ทฤษฎีสนามควอนตัม
ประวัติศาสตร์ > พื้นฐานเชิงทฤษฎี

ความสำเร็จของทฤษฎีสนามแบบฉบับมีต้นกำเนิดมาจากกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ถึงแม้ว่าแนวคิดของสนามจะไม่ได้ปรากฎในบทความ Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ของเขาก็ตาม แรงโน้มถ่วงในมุมมองของนิวตันจะส่งผลไปยังทุกบริเวณในจักรวาลแบบทันทีทันใดโดยไม่สนใจระยะทาง อย่างไรก็ตามนิวตันและริชาร์ด เบนต์ลีย์ได้สนทนาแลกเปลี่ยนกันผ่านจดหมาย โดยนิวตันได้ระบุว่า "มันไม่น่าจะเป็นไปได้ที่วัตถุจะส่งแรงถึงกันได้โดยปราศจากการสัมผัสซึ่งกันและกัน" จนกระทั่งในศตวรรษที่ 18 นักฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์ได้ค้นพบคำอธิบายแรงโน้มถ่วงโดยใช้แนวคิดของสนามซึ่งมีความสะดวกมากขึ้น โดยสนามเป็นปริมาณที่มีค่าเป็นตัวเลขสำหรับทุกบริเวณ แต่อย่างไรก็ตามหลักการนี้ยังเป็นเพียงแนวคิดทางคณิตศาสตร์ ยังไม่สามารถวัดออกมาได้ในทางฟิสิกส์
นักฟิสิกส์เริ่มระแคะระคายการมีอยู่ของสนามเมื่อมีการพัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นในศตวรรษที่ 19 ไมเคิล ฟาราเดย์เป็นผู้บัญญัติศัพท์ภาษาอังกฤษว่า "Field (สนาม)" ขึ้นในปี ค.ศ. 1845 ฟาราเดย์นำเสนอว่าสนามเป็นคุณสมบัติของอวกาศ (ถึงแม้ว่าจะไม่มีสสารอยู่ในบริเวณนั้น) ฟาราเดย์ยังได้โต้แย้งเรื่องแนวคิดการส่งผ่านแรงระหว่างวัตถุโดยไม่มีการสัมผัสของนิวตัน ด้วยคำแถลงว่าอันตรกิริยาระหว่างวัตถุเกิดขึ้นเพราะมีเส้นแรง เหมือนกับเส้นแรงแม่เหล็ก
ชุดสมการของแม็กซ์เวลล์ได้ทำให้ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าสมบูรณ์ในปี ค.ศ. 1864 ชุดสมการดังกล่าวได้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าและประจุไฟฟ้า ชุดสมการของแม็กซ์เวลล์ได้บอกถึงการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีการแผ่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งด้วยความเร็วค่าหนึ่ง ซึ่งกลายเป็นความเร็วของแสงในเวลาต่อมา
ถึงแม้ว่าทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบฉบับจะประสบความสำเร็จเพียงใด แต่ทฤษฎีนี้ก็ไม่สามารถอธิบายความไม่ต่อเนื่องของสเปกตรัมของอะตอมได้ รวมไปถึงการแผ่รังสีของวัตถุดำที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ การศึกษาการแผ่รังสีของวัตถุดำของมักซ์ พลังก์เป็นจุดเริ่มต้นของกลศาสตร์ควอนตัม พลังก์มองว่าอะตอมที่ดูดกลืนและปลดปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเหมือนกับตัวสั่นขนาดเล็กที่มีค่าความถี่ของการสั่นเป็นค่าที่ไม่ต่อเนื่อง ตัวสั่นนี้เป็นที่รู้จักในชื่อตัวแกว่งกวัดฮาร์มอนิกเชิงควอนตัม (Quantum Harmonic Oscillator) ในมุมมองนี้ค่าพลังงานจะถูกทำให้เป็นควอนตัมโดยมีค่าไม่ต่อเนื่องแทนที่จะเป็นค่าต่อเนื่อง สิ่งนี้ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์นำเสนอคำอธิบายของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกที่แสงถูกพิจารณาว่าเป็นกลุ่มก้อนของพลังงานที่เรียกว่าโฟตอน (ควอนตัมของแสง) สิ่งนี้ชี้ให้เราเห็นว่าการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพฤติกรรมแบบคลื่นในทฤษฎีดั้งเดิม ยังมีพฤติกรรมแบบอนุภาคด้วย
ในปี ค.ศ. 1913 นิลส์ โปร์นำเสนอแบบจำลองอะตอมของโปร์ ที่อิเล็กตรอนภายในอะตอมถูกทำให้เป็นควอนตัมแล้วมีค่าระดับชั้นพลังงานเป็นค่าไม่ต่อเนื่อง แบบจำลองอะตอมของโปร์ประสบความสำเร็จในการอธิบายความไม่ต่อเนื่องของสเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอม ในปี ค.ศ. 1924 หลุยส์ เดอ บรอยนำเสนอทวิภาคคลื่นอนุภาคที่อนุภาคในระดับจุลภาคจะประพฤติตัวเป็นทั้งคลื่นและอนุภาคต่างกันไปในแต่ละสถานการณ์ ในช่วงปี ค.ศ. 1925-1926 กลศาสตร์ควอนตัมได้ถูกสร้างขึ้นมาจากการรวบรวมแนวคิดเหล่านี้เข้าด้วยกัน
ในปีเดียวกันกับที่ไอน์สไตน์นำเสนอปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ไอน์สไตน์ยังได้นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษโดยสร้างขึ้นมาจากทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ การแปลงลอเรนซ์ได้ถูกนำมาใช้ในการอธิบายวิธีการในการแปลงพิกัดของกาลอวกาศระหว่างสองผู้สังเกตที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน การแปลงรอเลนซ์ยังได้อธิบายอีกว่ากฎทางฟิสิกส์จะต้องเหมือนกันสำหรับทุกผู้สังเกตที่เคลื่อนที่ภายใต้กรอบอ้างอิงเฉื่อย กล่าวคือกฎทางฟิสิกส์ไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงลอเรนซ์
แต่ยังคงมีความยากลำบากอยู่อีกสองข้อ ในทางการทดลองสมการชโรดิงเจอร์ที่เป็นรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายการปลดปล่อยรังสีจากอะตอมได้ โดยที่อิเล็กตรอนจะคายโฟตอนออกมาเมื่อได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กภายนอก แต่สมการชโรดิงเจอร์ไม่สามารถอธิบายการปลดปล่อยที่เกิดขึ้นเองได้ โดยอิเล็กตรอนจะมีพลังงานลดลง จากนั้นคายโฟตอนออกมาได้โดยไม่ต้องมีผลของสนามแม่เหล็กภายนอก ขณะที่ในทางทฤษฎีสมการชโรดิงเจอร์ไม่ได้อยู่ในรูปแบบของสัมพัทธภาพพิเศษที่มองว่าเวลาเป็นพิกัดในกาลอวกาศ