الديناميكا الكهربائية الكمية - Quantum electrodynamics

ما هي الديناميكا الكهربائية الكمية؟

الديناميكا الكهرومغناطيسية (QED) هي نظرية تفاعل المجالات الكهرومغناطيسية الكمية. اتضح أنّ تفاعل مجالين كهرومغناطيسيين ينطوي على تبادل الفوتونات. كانت أول نظرية مجال كمي ناجحة، لكنّها تطلبت الكثير من العمل لإنجاحها.

تقليدياً، يُعطى المجال الكهرومغناطيسي من خلال المجال الكهربائي (E) وحقله المغناطيسي (B). في نظام مع توزيع الشحنة (ρ) وتوزيع كثافة التيار (J)، يتم إعطاء ديناميات النظام بواسطة معادلات ماكسويل:

∇ . E = ρ

∇ . B = 0

∇ × E + (∂B / ∂t) = 0

∇ × B – (∂E / ∂t) = J

يتم تبسيط الأمور إلى حد كبير إذا تم اشتقاق المجال من جهد متجه (A) والجهد القياسي (φ) ثم:

E = – ∇φ – (∂A / ∂t) 

B = ∇ × A

تم تقديم جهد المتجه (A) في البداية كتسهيل رياضي ولكن تأثير (Aharonov – Bohm) يظهر أنّ له وجوداً مادياً. تعتبر (QED) أكثر النظريات الفيزيائية دقة. المثال الرئيسي لهذه الدقة هو العزم المغناطيسي للإلكترون، ويمكن حساب هذه الكمية باستخدام طريقة تعتمد على (QED) وقياسها تجريبياً.

الرقمان يتفقان مع المكان العشري العاشر. وصف “ريتشارد فاينمان” هذا بأنّه مكافئ لوجود قياسين للمسافة من لوس أنجلوس إلى نيويورك والتي تختلف فقط في عرض شعرة الإنسان.

شرح الديناميكا الكهربائية الكمية – QED:

الديناميكا الكهربائية الكمية (QED)، تشرح نظرية المجال الكمومي كل التفاعلات التي تحدث للجسيمات المشحونة مع المجال الكهرومغناطيسي. الذي يصف رياضياً تفاعلات الجسيمات المشحونة مع بعضها البعض بالإضافة إلى كل تفاعلات الضوء مع المادة. (QED) هي نظرية نسبية في أنّ نظرية النسبية الخاصة “لألبرت أينشتاين” مبنية في كل من معادلاتها.

نظراً لأنّ سلوك الذرات والجزيئات هو في الأساس كهرومغناطيسي بطبيعته، يمكن اعتبار كل الفيزياء الذرية أو النووية كأنها مختبر لتجارب هذه النظرية. من بين أكثر الاختبارات دقة على (QED) التجارب التي تتناول خصائص الجسيمات دون الذرية المعروفة باسم “الميونات” (muons).

لقد ثبت أنّ العزم المغناطيسي لهذا النوع من الجسيمات يتفق مع النظرية لتسعة أرقام معنوية. الاتفاق على هذه الدقة العالية يجعل من (QED) واحدة من أنجح النظريات الفيزيائية التي تم ابتكارها حتى الآن.

تاريخ الديناميكا الكهربائية الكمية – QED:

في عام 1928م، قام الفيزيائي الإنجليزي “ديراك” بوضع الأسس لـ (QED) باكتشافه لمعادلة الموجة التي تصف حركة الإلكترونات ودورانها ودمج كل من ميكانيكا الكم ونظرية النسبية الخاصة. تم تنقيح نظرية (QED) وتطويرها بالكامل في أواخر الأربعينيات من قبل “ريتشارد فاينمان”، و”جوليان شوينغر”، و”توموناغا شينئيتشيرو”، بشكل مستقل عن بعضهم البعض.

يرتكز (QED) على فكرة أساسية وهي أنّ الجسيمات المشحونة (مثل الإلكترونات والبوزيترونات) تتفاعل مع بعضها البعض عن طريق إرسال وامتصاص الفوتونات، والفوتونات هي الجسيمات التي تنقل القوى الكهرومغناطيسية. هذه الفوتونات “افتراضية”، أي أنّه لا يمكن اكتشافها بأي شكل لأنّ وجودها يلغي قانون الحفاظ على الطاقة والزخم.

إنّ تبادل الفوتون هو مجرد “قوة” التفاعل، لأنّ هذه الجسيمات المتفاعلة تغير سرعتها واتجاه حركتها أثناء إطلاقها أو امتصاصها لطاقة الفوتون. يمكن أيضاً أن تنبعث الفوتونات في حالة حرة، وفي هذه الحالة يمكن ملاحظتها كضوء أو أشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تفاعلات الجسيمات المشحونة مع المجال الكهرومغناطيسي:

يحدث تفاعل جسيمين مشحونين في سلسلة من العمليات ذات التعقيد المتزايد. في أبسطها، يتم استخدام فوتون افتراضي واحد فقط، في عملية من الدرجة الثانية، هناك نوعان، وهكذا دواليك.

تتوافق العمليات مع جميع الطرق الممكنة التي يمكن أن تتفاعل بها الجسيمات من خلال تبادل الفوتونات الافتراضية، ويمكن تمثيل كل منها بيانياً عن طريق ما يسمى “بمخططات فاينمان”. إلى جانب تقديم صورة بديهية للعملية قيد النظر، يصف هذا النوع من المخططات بدقة كيفية حساب المتغير المعني.

تصبح كل عملية دون ذرية أكثر صعوبة من الناحية الحسابية من العملية السابقة، وهناك عدد لا حصر له من العمليات. ومع ذلك، تنص نظرية (QED) على أنّه كلما كانت العملية أكثر تعقيداً، أي كلما زاد عدد الفوتونات الافتراضية المتبادلة في العملية، كلما قل احتمال حدوثها.

لكل مستوى من مستويات التعقيد، تقل مساهمة العملية بمقدار معين بواسطة (α²)، حيث (α) هي كمية بلا أبعاد تسمى ثابت البنية الدقيقة (fine-structure constant)، بقيمة عددية تساوي (1/137).

وبالتالي، بعد مستويات قليلة، تكون المساهمة ضئيلة. بطريقة أكثر جوهرية، يعمل العامل (α) كمقياس لقوة التفاعل الكهرومغناطيسي. إنّها تساوي (e² / 4πεo [بلانك] c)، حيث (e) هي شحنة الإلكترون، بلانك (planck) هو ثابت بلانك مقسوماً على (2π ،c) هي سرعة الضوء، و(εo) هي سماحية الفضاء الحر.