Lý thuyết trường lượng tử
Lịch sử > Lý thuyết nền tảng

Lý thuyết trường lượng tử là kết quả của sự kết hợp giữa lý thuyết trường cô điển, cơ học lượng tử và thuyết tương đối.
Thành công sớm nhất của lý thuyết trường cổ điển nổi lên từ các định luật newton về sự hấp dẫn trong vũ trụ, mặc dù ông ông đề cập tới khái niệm trường trong cuốn "các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên". Lực hấp dẫn được mô tả như là "tác dụng theo khoảng cách" - chúng ảnh hưởng tới những vật thể rất xa một cách tức thời, bất kể khoảng cách. Trong một bức thư với Richard Bentley, Newton viết rằng "không thể tưởng tượng được những vật vô tri có thể vận hành và ảnh hưởng tới nhau mà không có liên lạc gì!". Trước thế kỷ 18, không có nhà vật lý-toán nào phát hiện ra cách mô tả thuận tiện tương tác hấp dẫn dựa trên cơ sở về trường - một đại lượng tồn tại ở mọi điểm trong không gian thể hiện sự tác dụng của lực hấp dẫn lên mọi hạt tại điểm đó. Dù sao, đây cũng chỉ là một phương pháp toán học thuần túy.
Khái niệm trường bắt đầu xuất hiện gắn với sự hình thành của điện từ học vào thế kỷ 19. Michael Faraday đặt ra từ "trường" vào năm 1845. Ông giới thiệu trường như là tính chất của không gian (ngay cả khi không có vật chất) có những tính chất vật lý cụ thể. Ông phản đối "tác dụng theo khoảng cách", và đề xuất rằng tương tác giữa vật chất thông qua không gian chứa đầy các "đường sức". Mô tả này vẫn còn tới ngày hôm nay.
Lý thuyết của trường điện từ cổ điển được hoàn thiện vào năm 1862 cùng với phương trình Maxwell, mô tả tương tác giữa điện trường, từ trường và điện tích. Phương trình Maxwell hàm chứa sự tồn tại của sóng điện từ, hiện tượng xảy ra khi điện từ trường biến đổi lẫn nhau và di chuyển với vận tốc ánh sáng. Sự tác dụng theo khoảng cách hoàn toàn bị bác bỏ.
Mặc dù sự thành công của trường điện từ cổ điển, nó không thể lý giải được sự gián đoạn của các vạch phổ nguyên tử, đồng thời không tìm ra sự phân bố phát xạ vật đen theo các bước sóng khác nhau. Nghiên cứu của Max Planck về phát xạ vật đen đã dẫn tới sự ra đời của cơ học lượng tử. Ông coi nguyên tử thu và phát sóng điện từ, năng lượng của chúng chỉ có thể nhận những giá trị gián đoạn gọi là sự lượng tử hóa. Xây dựng trên ý tưởng này, năm 1905, Albert Einstein giải thích hiệu ứng quang điện, rằng ánh sáng được sinh ra bởi các hạt gọi là photon (lượng tử ánh sáng). Điều hày hàm chứa rằng sự phát xạ điện từ có tính hạt.
Năm 1913, Niels Bohr giới thiệu mô hình Bohr của cấu trúc nguyên tử, trong đó electrons bên trong nguyên tử chỉ có thể nhận các mức năng lượng rời rạc. Đây là một ví dụ khác về lượng tử hóa. Mẫu Bohr thành công trong việc giải thích sự rời rạc một cách tự nhiên của phổ nguyên tử. Năm 1924, Louis de Broglie đề xuất một giả thuyết về lưỡng tính sóng-hạt, một hạt vi mô hành xử giống như sóng và trong các trường hợp khác nhau. Tổng hợp các ý tưởng rời rạc đó, cơ học lượng tử đã được xây dựng giữa những năm 1925 và 1926, với sự đóng góp từ de Broglie, Werner Heisenberg, Max Born, Erwin Schrodinger, Paul Dirac và Wolfgang Pauli.
Đồng thời vào những năm đó, Einstein công bố lý thuyểt của ông về thuyết tương đối hẹp, dựa trên thuyết điện từ của Maxwell. Biến đổi Lorentz đã mô tả được một sự kiện biến đổi như thế nào dưới tác động của vận tốc của hệ quy chiếu, sự phân biệt giữa không và thời gian đã bị xóa nhòa. Lý thuyết này đề xuất rằng tất cả các định luật vật lý giống nhau cho mọi hệ quy chiếu với các vận tốc khác nhau, nói cách khác, mọi định luật vật lý phải bất biến dưới tác động của biến đổi Lorentz.
Tuy nhiên vẫn tồn tại 2 khó khăn cho các nhà vật lý lúc bấy giờ. Có thể thấy, phương trình Schrodinger trong cơ học lượng tử có thể giải thích sự phát xạ của nguyên tử, nơi electron phát ra photon dưới tác động của điện từ trường ngoài, nhưng nó không thể giải thích sự phát xạ tự phát, khi electron tự động giảm mức năng lượng và phát ra photon mà không có mặt điện từ trường ngoài. Một cách lý thuyết, phương trình Schrodinger không thể mô tả photon và không liên quan tới thuyết tương đối, thời gian và không gian không bình đẳng với nhau và không gian là một hệ tọa độ tuyến tính.