لماذا يحب فيزيائيو الجسيمات قضاء الوقت في الحقول؟

عندما كنا نستعد لأول مرة لإطلاق العمود الخاص بي لـ عالم جديد، سألني محرري عما أود أن أسميه. قلت: “ملاحظات ميدانية من الزمكان”. يحتوي هذا العنوان على معنى مزدوج قد لا يكون واضحًا، لكنه كان ممتعًا بالنسبة لي كفيزيائي. إنها إشارة إلى الفكرة العلمية المتمثلة في تدوين الملاحظات أثناء التواجد في الميدان – دفتر ملاحظات مختبري من نوع ما. وفي الوقت نفسه، فهو يشير إلى مفهوم محدد مهم جدًا في فيزياء الجسيمات: المجال نفسه.

قد تظن أن الحقل عبارة عن مساحة كبيرة مفتوحة تجدها في المزرعة، لكن في الفيزياء يعتبر الأمر أكثر تجريدًا. في الأساس، الحقل عبارة عن علاقة رياضية تحدد رقمًا لكل نقطة في المكان والزمان. والقصد من ذلك هو وصف بعض الظواهر الفيزيائية في ذلك الموقع. على سبيل المثال، عندما تشعر بسحب مغناطيس الثلاجة بالقرب من باب الثلاجة، فإن هناك قوة مغناطيسية تعمل بين الاثنين. ولهذه القوة قيمة مجال مغناطيسي في كل موقع في الفضاء، وتزداد قوة مع تقلص المسافة بين المغناطيس والثلاجة.

في الواقع، المرة الأولى التي استخدم فيها الفيزيائي كلمة “مجال” بهذه الطريقة كانت عندما كان عمره 19 عامًا^ذكان عالم القرن مايكل فاراداي يدرس مغناطيسية عنصر البزموت. أثناء العمل على كتابي الجديد، قرأت تدوينات يومياته ورأيت المرة الأولى التي استحضر فيها الفكرة الميدانية، لكنني تساءلت كيف وصل فاراداي إلى هذه اللغة. لا أعرف على وجه اليقين، لكن نظريتي الخاصة هي أن الأمر مرتبط بالطريقة التي كان بها فاراداي غير عادي في عصره. وخلافًا لغيره من الفيزيائيين في عصره، فقد جاء من عائلة من الطبقة العاملة. وُلِد والداه ونشأا في قرية وينحدران من خلفية زراعية. وبعبارة أخرى، كانوا أشخاصًا يعيشون في علاقة وثيقة بالأرض. في ذهني، أتخيل فاراداي يفكر في الخصائص غير المرئية للمساحات المفتوحة الواسعة التي تعمل بها عائلات مثل عائلته.

الفكرة الميدانية لم تبقى في عالم المغناطيسية. واحدة من أكثر الابتكارات الهائلة في العشرين^ذ كان القرن العشرين هو تقاطع المجالات مع النظريات التحويلية لفيزياء الكم، والتي دعت العلماء بالفعل إلى فهم الجسيمات والأمواج على أنها ذات علاقة مزدوجة. بمعنى آخر، الجسيمات مثل الإلكترونات هي أيضًا موجات، والموجات مثل المجال الكهرومغناطيسي هي أيضًا جسيمات (والتي نسميها الفوتونات). لم يمض وقت طويل بعد أن ارتاح المجتمع لفكرة ازدواجية الموجة والجسيم، أصبح من الواضح أنه لا بد من وجود علاقة أعمق بين الكم والمجال.

وفي عملية تطوير صورة كمومية كاملة للفوتون، أصبحت الحقول ضرورية مرة أخرى. لكن هذه المرة، كانت حقولًا كمومية. مثلما يحدد المجال المغناطيسي مقدار القوة المغناطيسية الموجودة في كل نقطة في الفضاء، يحدد المجال الكمي عدد الجسيمات التي يمكن إنشاؤها أو تدميرها في كل نقطة في الفضاء. ونتيجة لذلك نقول إن جميع الإلكترونات تخرج من مجال الإلكترون الكمي، وهكذا بالنسبة للجسيمات الأخرى. ونعتقد أيضًا أن المادة المظلمة، التي تبدو غير مرئية ولكنها تتصرف بطرق أخرى وكأنها مكونة من جسيمات، لها مجال مماثل لم نكتشفه بعد. الكون مليء بالجسيمات الخارجة من الفراغ، وذلك بفضل الحقول الكمومية. وبهذا المعنى، عندما أكتب عن أي شيء في هذا العمود، فإنني أكتب ملاحظات ميدانية حرفية، من الزمكان.

ماذا تقرأ؟

أنا مهووس تماما بيان هيرمان ملفيل بواسطة باري ساندرز.

ماذا تشاهد؟

أنا أحب الموسم الأخير من المأجورون.

ما الذي تعمل عليه؟

بعد الانتهاء من الانطلاقة حافة الزمان والمكان في الولايات المتحدة، أركز الآن على إصدار المملكة المتحدة!