اقرأ في هذا المقال
نظرًا لأن سلوك الذرات والجزيئات هو في الأساس كهرومغناطيسي بطبيعته، يمكن اعتبار جميع الفيزياء الذرية بمثابة مختبر اختبار للنظرية، فمن بين أكثر الاختبارات دقة نظرية المجال الكمي، التجارب التي تتناول خصائص الجسيمات دون الذرية المعروفة باسم الميوون.
كهروديناميكا الكم
الديناميكا الكهربية الكمية، والتي يشار إليها عادةً باسم QED، هي نظرية مجال كمومي للقوة المغناطيسية، وذلك بأخذ مثال القوة بين إلكترونين، فإن النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية تصفها بأنها ناشئة عن المجال الكهربائي الذي ينتجه كل إلكترون في موقع الآخر، كما يمكن حساب القوة من قانون كولوم.
إن تبادل الفوتونات هو مجرد “قوة” التفاعل، لأن الجسيمات المتفاعلة تغير سرعتها واتجاه انتقالها أثناء إطلاقها أو امتصاصها لطاقة الفوتون، ويمكن أيضا أن تنبعث الفوتونات في حالة حرة، وفي هذه الحالة يمكن ملاحظتها كضوء أو أشكال أخرى من الاشعاع الكهرومغناطيسي.
تطبيقات على كهروديناميكا الكم
ينطبق (QED) على جميع الظواهر الكهرومغناطيسية المرتبطة بالجسيمات الأساسية المشحونة مثل الإلكترونات والبوزيترونات، والظواهر المرتبطة بها مثل إنتاج الأزواج، وفناء الإلكترون والبوزيترون وتشتت كومبتون وما إلى ذلك.
وقد تم استخدامه لعمل بعض الظواهر الكمومية بدقة والتي ليس لها نظائر كلاسيكية، مثل انزياح الحمل والعزم المغناطيسي الشاذ للإلكترون؛ كانت QED أول نظرية مجال كمي ناجحة، حيث دمجت أفكارًا مثل إنشاء الجسيمات وفناءها في إطار عمل متسق ذاتيًا، وكان تطوير النظرية أساس جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1965.
تطبيقات على كهروديناميكا الكم
تأتي الطاقة التي هي مقياس للقدرة على القيام بالعمل بأشكال عديدة، ويمكن أن تتحول من نوع إلى آخر، وتشمل أمثلة الطاقة المخزنة أو المحتملة البطاريات والمياه خلف أحد السدود؛ إن الأجسام المتحركة هي أمثلة على الطاقة الحركية، حيث تخلق الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات والبروتونات مجالات كهرومغناطيسية عندما تتحرك، وهذه الحقول تنقل نوع الطاقة الذي نسميه الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو الضوء.
الموجات في كهروديناميكا الكم
الموجات الميكانيكية والموجات الكهرومغناطيسية طريقتان مهمتان تنتقل بهما الطاقة في العالم، وتعتبر الموجات في الماء والموجات الصوتية في الهواء مثالين على الموجات الميكانيكية، حيث تحدث الموجات الميكانيكية بسبب اضطراب أو اهتزاز في المادة، سواء كانت صلبة أو غازية أو سائلة أو بلازما.
تسمى المادة التي تنتقل خلالها الموجات بالوسيط وتتشكل موجات الماء عن طريق الاهتزازات في السائل وتتكون الموجات الصوتية من الاهتزازات في الغاز (الهواء)، حيث تنتقل هذه الموجات الميكانيكية عبر وسيط عن طريق التسبب في اصطدام الجزيئات ببعضها البعض، مثل قطع الدومينو المتساقطة التي تنقل الطاقة من واحدة إلى أخرى، ولا تستطيع الموجات الصوتية أن تنتقل في فراغ الفضاء؛ لأنه لا يوجد وسيط لنقل هذه الموجات الميكانيكية.
من الممكن أن تكون الكهرباء ثابتة، مثل الطاقة التي تجعل الشعر يقف على نهايته، ويمكن أن تكون المغناطيسية أيضًا ثابتة، كما هي الحال في مغناطيس الثلاجة؛ سيُحدث المجال المغناطيسي المتغير مجالًا كهربائيًا متغيرًا والعكس صحيح كلاهما مرتبطان. هذه الحقول المتغيرة تشكل موجات كهرومغناطيسية.
