اکنون درک شده است که ذرات و نیروها نتیجه میادین هستند . زمینه های کوانتومی . فیلد یک شی ریاضی است که در هر نقطه از فضا و در هر لحظه از زمان مقداری می گیرد. میدان های کوانتومی ، میدان هایی هستند که انرژی و حرکت را حمل می کنند و از قوانین مکانیک کوانتوم پیروی می کنند. یک نتیجه از مکانیک کوانتوم این است که یک میدان کوانتومی انرژی را در "توده های" گسسته حمل می کند. ما به این توده ها ذرات می گوییم . همه آنها توده هایی در یک میدان هستند (مثلاً میدان الکترون).
این فیلدها که ساده ترین آن یک میدان اسکالر است. فیلد اسکالر یک عدد ساده در هر نقطه از مکان و زمان است. یک احتمال دیگر یک قسمت برداری است: اینها به هر نقطه از مکان و زمان یک بردار اختصاص می دهند (یک پیکان با اندازه و جهت). امکانات عجیب و غریب بیشتری نیز وجود دارد. اصطلاح اصطلاحات واژگان برای طبقه بندی همه آنها spin است که در واحدهای یک و نیم ارائه می شود. بنابراین می توانید زمینه های چرخش داشته باشید0,12,1,32,2,⋯. چرخش0 مقیاس پذیر هستند و می چرخند 1 بردارها هستند
معلوم می شود (این پیامد دیگر نسبیت است) ذرات با نصف عدد صحیح می چرخند (1/2,3/2,⋯) از اصل محرومیت پائولی پیروی کنید . این بدان معنی است که هیچ دو ذره یکسان با چرخش ندارند1/2می تواند همان مکان را اشغال کند. این بدان معناست که این ذرات غالباً رفتاری مانند انتظار شما از ذرات کلاسیک دارند. ما این ماده ها را ذرات می نامیم ، و تمام عناصر اصلی سازنده جهان (الکترون ، کوارک و غیره) در حال چرخش هستند1/2.
از طرف دیگر ، ذرات چرخش صحیح از آمار بوز-انیشتین اطاعت می کنند (بازهم نتیجه نسبیت). این بدان معناست که این ذرات "دوست دارند با هم باشند" ، و بسیاری از آنها می توانند دور هم جمع شوند و حرکتهای موج بزرگی شبیه به میدان های کلاسیک نسبت به ذرات ایجاد کنند. اینها زمینه های نیرو هستند. ذرات مربوطه حامل های نیرو هستند. مثالها: چرخش0 هیگز ، چرخش 1 فوتون ها ، ذرات نیروی ضعیف W±,Z، و نیروی قوی حامل گلونها است و می چرخد 2گراویتون ، حامل گرانش. (این واقعیت و واقعیت قبلی را قضیه آماری چرخش می نامند .)
فعل و انفعال بین دو ذره با "بار" q1,2 مثل می رود ∓q1q2برای همه نیروها ( این نتیجه مکانیک کوانتوم است) ، اما توضیح این نشانه مشکل است. به دلیل نسبیت خاص ، تعامل بین یک ذره و یک حامل نیرو بسته به چرخش حامل نیرو باید شکل خاصی پیدا کند (این مربوط به نحوه متحد شدن فضا و زمان در یک چیز واحد به نام زمان-زمان است ). برای هر واحد چرخش ، حامل نیرو باید علامت منهای را وارد کنید (این علامت منفی از چیزی به نام " متریک " ناشی می شود ، که در نسبیت به شما می گوید که چگونه فضا زمان را محاسبه کنید. به ویژه به شما می گوید که چگونه فضا و زمان متفاوت هستند و چگونگی مشابه آنها هستند). بنابراین برای چرخش0 شما یک −: مانند اتهامات جلب می کند. برای چرخش1 شما یک +: مانند دفع می کند! و برای چرخش2 شما یک −دوباره: مانند جذب می کند. اکنون برای گرانش "بار" معمولاً جرم نامیده می شود و همه جرم ها مثبت هستند. بنابراین می بینید که گرانش از نظر جهانی جذاب است!
