف أعداد هائلة من الجسيمات، والتفاعل بعدد لا يحصى من الطرق المختلفة.
- كما تعني علاقة عدم اليقين لهايزنبرغ أن المجال الكمومي لا يمكن أن يظل ثابتًا، بدلاً من ذلك ، فإنه يتغير بسرعة، فهو 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، فعندما تبدأ في إضافة الجزيئات، يتم تشويه الفراغ بطرق مثيرة للاهتمام.