تختلف الموجات الكهرومغناطيسية عن الموجات الميكانيكية من حيث أنها لا تتطلب وسيطًا للانتشار، وهذا يعني أن الموجات الكهرومغناطيسية لا يمكنها الانتقال فقط عبر الهواء والمواد الصلبة، ولكن أيضًا عبر فراغ الفضاء
الجسيمات في كهروديناميكا الكم
أهمية كهروديناميكا الكم
إن الديناميكا الكهربية الكمومية هي مجال دراسة متطور للغاية، مع تطبيقات للنظرية عالية الدقة لحالات الارتباط الذري، وتفاعلات مادة الليزر في النظام النسبي، وعلى جانب الطاقة المنخفضة تصف العمليات الديناميكية التي تشمل الذرات و المجال الكهرومغناطيسي الكمي.
تم إجراء التحقيقات في مجال ميكانيكا الكم النسبية والنسبية العامة والتفاعل الذري والعمليات الديناميكية ونظرية المجال الكمي للحالات المرتبطة وفيزياء الجسيمات وتصادم الأيونات الثقيلة وفيزياء الليزر النسبية النظرية ونظرية الاضطراب الكبير وساعد في فهم فيزياء الرياضة وبعض الاعتبارات المتعلقة بتطوير الخوارزمية العددية.
تشمل التطورات الأخيرة حسابًا شاملاً لتأثيرات الجاذبية في أطياف الأنظمة المقيدة، وقيود مبدأ تكافؤ أينشتاين، وتحليل قيود الفيزياء الذرية على نماذج الجسيمات الجديدة، وتحديد ذيول طويلة المدى في تفاعلات (van der Waals) بشكل عام، حيث تشعبت مجالات الاهتمام أكثر قليلاً نحو النسبية العامة في كهروديناميكا الكم نحو الفيزياء الذرية، فمن المحتمل أن تكون النتيجة الأكثر أهمية التي تم الحصول عليها تتعلق بمبدأ التكافؤ للجسيمات المضادة.
توصف الديناميكا الكهربية الكمية أحيانًا بأنها نظرية تصف تأثيرات غريبة نوعًا ما، وتصحيحات صغيرة مهمة بشكل أساسي للتجارب عالية الدقة، وساعدت في دراسة نظرية الكم للجسد الأسود واحتكاك فان دير فالس غير المتصل، وهو أمر مهم للعمليات الفيزيائية الفلكية.
العلاقة بين كهروديناميكا الكم والكهوديناميكا الكلاسيكية
إن الديناميكا الكهربية الكمية تقدم قيودًا جوهرية في وصف العمليات الفيزيائية التي تجعل من المستحيل استرداد نوع الوصف الموجود مع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، وبهذه الطريقة لا يمكن اعتبار الديناميكا الكهربية الكلاسيكية بمثابة اختزال للديناميكا الكهربية الكمومية، حيث يتم استعادتها من خلال نوع من الإجراءات المحددة.
يجب أن يُنظر إلى الديناميكا الكهربية الكمومية ليس كنظرية مستقلة ولكن فقط كترقية للديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ونظرية النسبية، والتي تسمح بامتداد النظرية الكلاسيكية في وصف الظواهر، في حين أنها مرتبطة بشكل واضح بإطار المفاهيم الكلاسيكية، إذ أن النظرية هي وصف المادة والإشعاع وتفاعلها، التي لا يمكن شرحها وحلها بشكل صحيح من النظرية الكلاسيكية.
إن العمليات الكهروديناميكية الكمية تعمل على تحليل العمليات الديناميكية التي تنطوي على حالات مرتبطة تتعلق بتفسخ فوتونين من حالات شديدة الإثارة، وتكمن المشكلة في أنه في الحالات النموذجية، توجد حالات افتراضية ذات طاقة أقل من حالة الانحلال، ولكن طاقة أعلى من الحالة الأرضية، والتي يمكن الوصول إليها عن طريق انتقال ثنائي القطب.
