نظریه میدان های کوانتومی (QFT)
اگر شما سیگنال رادیویی را مثلاً به مریخ بفرستید شاید زمان سفر آن ۲۰ دقیقه طول بکشد. اما سیگنال رادیویی انرژی و تکانه را از منبع به گیرنده منتقل میکند. اگر انرژی پایسته است پس باید در جایی باشد. انجا کجاست؟
پاسخ در میدان الکترومغناطیس حامل آن است. این استدلال ماکسول و اینشتین را متقاعد کرد که میدان ها واقعی هستند. همین استدلال در مورد هر نیرویی که بی درنگ منتقل نشود به کار می رود.
اساس نظریه میدان های کوانتومی را این ایده ی عجیب تشکیل می دهد که عالم فقط از میدان ساخته شده. اگر از دید میکروسکوپی به یک میز نگاه کنیم آنرا مجموعه ای از میدان های مرتعش شبیه میدان های نامرئی اطراف یک آهنربا می بینیم. با این حال وقتی به میز ضربه می زنید دستتان از آن عبور نمی کند زیرا در فاصله های کوتاه میدان های تشکیل دهنده ی میز میدان های دست شما را دفع می کند. اما میدان های فیزیک کوانتومی میدان های کلاسیک نیستند بلکه میدان های کوانتومی ای هستند که آن هارا توصیف خواهیم کرد.
طرح تداخلی که در آزمایش یانگ پدیدار می شود نشان می دهد که نور پدیده ای موجی است و الکترومغناطیس کلاسیک آنرا به صورت یک موج در میدان الکترومغناطیس (EM) توصیف می کند. فیزیک کوانتومی این گزاره را تغییر نمی دهد. اما وقتی آزمایش یانگ را با نور ضعیف و با استفاده از تصویر برداری با فاصله زمانی انجام دهیم در میابیم که طرح تداخل از تعداد زیادی برخورد های نقطه مانند مشابه نقاشی های نقطه چینی متشکل از تعداد زیادی نقطه های کوچک تشکیل شده است.
🆔 @Physics3p
توصیف این پدیده به اصول فیزیکی جدیدی نیاز دارد: تمام میدان های EM کوانتیده اند. برای یک میدان EM تکفام کوانتیده بودن به این معنی است که انرژی میدان منحصر به مقادیر hf و مقادیر صحیح آن به اضافه ی انرژی خلأ (hf/2) است. این بدین معناست که یک میدان در برهمکنش با صفحه نمایش باید مقادیر صحیح hf ژول انرژی از دست بدهد. به عنوان مثال نمی تواند ۰/۹hf یا ۱/۲hf انرژی از دست بدهد. انرژی برهمکنش hf ژول را یک کوانتوم میدان انرژی می نامند که فوتون هم نامیده می‌شود. این کوانتوم ناشی از کل میدانی است که به طور پیوسته پیش از برهمکنش روی صفحه گسترده بوده است. در هنگام برهمکنش، کوانتوم با قرار دادن انرژی خود روی یک اتم صفحه، بلافاصله فرو می پاشد زیرا اگر این کوانتوم به قسمت های کوچکتر تجزیه شود اصل کوانتیده بودن را نقض میکند. (مثلا اگر تجزیه شود و ۰/۵hf از آن باقی بماند اصل کوانتیده بودن را نقض کرده). hf ژول انرژی میدان در ناحیه میکروسکوپی مقابل صفحه نمایش بلافاصله فرو می ریزد.
کوانتیده بودن ماده:
آزمایش یانگ در سال ۱۹۷۴ به جای استفاده از باریکه نور با الکترون ها انجام شد. نتیجه این آزمایش درست مانند آزمایش با باریکه نور بود و الگوی تداخلی ایجاد شد. توجیه این آزمایش به مفهوم جدید دیگری نیاز دارد: نوع جدیدی از میدان در طبیعت با نام میدان الکترون-پوزیترون.
این میدان هم مانند بقیه میدان های بنیادی طبیعت کوانتیده است. اما این بار کوانتوم ها الکترون نامیده می شوند. هر کوانتوم میدان یعنی هر الکترون از هر دو شکاف می گذرد و طرح تداخلی را روی صفحه نمایش تشکیل می دهدو سپس روی صفحه نمایش به صورت کاتوره ای به بخش کوچکی از صفحه فرو میریزد.
در واقع نه الکترون ها ذره اند و نه فوتون ها بلکه تکه ها یا بسته های کوچکی از میدان هستند که در ناحیه x∆ از فضا گسترده شده است و از اصل عدم قطعیت پیروی می کند.به عنوان مثال الکترون ها فقط از این نظر ذرات نقطه ای هستند که x∆ را می توان به دلخواه کوچک کرد (البته به قیمت از دست دادن P∆).