بنابراین در نهایت این نشانه از این واقعیت ناشی می شود که فوتون ها یک واحد چرخش را حمل می کنند و این واقعیت است که فعل و انفعالات بین فوتون ها و ذرات ماده باید از قوانین نسبیت خاص پیروی کنند. به تعامل چشمگیر نسبیت و مکانیک کوانتوم در محل کار توجه کنید.
حالا چرا اتم ها و مولکول ها به طور کلی جذب می شوند؟ این در واقع یک سوال پیچیده تر است! ؛) (زیرا ذرات زیادی در آن دخیل هستند.) نیروی بین اتم ها نیروی الکتریکی باقیمانده ای است که پس از تقریباً لغو شدن الکترون ها و پروتون ها از یکدیگر باقی مانده است . نحوه اندیشیدن در اینجا به این صورت است: الکترونهای یک اتم به هسته های هر دو اتم جذب می شوند و همزمان توسط الکترون های دیگر دفع می شوند. بنابراین اگر الکترونهای دیگر کمی رانده شوند ، عدم تعادل شارژ جزئی در اتم ایجاد می شود و پس از بررسی تمام جزئیات ، این امر باعث ایجاد یک نیروی خالص خالص می شود که به آن نیروی پراکندگی می گویند.. انواع مختلفی از نیروهای پراکندگی ( ، ون در والس و غیره) وجود دارد که به جزئیات پیکربندی اتمها / مولکول های مربوطه بستگی دارد. اما همه آنها اساساً به دلیل فعل و انفعالات الکترواستاتیک باقیمانده است.
مطالعه بیشتر: من مقالات آموزشی مت استراسلر در مورد فیزیک ذرات و نظریه میدان را توصیه می کنم بنابراین شما نیاز احتمالا حداقل دو سال از مقطع کارشناسی رشته فیزیک و یک تلاش هماهنگ برای پیشرفت در آن است.من از نوشتن فرمول خودداری کرده چون هم رشته من نیست و در سطح ارشد هست
برای تعامل بین یک الکترون و یک پوزیترون ، نمودارهای فاینمن (بی نهایت) زیادی با عبارات ریاضی به خوبی توصیف شده برای ذرات ورودی و خروجی و تمام فاکتورهای رأس و ذرات مجازی مطابقت دارند ، همراه با نسخه ای برای محاسبه از این دامنه احتمال پراکندگی دو ذره.
من می دانم که شما نمی توانید نمودارها را به معنای واقعی به عنوان دو ذره متحرک در مکان و زمان ببینید. در غیر این صورت ، فعل و انفعال بین الکترون و پوزیترون نشان می دهد که دو ذره خروجی دارای لحظه ای هستند که می توانند تصاویر آینه ای باشند (منعکس شده به عمودی که از نقطه رئوس عبور می کند ، زمانی که زمان محور عمودی است) از آنهایی که در نمودار واقعی فاینمن قرار دارند. (که می توانید آن را با نمودار دوم فاینمن در تعامل بین دو الکترون مقایسه کنید) یا دو ذره ورودی با حرکت صفر به عنوان خطوط عمودی نشان داده می شود.
من تعجب می کردم که چگونه هر ذره (در تعامل بین الکترون و پوزیترون) که بار ذره دیگر را دارد "می داند"؟
بیایید فرض کنیم الکترون و پوزیترون دارای سه حرکت صفر هستند
فوتون مجازی (که انرژی و سه تکانه برای آن مستقل است ؛ یعنی روی پوسته جرم قرار نمی گیرند) در راس الکترون-فوتون-الکترون مجازی برای حفظ چهار تکانه و در نتیجه سه حرکت است ، دارای یک سه حرکت مخالف با سه حرکت در راس فوتون-الکترون پوزیترون-مجازی است. که متناقض نیست زیرا فوتون ها مجازی هستند.
