نظریه میدان کوانتومی چیست؟
همان طور که احتمالا میدانید فیزیکدان ها از چند قرن قبل از شکل گیری نظریه کوانتومی با مفهوم «میدان نیرو» آشنا بودند. به عنوان مثال ایزاک نیوتون در قرن هفدهم میلادی در نظریه گرانش خود مفهوم «میدان نیروی گرانشی» را فرمول بندی کرده بود.
مفهوم میدان الکترومغناطیسی نیز در اواسط قرن نوزدهم میلادی توسط جیمز کلارک ماکسول در قالب معادلات الکترومغناطیس ماکسول تبیین شده بود. اما همگی این میدان های نیرویک ویژگی مشترک و اسرارآمیز دارند و آن مسأله انتقال نیرو از راه دور است. به عنوان مثال یک ذره باردار نظیر الکترون با ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی، خاصیتی را در گستره فضای پیرامون خود ایجاد می کند؛ به طوری که هر ذره باردار دیگری که در این فضا قرار گیرد، بدون هیچ گونه تماس مستقیمی با ذره اول و از راه دور تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی حاصل از آن قرار می گیرد.
اما به راستی این انتقال از راه دور نیرو در یک میدان چگونه صورت می گیرد و مثلا چه عاملی سبب می شود که یک الکترون بتواند از راه دور به الکترون دیگری نیرو وارد کند؟ ماهیت اسرارآمیز میدان به معمایی برای فیزیکدان ها تبدیل شده بود تا اینکه پل دیراک، فیزیکدان برجسته انگلیسی که در شماره قبلی داستان شگفت انگیز کوانتوم» با او آشنا شدیم پس از تلفیق مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت خاص اینشتین و بسط «مکانیک کوانتومی نسبیتی» توانست پاسخ آن را بیابد. دیراک به کمک معادلات مکانیک کوانتومی نسبیتی به واقعیتی شگفت انگیز در مورد ماهیت میدان الکترومغناطیسی پی برد.
دیراک کشف کرد میدان الکترومغناطیسی حاصل از ذرات باردار و نیرویی که به واسطه این میدان مابین این ذرات برقرار می شود در واقع ماحصل رد و بدل کردن مستمر انبوهی از فوتون هامابین ذرات مزبور است. یعنی به عنوان مثال هنگامی که دو الکترون به واسطه میدان الکترومغناطیسی خود از راه دور همدیگر را دفع می کنند در واقع هر الکترون در هر لحظه در حال گسیل تعداد زیادی فوتون به سوی الکترون دیگر و در عین حال جذب فوتون های گسیل شده از الکترون مزبور است و همین فرایند گسیل و جذب مستمر فوتون ها مابین الکترونها (و همین طور سایر ذرات باردار) است که مفهوم میدان الکترومغناطیسی و کنش از راه دور را ایجاد می کند (دقیقا همان طور که دو نفر با پرتاب توپ های سنگین به سوی همدیگر می توانند از راه دور هم به همدیگر نیرو وارد کنند.
البته باید توجه داشت که امکان آشکارسازی این فوتون های واسط و حامل نیرو که مستمرا مابین ذرات باردار رد و بدل می شوند به طور مستقیم وجود ندارد و در نتیجه این فوتونها بر خلاف فوتون های معمولی مستقیما قابل مشاهده نیستند؛ با این حال به طور غیر مستقیم می توان به آثار و نشانه های وجود آنها پی برد. بدین ترتیب دیراک به کمک مفهوم تبادل مستمر فوتون ها مابین ذرات باردار عملا توانست مفهوم میدان الکترومغناطیسی و مفهوم کنش از راه دور را بر اساس مکانیک کوانتومی نسبیتی توضیح دهد. بعدها سه فیزیکدان دیگر به نامهای ریچارد فاینمن، جولیان شوینگروسین ایتیروتوموناگا بابسط نظریه میدان کوانتومی دیراک، نظریه جامع تری را به نام «نظریه الکترودینامیک کوانتومی» برای تبیین میدان الکترومغناطیسی ارائه دادند؛ نظریه ای که دید بشر را نسبت به مفهوم اسرارآمیز میدان برای همیشه متحول کرد.
