من المفترض أن الإلكترونات والفوتونات والركين والجسيمات الأساسية الأخرى تفتقر إلى البنية التحتية أو المدى المادي؛ قالت ماري عالمة نظرية الجسيمات بأن الجسيم كجسم شبيه بالنقطة، ومع ذلك فإن للجسيمات سمات مميزة مثل الشحنة والكتلة، كيف يمكن لنقطة بلا أبعاد تحمل وزنا.
الجسيمات في فيزياء الكم
هي وصف لسلوك المادة والضوء بكل تفاصيلها، وعلى وجه الخصوص للأحداث على المستوى الذري؛ حيث تتصرف الأشياء على نطاق صغير جدًا.
اعتقد العالم نيوتن أن الضوء يتكون من جسيمات، ولكن بعد ذلك اكتشف أنه يتصرف مثل الموجة، في وقت لاحق وجد أن الضوء يتصرف في بعض الأحيان كجسيم؛ تاريخيًا كان يُعتقد أن الإلكترون يتصرف مثل الجسيم، ثم وُجد أنه في كثير من النواحي يتصرف مثل الموجة لذلك قال العلماء بأنه ليس مثل أي منهما.
السلوك الكمي للجسيمات
السلوك الكمي للأجسام الذرية، الإلكترونات، البروتونات، النيوترونات، الفوتونات وما إلى ذلك، هو نفسه بالنسبة للجميع فهي كلها موجات جسيمية، لذا فإن خصائص الإلكترونات سينطبق أيضًا على جميع الجسيمات بما في ذلك فوتونات الضوء.
أدى التراكم التدريجي للمعلومات حول السلوك الذري والصغير الحجم خلال الربع الأول من القرن العشرين، والذي أعطى بعض المؤشرات حول كيفية تصرف الأشياء الصغيرة، إلى حدوث ارتباك متزايد تم حلها لاحقا، حيث حصلوا أخيرًا على وصف ثابت لسلوك المادة على نطاق ضيق.
يمكن تفسير نظرية الضوء التي يمكن أن تتخذ سلوكين متعارضين تمامًا، استنادًا إلى تجارب مثبتة، وهما السلوك الموجي والسلوك الجسدي، حيث أن موجات الضوء هي جسيمات بدون كتلة، تسمى هذه الجسيمات الفوتونات.
وكان هناك الكثير من النظريات القديمة والمتراكمة من إدراك الجسيمات للضوء، والتي تقول أن الضوء يتكون من جسيمات، لكنها لم تنجح في تفسير ظاهرة الموجة التي بدأ العلماء في إدراكها في سلوك الضوء مثل التداخل والحيود، لذلك فإن الجسيمات الفيزيائية لها خصائص موجية.
خصائص الجسيمات
الجسيم هو وظيفة موجية منهارة
تبين أن ازدواجية الموجة والجسيم هي أحد أعراض الغرابة العميقة؛ كشفت ميكانيكا الكم لمكتشفيها في عشرينيات القرن الماضي أن أفضل وصف للفوتونات والأجسام الكمومية الأخرى ليس كجسيمات أو موجات، ولكن من خلال وظائف موجية مجردة، وهي وظائف رياضية متطورة تشير إلى احتمالية امتلاك الجسيم لخصائص مختلفة.
على سبيل المثال، فإن وظيفة الموجة التي تمثل الإلكترون تنتشر مكانيًا، بحيث يكون للإلكترون مواقع محتملة بدلاً من موقع محدد، ولكن بطريقة ما، ومن الغريب عندما تضع كاشفًا في المشهد وتقيس موقع الإلكترون، فإن وظيفته الموجية تنهار فجأة إلى نقطة ما وينقر الجسيم في هذا الموضع في الكاشف، وبالتالي فإن الجسيم هو دالة موجية منهارة.
الجسيم هو الإثارة الكمية للحقل
أدرك الفيزيائيون أن الوظائف الموجية للعديد من الفوتونات الفردية تتصرف بشكل جماعي مثل موجة واحدة تنتشر عبر الحقول الكهربائية والمغناطيسية الملتصقة، وهي الصورة الكلاسيكية للضوء؛ وجد بعض الباحثين أنه بإمكانهم تحديد نظرية المجال الكلاسيكي، وتقييد الحقول بحيث لا تتأرجح إلا بكميات منفصلة تُعرف باسم كوانتا الحقول.
بالإضافة إلى الفوتونات اكتشف بول ديراك وآخرون أن الفكرة يمكن استقراءها للإلكترونات وكل شيء آخر وفقًا لنظرية المجال الكمي، لذلك الجسيمات هي إثارة للحقول الكمية التي تملأ كل الفضاء.