ضمناً ، این دو برهم کنش در راسها به دلیل خط فوتون مجازی افقی و موج دار همزمان اتفاق می افتند (زمان عمودی است). فوتون مجازی ساطع یا جذب نمی شود (یا هر دو همزمان). فقط آنجاست.
بنابراین چگونه فوتون مجازی [یک فوتون واقعی (که در واقع یک فوتون مجازی بسیار نزدیک به پوسته جرمی آن است) هیچ تفاوتی بین + یا - بارها ایجاد نمی کند به یک ذره اجازه می دهد تا بداند که بار ذره دیگر از کدام بار الکتریکی برخوردار است؟
آیا قدرت اتصال به آن ربطی دارد؟
بنابراین دانشجو معمولاً با گفتن اینکه ذرات مجازی "واقعی" نیستند و فقط وسیله ای محاسباتی برای انجام تئوری آشفتگی هستند ، به چنین سوالاتی کاملا منطقی پاسخ می دهند. اما به نظر نمی رسد که این واقعاً پاسخگوی "روح" Question شما باشد: وقتی الکترون و پوزیترون با هم ارتباط برقرار می کنند ، مشخصاً چیزی وجود دارد که "به آنها اجازه می دهد تا بدانند" بار یکدیگر چیست: الکترونی که به پوزیترون نزدیک می شود رفتاری متفاوت دارد الکترون نزدیک به الکترون حرکت کرد. معمای شما این است: اگر تنها چیزی که تعامل بین الکترون ها را تعریف می کند یک فوتون مجازی است ، پس آنها از کجا شارژ یکدیگر را می دانند؟
پاسخ اساساً این است: فقط فوتون مجازی نیست که تعامل را تعریف می کند. الکترونها همچنین می دانند که هامیلتونین چیست یا "در تعامل اطلاعات بیشتری از آنچه فوتون مجازی در خود حمل می کند وجود دارد". با این وجود شما تصمیم می گیرید که این مورد را در تجسم خود از چگونگی تعامل ذرات متصل کنید ، به شما بستگی دارد ، اما این محدودیت های تجسم برهم کنش الکترومغناطیسی را به عنوان "یک فوتون که به عقب و جلو تف می شود" و هیچ چیز دیگری برجسته می کند.
در اینجا هیچ فوتون مجازی به عنوان یک موجود فیزیکی وجود ندارد. نه تنها نه جذب می شود و نه ساطع می شود ، بلکه به عنوان هیچ چیز فیزیکی وجود ندارد . این به معنای واقعی کلمه فقط یک خط در نمودار فاینمن است. این نشان دهنده یک حالت میانی "ساختگی" است که از حالت واقعی سیستم در هر زمان متمایز است ، همانطور که در این پاسخ در مورد رابطه بین ذرات مجازی و حالتهای میانی بحث کردم. فوتون مجازی نمی تواند همان چیزی باشد که "بار" ذرات را به یکدیگر "ارتباط" می دهد زیرا در یک توصیف بدون اختلال وجود ندارد (یا حتی در یک توصیف مزاحم که نمودارها را ترسیم نمی کند ، بنابراین ما را واضح نمی دهد) خط برای غوطه وری با هستی شناسی فوتون).
در یک روند نسبتاً شرم آور ، ما فضای ایالت ها را برای یک نظریه میدان کوانتومی متقابل دلخواه نمی دانیم. با قضیه هاگ ، این مساوی با فضای آزاد حالاتی نیست که ذراتی که دوست داریم در مورد آنها صحبت کنیم ، زندگی می کنند. "الکترون ها" ، "پوزیترون ها" ، "فوتون ها" ، آنها در حد نظریه ای زندگی می کنند که در آن فاصله بسیار زیادی دارند و می توان آنها را به طور موثر توصیف کرد که تعامل ندارند. فضاهای متقابل پیچیده هستند - گاهی اوقات آنها مانند فضای آزاد به نظر می رسند ، اما با توده های مختلف ، و گاهی اوقات ممکن است به هیچ وجه شبیه یک فضای Fock نباشند ،
بنابراین این Question که "چگونه" ذرات متقابل بارهای یکدیگر را می دانند با این واقعیت که ما حتی توصیف خوبی از وضعیت ذرات هنگام تعامل نداریم ، پیچیده است. حتی ممکن است هیچ ذره ای از ذرات "ذره" قابل تشخیص در حالت فعل و انفعال وجود نداشته باشد. ذرات.
