نظرية الحقل الكمومي

ما هي نظرية الحقل الكمومي؟

نظرية المجال الكمي هي مجموعة من المبادئ الفيزيائية التي تجمع بين عناصر ميكانيكا الكم مع عناصر النسبية لشرح سلوك الجسيمات دون الذرية وتفاعلاتها عبر مجموعة متنوعة من مجالات القوة.

مثالان على نظريات المجال الكمومي الحديث هما الديناميكا الكهربائية الكمية، التي تصف تفاعل الجسيمات المشحونة كهربائيًا والقوة الكهرومغناطيسية، والديناميكا اللونية الكمومية التي تمثل تفاعلات الكواركات والقوة الشديدة، كما تم تصميم نظريات المجال الكمومي لتأخذ في الاعتبار ظواهر فيزياء الجسيمات مثل التصادمات عالية الطاقة التي يمكن فيها إنشاء أو تدمير الجسيمات دون الذرية، كما وجدت تطبيقات في فروع الفيزياء الأخرى.

النموذج الأولي لنظريات المجال الكمومي هو الديناميكا الكهربية الكمومية (QED)، والتي توفر إطارًا رياضيًا شاملاً للتنبؤ وفهم تأثيرات الكهرومغناطيسية على المواد المشحونة كهربائيًا على جميع مستويات الطاقة، إذ تعتبر القوى الكهربائية والمغناطيسية ناتجة عن انبعاث وامتصاص جزيئات التبادل تسمى الفوتونات.

يمكن تمثيلها على أنها اضطرابات في المجالات الكهرومغناطيسية، مثل التموجات على بحيرة هي اضطرابات في الماء، وفي ظل ظروف مناسبة قد تصبح الفوتونات خالية تمامًا من الجسيمات المشحونة؛ ثم يمكن اكتشافها كضوء وكأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وبالمثل فإن الجسيمات مثل الإلكترونات تعتبر نفسها بمثابة اضطرابات في مجالاتها الكمية، حيث تتفق التنبؤات العددية المستندة إلى (QED) مع البيانات التجريبية في حدود جزء واحد من كل 10 ملايين في بعض الحالات.

قوى النظرية الكمومية:

هناك اعتقاد واسع الانتشار بين علماء الفيزياء بأن قوى أخرى في الطبيعة – القوة الضعيفة المسؤولة عن تحلل بيتا المشع، بحيث 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، ويتم التوسط في كل قوة من خلال مجموعتها الخاصة من جزيئات التبادل وتنعكس الاختلافات بين القوى في خصائص هذه الجسيمات، وعلى 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، حيث أن الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) نظرية المجال الكمومي الحديثة التي تصف تأثيرات القوة القوية بين الكواركات، تتنبأ بوجود جسيمات التبادل 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، وفي مثل هذه النظرية الموحدة سيكون لجميع القوى أصل مشترك وستكون مرتبطة بالتماثلات الرياضية.

ستكون أبسط نتيجة هي أن جميع القوى سيكون لها خصائص متطابقة وأن آلية تسمى كسر التناظر العفوي ستفسر الاختلافات الملحوظة، كما تم تطوير نظرية موحدة للقوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة، النظرية الكهروضعيفة وحصلت على دعم تجريبي كبير، ومن المحتمل أن هذه النظرية يمكن أن تمتد لتشمل القوة الشديدة، إذ توجد أيضًا نظريات تتضمن قوة الجاذبية لكنها أكثر تخمينًا.

الديناميكا الكهربائية الكمية (QED):

تعبر نظرية المجال الكمومي لتفاعلات الجسيمات المشحونة مع المجال الكهرومغناطيسي، فهو يصف رياضيًا ليس فقط كل تفاعلات الضوء مع المادة ولكن أيضًا تفاعلات الجسيمات المشحونة مع بعضها البعض، حيث أن (QED) هي نظرية نسبية في أن نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين مبنية في كل من معادلاتها.

نظرًا لأن سلوك الذرات والجزيئات هو في الأساس كهرومغناطيسي بطبيعته، يمكن اعتبار جميع الفيزياء الذرية بمثابة مختبر اختبار للنظرية، إذ من بين أكثر الاختبارات دقة على (QED) التجارب التي تتناول خصائص الجسيمات دون الذرية المعروفة باسم الميونات، لقد ثبت أن العزم المغناطيسي لهذا النوع من الجسيمات يتفق مع النظرية لتسعة أرقام معنوية، والاتفاق على هذه الدقة العالية يجعل من (QED) واحدة من أنجح النظريات الفيزيائية التي تم ابتكارها حتى الآن.

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

يرتكز (QED) على فكرة أن الجسيمات المشحونة (مثل الإلكترونات والبوزيترونات) تتفاعل عن طريق إصدار وامتصاص الفوتونات وهي الجسيمات التي تنقل القوى الكهرومغناطيسية، وهذه الفوتونات “افتراضية”، أي أنه لا يمكن رؤيتها أو اكتشافها بأي شكل من الأشكال لأن وجودها ينتهك الحفاظ على الطاقة والزخم.