عند افتراض وجود هذه الحقول الأساسية فلقد جردت نظرية المجال الكمي الجسيمات من مكانتها، ووصفتها بأنها مجرد أجزاء من الطاقة التي تجعل الحقول تتدفق وعلى الرغم من العبء الأنطولوجي للحقول المنتشرة في كل مكان أصبحت نظرية المجال الكمي لغة مشتركة لفيزياء الجسيمات؛ لأنها تسمح للباحثين بحساب دقيق للغاية، لما يحدث عندما تتفاعل الجسيمات، حيث تكون تفاعلات الجسيمات على المستوى الأساسي هي الطريقة التي يتم بها تجميع العالم معا.
عندما اكتشف الفيزيائيون المزيد من جسيمات الطبيعة والمجالات المرتبطة بها تطور منظور موازٍ، حيث يبدو أن خصائص هذه الجسيمات والحقول تتبع الأنماط العددية التي من خلال توسيعها يستطيع الفيزيائيون من التنبؤ بوجود المزيد من الجسيمات.
الجسيم هو تمثيل غير قابل للاختزال لمجموعة
الجسيمات هي تمثيلات لـمجموعات التناظر، وهي مجموعات من التحولات التي يمكن إجراؤها على الأشياء؛ على سبيل المثال مثلث متساوي الأضلاع مهما تم لفة يبقى المثلث يبدو كما كان من قبل، تشكل هذه مجموعة يمكن التعبير عنها كمجموعة من المصفوفات الرياضية، وتعني مصفوفة من الأرقام عند ضربها في إحداثيات مثلث متساوي الأضلاع تُرجع نفس الإحداثيات، هذه المجموعة من المصفوفات هي مثيل لمجموعة التناظر.
بالمثل فإن الإلكترونات والفوتونات والجسيمات الأساسية الأخرى هي أشياء تظل في الأساس كما هي عندما تتصرف عليها مجموعة معينة، على وجه التحديد الجسيمات هي تمثيلات لمجموعة بوان كاريه التي عي مجموعة من عشر طرق للتنقل في الفضاء والزمان المتواصل، حيث يمكن أن تتحرك الكائنات في ثلاثة اتجاهات مكانية أو تتغير بمرور الوقت، ويمكنهم أيضًا الدوران في ثلاثة اتجاهات أو تلقي دفعة في أي من هذه الاتجاهات.
أدرك عالم فيزيائي أنه يجب أن يكون لديه مجموعة معينة من الخصائص، والجسيمات لها هذه الخصائص مثل الطاقة التي هي ببساطة الخاصية التي تظل كما هي عندما يتحول الجسم في الوقت المناسب، والزخم وهو الخاصية التي تظل كما هي عندما يتحرك الجسم عبر الفضاء والدوران الذي يحدد كيفية تغيير الجسيمات في ظل مجموعات من الدورات والتعزيزات المكانية التي تدور معا في الزمكان.
كان الفيزيائيون يعرفون بالفعل أن الجسيمات لها دوران، وهو نوع من الزخم الزاوي الجوهري الذي يحدد العديد من جوانب سلوك الجسيمات وإذا كانت تتصرف مثل المادة كما تفعل الإلكترونات أو كقوة مثل الفوتونات.
استخدامات الجسيمات الكمية
- في الإحصاء الكمي: استخدام الكمبيوترات الكمية التي تؤدي مهام حسابية معينة بشكل أسرع من أجهزة الكومبيوتر التقليدية؛ تستخدم أجهزة الكمبيوتر وحدة المعلومات الكمية بدلاً من استخدام البتات الكلاسيكية.
- التشفير: يستخدم التشفير لنقل آمن للمعلومات؛ تتمثل الميزة المتأصلة الناتجة عن التشفير الكمي عند مقارنتها بالتشفير الكلاسيكي باكتشاف التنصت السلبي باستخدام وحدة المعلومات الكمية.
- الالكترونيات: حيث تستخدم في الأجهزة الإلكترونية تشمل الليزر والترانزستور، والمجهر الإلكتروني والتصوير بالرنين المغناطيسي ونظام تحديد المواقع العالمي وأجهزة الكمبيوتر.
يوصف الجسيم رياضيا بنوع كمي خاص من الموجة يسمى دالة موجية؛ عندما يحدث التداخل، فإن الدالة الموجية لكل جسيم تتضمن أجزاءً مناظرة للجسيم الذي يسير في كل اتجاه، تمامًا مثل الطريقة التي تتحرك بها الموجة الكلاسيكية التي تتداخل في كلا الاتجاهين.
