الکترودینامیک کوانتومی به زبان ساده

1. مقدمه‌ای بر الکترودینامیک کوانتومی

الکترودینامیک کوانتومی یکی از مهمترین دسته‌های فیزیک کوانتومی است که بررسی خصوصیات الکترومغناطیسی موجودات کوچک و ماده در معرض میدان الکترومغناطیسی را به عهده دارد. در واقع، علم الکترودینامیک کوانتومی، به بررسی قوانین الکترومغناطیسی و دینامیکال سیستم‌های مادی در حالت کوانتومی، پرداخته و توصیف‌کننده شدیداً دقیقی از این زمینه ارائه می‌دهد.

در الکترودینامیک کلاسیک، پدیده‌های الکترومغناطیسی با استفاده از فیزیک برداری شرح داده می‌شوند. اما در الکترودینامیک کوانتومی، پدیده های الکترومغناطیسی بصورت تابع موجی از حالت کوانتومی ذرات، موجودات کوچک و ماده مورد نظر بیان میشوند. بنابراین، در الکترودینامیک کوانتومی، تفاوت چشمگیری با الکترودینامیک کلاسیک وجود دارد.

بخشی از علاقه‌مندی‌های فیزیک نظری به الکترودینامیک کوانتومی، به دلیل این است که همراه با فیزیک کوانتومی در یک روابط رفتار الکترومغناطیسی و میدانی بهتر در معرض میدان الکترومغناطیسی است. در تلاش برای توصیف این پدیده، فیزیکدانان از حل معادلات موج شرووودینگر استفاده می‌کنند. در واقع، الکترودینامیک کوانتومی پایه‌ای بوده و همچنین در ارتباط با سایر بخش‌های فیزیک کوانتومی و کمّی خصوصاً در طول شبیه‌سازی و پیش‌بینی رفتار کوانتومی سیستم‌های در حال تغییر، کاربرد دارد.

2. میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی

میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی دو مفهوم اساسی در فیزیک هستند که به طور مجزا اما با پیوند تنگاتنگ با یکدیگر وجود دارند. میدان الکتریکی به معنای وجود یک پتانسیل الکتریکی حول یک شیء است که می‌تواند بر روی بارهای الکتریکی ایجاد نیروی جذب و دفع کند. بدین ترتیب، میدان الکتریکی کار اصلی خود را در جریانات الکتریکی انجام می‌دهد.

از سویی دیگر، میدان مغناطیسی نیز به اندازه میدان الکتریکی مهم است. میدان مغناطیسی به معنای وجود یک شار مغناطیسی (یعنی حول یک شیء) است که می‌تواند بر روی جریان‌های الکتریکی اثر بگذارد. بدین ترتیب، میدان مغناطیسی برای مثال در موتور‌های الکتریکی یا دستگاه‌های generate کننده انرژی بسیار اهمیت دارد.

در طبیعت، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی به صورت همزمان و با پیوستگی به هم وجود دارند. برای نمونه، اگر یک شار مغناطیسی به طور مستمر در دور ثانویه یک transformator تغییر کند، یک میدان الکتریکی نیز حول آن ایجاد خواهد شد که می تواند به سمت تولید انرژی حرکتی باشد. از این رو، برای مضاعف کردن قابلیت استفاده از این دو پدیده، از میدان الکترومغناطیسی یا همان فراصوت استفاده می‌شود. در واقع، این نوع از میدان‌ها به طور موثر توانستند به بسیاری از صنایع مثل هواپیمایی، صنایع فضایی، نیروگاه‌های اتمی و... خدمت کنند.

3. شار و چگالی بار

شار و چگالی بار دو متغیر مهم در علم الکترومغناطیس هستند. شار به معنای مقدار بسامدی از یک فیلد الکتریکی یا مغناطیسی است که از یک سطح خاص می‌گذرد. به عبارت دیگر، شار بیشتر به میزان جرم یا حجم ماده‌ای بر اساس فیلدهای الکتریکی یا مغناطیسی است که از آن عبور می‌کند. شار به واحد وبر، کولومب یا تسلا بر متر مربع اندازه گیری می‌شود.

در حالی که چگالی بار به معنای میزان بار بر واحد حجم یا سطح می باشد. یعنی چگالی بار بیشتر به تعداد یا تراکم بارها برای یک واحد سطح یا حجم اعمال شده است. پذیرفته شده است که واحد چگالی بار کولومب بر متر مکعب هست.

تفاوت این دو متغیر مهم، رابطه آنها را در فیزیک برق و مغناطیس را تاکید می کند.مثلا برای محاسبه شار از یک سطح خاص استفاده می شود تا بدانیم چه مقدار از فیلد الکتریکی یا مغناطیسی از آن عبور می کند. از طرفی، محاسبه چگالی بار برای یک منطقه خاص از فیلد الکتریکی یا مغناطیسی استفاده می شود، برای دانستن مقدار بار در این منطقه است. در نتیجه، شار و چگالی بار با هم ترکیب شده و این برای حل معادلات فیزیکی و محاسبه خواص الکتریکی و مغناطیسی بسیار مهم است.