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

يحدث تفاعل جسيمين مشحونين في سلسلة من العمليات ذات التعقيد المتزايد، وفي أبسطها يتم استخدام فوتون افتراضي واحد فقط؛ في عملية من الدرجة الثانية هناك نوعان، إذ 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 التي يتم النظر فيها فإن هذا النوع من المخططات يصف بدقة كيفية حساب المتغير المعني، وتصبح كل عملية دون ذرية أكثر صعوبة من الناحية الحسابية من العملية السابقةوهناك عدد لا حصر له من العمليات ومع ذلك، تنص نظرية (QED )على أنه كلما كانت العملية أكثر تعقيدًا؛ أي كلما زاد عدد الفوتونات الافتراضية المتبادلة في العملية – كلما قل احتمال حدوثها.

غالبًا ما يُطلق على(QED) نظرية الاضطراب بسبب صغر ثابت الهيكل الدقيق والحجم المتناقص الناتج للمساهمات ذات الترتيب الأعلى، وهذه البساطة النسبية ونجاح (QED) جعلته نموذجًا لنظريات المجال الكمي الأخرى، أخيرًا تم نقل صورة التفاعلات الكهرومغناطيسية مثل تبادل الجسيمات الافتراضية إلى نظريات التفاعلات الأساسية الأخرى للمادة والقوة القوية والقوة الضعيفة وقوة الجاذبية.

الديناميكا اللونية الكمومية (QCD):

في الفيزياء النظرية التي تصف عمل القوة الشديدة، حيث تم بناء (QCD) على غرار الديناميكا الكهربائية الكمية (QED)، نظرية المجال الكمومي للقوة الكهرومغناطيسية، ففي (QED )يتم وصف التفاعلات الكهرومغناطيسية للجسيمات المشحونة من خلال الانبعاث والامتصاص اللاحق للفوتونات عديمة الكتلة والمعروفة باسم “جسيمات” الضوء.

هذه التفاعلات غير ممكنة بين الجسيمات المحايدة كهربائياً غير المشحونة، إذ يوصف الفوتون في (QED) بأنه الجسيم “الحامل للقوة” الذي يتوسط أو ينقل القوة الكهرومغناطيسية عن طريق القياس مع (QED)، تتنبأ الديناميكا اللونية الكمومية بوجود جسيمات حاملة للقوة تسمى (gluons)، والتي تنقل القوة الشديدة بين جسيمات المادة التي تحمل “اللون”، وهو شكل من أشكال “الشحنة” القوية.

لذلك فإن تأثير القوة الشديدة يقتصر على سلوك الجسيمات دون الذرية الأولية المسماة الكواركات والجسيمات المركبة المكونة من الكواركات مثل البروتونات والنيوترونات المألوفة التي تشكل النوى الذرية، وكذلك الجسيمات غير المستقرة الأكثر غرابة والتي تسمى الميزونات.

في عام 1973 تم تطوير مفهوم اللون كمصدر “للحقل القوي” إلى نظرية (QCD) من قبل الفيزيائيين الأوروبيين هارالد فريتزش وهاينريش لوتويلر، جنبًا إلى جنب مع الفيزيائي الأمريكي موراي جيل مان.

على وجه الخصوص استخدموا نظرية المجال العامة التي طورها تشين نينج يانج وروبرت ميلز في الخمسينيات، والتي يمكن فيها للجسيمات الحاملة للقوة أن تشع المزيد من الجسيمات الحاملة، (وهذا يختلف عن (QED) حيث لا تشع الفوتونات التي تحمل القوة الكهرومغناطيسية مزيدًا من الفوتونات).

يوجد في (QED) نوع واحد فقط من الشحنة الكهربائية، والذي يمكن أن يكون موجبًا أو سالبًا، وفي الواقع هذا يتوافق مع الشحن والشحن المضاد على النقيض من ذلك، لشرح سلوك الكواركات في (QCD)، يجب أن يكون هناك ثلاثة أنواع مختلفة من شحنة اللون، إذ يمكن أن يحدث كل منها على هيئة لون أو لون مضاد.

تسمى الأنواع الثلاثة للشحنة باللون الأحمر والأخضر والأزرق على غرار الألوان الأساسية للضوء، على الرغم من عدم وجود اتصال على الإطلاق مع اللون بالمعنى المعتاد.

تظهر الجسيمات ذات اللون المحايد بإحدى طريقتين في الباريونات، وهي جسيمات دون ذرية مبنية من ثلاثة كواركات، مثل البروتونات والنيوترونات على سبيل المثال: يكون لكل من الكواركات الثلاثة لون مختلف، وينتج عن مزيج الألوان الثلاثة جسيمًا محايدًا.

من ناحية أخرى يتم بناء الميزون من أزواج من الكواركات والكواركات المضادة، بحيث نظائرها من المادة المضادة، وفي هذه الألوان المضادة للكوارك المضاد يحيد لون الكوارك، بقدر ما تلغي الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة بعضها البعض لإنتاج محايد كهربائيًا موضوع.