تکامل زمانی در نظریه های کوانتوم و به ویژه نظریه های میدان کوانتومی ، یک جعبه سیاه است که به طور رسمی توسط لاگرانژی (یا همیلتونین) نظریه مشخص شده است. این برای محاسبه پیش بینی های حیرت انگیز دقیق از نتایج فعل و انفعالات شبه پراکندگی کافی است ، و این بسیار کمتر از آنچه در نگاه اول تصور می شود محدود است (رجوع کنید به عنوان مثال برنامه های QFT در تئوری ماده چگال در مقایسه با آزمایش های با انرژی بالا). اما این جعبه سیاه هیچ تفسیری قابل خواندن توسط انسان و هیچ داستانی از "چگونه" تعامل اتفاق نمی افتد.
شاید این یک نقص در تئوری ما باشد ، نشانه این که ما هنوز هم می توانیم بهتر عمل کنیم. اما شاید این نشانه ای از کمبود در طبیعت باشد - هیچ دلیل قانع کننده ای وجود ندارد که طبیعت در رژیم کوانتومی باید به گونه ای رفتار کند که بتواند توسط شهود و زبان طبیعی ما ضبط شود که در جهانی شکل گرفته است که از نظر ظاهری کاملاً کلاسیک به نظر می رسد.
یک فوتون به خودی خود فقط یک مجرای انرژی و حرکت است. در پراکندگی کامپتون ، جایی که فقط یک فوتون واقعی درگیر است ، الکترون ضرب شده و منحرف هیچ نشانی از این ندارد که اشعه ایکس از یک اتم گرفته شده است یا از یک ضد اتم! این دقیقاً همان کار را انجام می دهد.
وقتی الکترون را از الکترون / پوزیترون پراکنده می کنید (برای جلوگیری از نمودارهای عرضی ممکن است ذره قابل تحمل شارژ را μ + یا μ- قرار دهید) با مبادله فقط یک فوتون مجازی به کمترین مرتبه ، همانطور که می بینید دامنه ها کار می کنند ، پاسخها یکسان هستند ، به جز اینکه دامنههای بیش از حد با علامت منفی متفاوت هستند ، همانطور که توسط پتانسیل کولن که در حد نرم دامنه متولد می شوید محاسبه می شود . از نظر شارژ درجه دو است ، بنابراین بسته به منبع (μ + یا μ-) علامت چرخش می کند.
در هر نمودار و در هر راس ، همان نوع فوتون ها به ذرات مثبت و منفی زوج می شوند و انرژی و حرکت حفظ می شود. تنها کنجکاوی فوتونهای مجازی (داخلی) این است که آنها حالتهای بدون جرم ندارند ، اما چه کسی اهمیت می دهد؟ اگر بسته به سطح مقطع فقط نگاه کنیدe4، شما باید هیچ تفاوتی ببینید. (به یاد بیاورید بخش مقطعی رادرفورد نشانه شارژ هسته ای را نمی خواند)
در نمودار درختی الاستیک پراکنده ، سینماتیک کاملاً ثابت است. اگر e و μ اولیه در حالت استراحت باشند ، همانطور که در بینایی شما مشاهده می شود ، آنها فقط می توانند یک فوتون مجازی از حرکت صفر و انرژی صفر را مبادله کنند ، زیرا محصولات خروجی نمی توانند انرژی را ذخیره کنند و در حالت آرام قرار نگیرند.