4. مقایسه میدان الکتریکی و مغناطیسی

مقایسه میدان الکتریکی و مغناطیسی نوعی بررسی است که در آن اختلافات و تفاوت‌های بین این دو نوع میدان وجود دارد. میدان الکتریکی شامل مجموعه‌ای از خطوط نیروی الکتریکی است که به دلیل وجود بارهای الکتریکی در محیط ایجاد می‌شود، در حالی که میدان مغناطیسی به دلیل حرکت الکترون‌ها و یا ماده‌های آهنربای تحت تأثیر خطوط نیروی میدان الکتریکی تولید می‌شود.

یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های بین این دو نوع میدان این است که میدان الکتریکی قابل شناسایی و قابل اندازه‌گیری در مقایسه با میدان مغناطیسی است. علاوه بر این، اثرات میدان الکتریکی در ایجاد جریان الکتریکی با قدرت بیشتری نسبت به اثرات میدان مغناطیسی است.

همچنین، در میدان الکتریکی نوع بارهای الکتریکی می‌تواند مثبت یا منفی باشد، در حالی که در میدان مغناطیسی همیشه همبستگی بین جفت قطبی وجود دارد. در ضمن، در میدان مغناطیسی امواج الکترومغناطیسی گسترده‌تر و قابل شناسایی تر هستند، و همچنین آن ها برای کاربردهای مختلفی مانند تصویربرداری پزشکی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با توجه به این تفاوت‌ها، مشخص است که استفاده از هر یک از این دو نوع میدان وابسته به شرایط مختلف می باشد. برای مثال، در تصویربرداری پزشکی از میدان مغناطیسی استفاده می‌شود، در حالی که در ایجاد شارژ برق برای مصارف خانگی از میدان الکتریکی استفاده می‌گردد.

5. معادلات ماکسول

معادلات ماکسول یکی از پایه‌های فیزیک و ابزار مهمی برای توصیف رفتار میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در فضا زمان هستند. این معادلات، توسط فیزیکدان مشهور جیمز کلرک ماکسول در قرن نوزدهم برای اولین بار پیشنهاد شدند و سپس به طور خلاصه در نوشته‌ای به نام "معادلات ماکسول" به شکل عمومی فرمول‌بندی شدند.

معادلات ماکسول، چهار معادله الکترومغناطیسی را شامل می‌شوند که تمام رفتار میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را در فضای سه‌بعدی و با تغییرات زمانی مشخص می‌کنند. این معادلات به شرح زیر هستند:

۱. معادله گاوس برای میدان الکتریکی: شامل رابطه بین چگالی الکتریکی و شدت میدان الکتریکی است.

۲. معادله گاوس برای میدان مغناطیسی: شامل رابطه بین دیواره مغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی است.

۳. معادله فارادی برای میدان الکتریکی: شامل رابطه بین تغییرات میدان الکتریکی و تولید میدان مغناطیسی است.

۴. معادله لنز برای میدان مغناطیسی: شامل رابطه بین تغییرات میدان مغناطیسی و تولید میدان الکتریکی است.

معادلات ماکسول اساسی‌ترین الگوی رفتار میدان‌های الکترومغناطیسی در فضا و زمان هستند که توسط تمام دستگاه‌های الکترونیکی، از جمله وسایل ارتباطی، دستگاه‌های پزشکی و حتی در سیستم‌های تهویه‌ی مطبوع مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، توانایی پیش‌بینی و کنترل رفتار میدان‌های الکترومغناطیسی و ارائه بهینه سازی در محيط‌هاي پویا و غیرخطی، به دلیل کاربردهای وسیعی که در صنایع، فناوری، تکنولوژی و پزشکی دارند، ضروری است.

6. مفهوم پتانسیل

پتانسیل به شکل ساده تصور می‌شود، اما در عمل مفهوم پتانسیل بسیار پیچیده است. در علم فیزیک، پتانسیل به معنی انرژی بوده که یک سیستم به صورت پتانسیلی درخود نگه می‌دارد. به بیان دیگر، پتانسیل انرژی پتانسیلی است که یک سیستم در اثر وجود یا جریان به دست می‌آورد. در واقع، پتانسیل نشان دهنده توانایی مخفی یک سیستم است که برای انجام شکل‌های مختلف از آن استفاده می‌شود.

برای درک بهتر مفهوم پتانسیل، باید به دو نوع پتانسیل اشاره کرد؛ پتانسیل الکتریکی و پتانسیل گرانشی. پتانسیل الکتریکی معمولاً به عنوان قدرت الکتریکی یک شیء تعریف می‌شود که برروی اشیاء دیگر تأثیر می‌گذارد. این قدرت الکتریکی به شکل بار الکتریکی یا بار دقیقه‌ای لازم برای جذب یا دفع بارهای الکتریکی اندازه گیری می‌شود. پتانسیل گرانشی نیز به معنی یک قوت درجه‌ی اول است که اشیاء را به سمت هم کشانده و یا به سمت پایین کشانده است.

در پایان باید گفت که در علم فیزیک، پتانسیل به شکل مستقل از جریان و یا حالت‌های دیگری از سیستم تعریف می‌شود. بنابراین در هر لحظه، پتانسیل مشخص است و برابر با دو نوع انرژی نامبرده شده (پتانسیل الکتریکی و پتانسیل گرانشی) می‌باشد. خلاصه‌اش، پتانسیل یکی از مفاهیم پایه و حیاتی در علم فیزیک است که برای توصیف رفتار و عملکرد سیستم‌های فیزیکی بسیار مفید و حیاتی می‌باشد.