🆔 @Physics3p
اگر شما سیگنال رادیویی را مثلاً به مریخ بفرستید شاید زمان سفر آن ۲۰ دقیقه طول بکشد. اما سیگنال رادیویی انرژی و تکانه را از منبع به گیرنده منتقل میکند. اگر انرژی پایسته است پس باید در جایی باشد. انجا کجاست؟
پاسخ در میدان الکترومغناطیس حامل آن است. این استدلال ماکسول و اینشتین را متقاعد کرد که میدان ها واقعی هستند. همین استدلال در مورد هر نیرویی که بی درنگ منتقل نشود به کار می رود.
اساس نظریه میدان های کوانتومی را این ایده ی عجیب تشکیل می دهد که عالم فقط از میدان ساخته شده. اگر از دید میکروسکوپی به یک میز نگاه کنیم آنرا مجموعه ای از میدان های مرتعش شبیه میدان های نامرئی اطراف یک آهنربا می بینیم. با این حال وقتی به میز ضربه می زنید دستتان از آن عبور نمی کند زیرا در فاصله های کوتاه میدان های تشکیل دهنده ی میز میدان های دست شما را دفع می کند. اما میدان های فیزیک کوانتومی میدان های کلاسیک نیستند بلکه میدان های کوانتومی ای هستند که آن هارا توصیف خواهیم کرد.
طرح تداخلی که در آزمایش یانگ پدیدار می شود نشان می دهد که نور پدیده ای موجی است و الکترومغناطیس کلاسیک آنرا به صورت یک موج در میدان الکترومغناطیس (EM) توصیف می کند. فیزیک کوانتومی این گزاره را تغییر نمی دهد. اما وقتی آزمایش یانگ را با نور ضعیف و با استفاده از تصویر برداری با فاصله زمانی انجام دهیم در میابیم که طرح تداخل از تعداد زیادی برخورد های نقطه مانند مشابه نقاشی های نقطه چینی متشکل از تعداد زیادی نقطه های کوچک تشکیل شده است.
🆔 @Physics3p
توصیف این پدیده به اصول فیزیکی جدیدی نیاز دارد: تمام میدان های EM کوانتیده اند. برای یک میدان EM تکفام کوانتیده بودن به این معنی است که انرژی میدان منحصر به مقادیر hf و مقادیر صحیح آن به اضافه ی انرژی خلأ (hf/2) است. این بدین معناست که یک میدان در برهمکنش با صفحه نمایش باید مقادیر صحیح hf ژول انرژی از دست بدهد. به عنوان مثال نمی تواند ۰/۹hf یا ۱/۲hf انرژی از دست بدهد. انرژی برهمکنش hf ژول را یک کوانتوم میدان انرژی می نامند که فوتون هم نامیده می‌شود. این کوانتوم ناشی از کل میدانی است که به طور پیوسته پیش از برهمکنش روی صفحه گسترده بوده است. در هنگام برهمکنش، کوانتوم با قرار دادن انرژی خود روی یک اتم صفحه، بلافاصله فرو می پاشد زیرا اگر این کوانتوم به قسمت های کوچکتر تجزیه شود اصل کوانتیده بودن را نقض میکند. (مثلا اگر تجزیه شود و ۰/۵hf از آن باقی بماند اصل کوانتیده بودن را نقض کرده). hf ژول انرژی میدان در ناحیه میکروسکوپی مقابل صفحه نمایش بلافاصله فرو می ریزد.
کوانتیده بودن ماده:
آزمایش یانگ در سال ۱۹۷۴ به جای استفاده از باریکه نور با الکترون ها انجام شد. نتیجه این آزمایش درست مانند آزمایش با باریکه نور بود و الگوی تداخلی ایجاد شد. توجیه این آزمایش به مفهوم جدید دیگری نیاز دارد: نوع جدیدی از میدان در طبیعت با نام میدان الکترون-پوزیترون.
این میدان هم مانند بقیه میدان های بنیادی طبیعت کوانتیده است. اما این بار کوانتوم ها الکترون نامیده می شوند. هر کوانتوم میدان یعنی هر الکترون از هر دو شکاف می گذرد و طرح تداخلی را روی صفحه نمایش تشکیل می دهدو سپس روی صفحه نمایش به صورت کاتوره ای به بخش کوچکی از صفحه فرو میریزد.
در واقع نه الکترون ها ذره اند و نه فوتون ها بلکه تکه ها یا بسته های کوچکی از میدان هستند که در ناحیه x∆ از فضا گسترده شده است و از اصل عدم قطعیت پیروی می کند.به عنوان مثال الکترون ها فقط از این نظر ذرات نقطه ای هستند که x∆ را می توان به دلخواه کوچک کرد (البته به قیمت از دست دادن P∆).
🆔 @Physics3p
آموزش فیزیک ذرات بنیادی
نوشته ی آرت هابسون ترجمه مرجان روح نواز