Ta'lim 2, Tafakkur Alam semesta merenungi Hukum Allah SWT untuk alam Hissi terindra: Teori Medan Kuantum, Suatu Pengantar

Pengantar Teori Medan Kuantum

 Untuk mudahnya, kita ulas saja apa yang dipaparkan dalam wikipedia yang menjelaskan pengantar kepada teori medan kuantum ini secara semi populer serta di mana perlu akan kita uraikan dan tambahkan dengan kepustakaan lain yang lebih sahih seperti dari sejumlah buku text dan handbook.

Teori medan kuantum adalah suatu cabang dari fisika teoretis yang memberikan suatu kerangka teoritis untuk membangun model mekanika kuantum partikel-partikel subatomik dalam fisika partikel dan model bagi kuasi partikel (bak partikel) dalam fisika material mampat (Condensed Material Physics).

Dalam pendekatannya, teori medan kuantum (TMK) memperlakukan partikel-partikel sebagai suatu keadaan tereksitasi dari medan-medan oleh karena partikel disebut juga sebagai kuantanya medan.

Hal ini dapat dilihat dari cabang-cabang teori medan kuantum itu sendiri. Dalam Elektrodinamika Kuantum (QED) mempunyai satu kuanta medan elektron dan satu kuanta medan foton. Di dalam teori kromodinamika kuantum (QCD) tiap quark penyusun atom atau partikel selalu mempunyai suatu medan. Untuk bidang fisika material mampat, ditetapkan ada medan bagi pergeseran atom yang setiap keadaan tereksitasinya akan melahirkan quasi partikel Fonon. Salah seorang praktisi teori medan kuantum, fisikawan teoretis, Edward Witten menggambarkan teori medan kuantum ini sebagai teori yang paling ruwet hingga saat ini dalam fisika modern.

Menurut teori medan kuantum interaksi antara partikel-partikel digambarkan oleh interaksi antara medan-medan terkaitnya. Secara analogi, interaksi ini seperti interaksi antara muatan-muatan dengan medan listrik dan medan magnet dalam persamaan Maxwell. Meskipun demikian, tidak seperti teori Maxwell, medan-medan yang ada dalam teori medan kuantum berada dalam keadaan-keadaan superposisi kuantum yang tunduk pada hukum-hukum mekanika kuantum. 

Dalam sistem mekanika kuantum partikel-partikel jumlahnya selalu tetap, tidak ada partikel yang musnah atau tercipta tiba-tiba, dan masing-masing partikel mempunyai derajat kebebasan tertentu. 

Sebaliknya menurut teori medan kuantum, keadaan tereksitasi dapat merepresentasikan sebarang jumlah partikel. Hal ini menyebabkan mengapa teori medan kuantum berguna dalam menjelaskan sistem-sistem pada mana jumlah partikelnya dapat berubah-ubah yang merupakan karakter khas dinamika relativistik.

Medan-medan itu sendiri merupakan kuantitas yang nilainya kontinu di seluruh ruang yang selanjutnya mengandung keadaan tereksitasi dengan banyak partikel di dalamnya. Hal ini menyebabkan teori medan kuantum mempunyai derajat  kebebasan tidak berhingga.

Derajat kebebasan yang tidak berhingga ini pada gilirannya memunculkan perhitungan yang divergen (besaran-besaran menjadi tidak berhingga). Teknik-teknik seperti renormalisasi parameter dalam teori medan kuantum atau diskritisasi ruang-waktu sebagaimana ditampilkan oleh kekisi kromodinamika kuantum (lattice quantum qromodynamics) sering digunakan untuk menghindari hasil-hasil yang divergen tersebut di atas sehingga dihasilkan perhitungan yang bermakna secara fisis.

Sebagian besar teori standard di dalam fisika partikel telah diformulasikan sebagai sebuah teori medan kuantum relativistik. Di antaranya adalah elektrodinamika kuantum (QED), Kromodinamika Kuantum (QCD), dan Model Standard. Sebagai contoh QED merupakan gambaran teoretik dari medan elektromagnetik, secara aproksimasinya menghasilkan teori elektrodinamika untuk limit energi rendah, dengan koreksi nonlinier kecil terhadap persamaan Maxwell agar dapat mengakomodir pasangan elektron-positron maya.

Dalam pendekatan teori gangguan, suku penuh interaksi didekati sebagai sebuah ekspansi perturbatif dalam jumlah partikel yang terlibat. Setiap suku dalam ekspansi dapat dipikirkan sebagai gaya antara partikel-partikel yang dimediasi oleh partikel lain.  Dalam QED, gaya elektromagnetik antara 2 elektron disebabkan oleh pertukaran foton. Dengan cara yang sama, vektor boson intermediet memediasi gaya lemah dan Gluon memediasi gaya kuat dalam teori Kromodinamika Kuantum. Gagasan bahwa adanya partikel mediasi yang berasal dari teori gangguan hanyalah pendekatan dan tidak dapat diakomodir dalam pendekatan non-gangguan, misalkan untuk keadaan terikat (Bound State).

Medan gravitasi dan medan elektromagnetik adalah dua gaya di alam yang mempunyai jangkauan tak hingga dan masing-masing dari limit klasik energi rendahnya dengan cepat melemah dan menyembunyikan eksitasi "bak partikelnya".  

Diagram Feynmann

Albert Einstein, di tahun 1905 memberi atribut sifat "bak partikel" dan pertukaran energi momentum yang diskrit yang merupakan karakteristik dari quanta medan pada medan elektromagnetik. Pada mulanya motivasi Einstein adalah untuk menjelaskan termodinamika radiasi. Meskipun efek fotolistrik dan hamburan Compton secara tegas menunjukkan eksistensi foton, belakangan difahami bahwa ia dapat diterangkan tanpa harus merujuk kepada konsep Kuantum medan elektromagnetik. 


Dewasa ini belum ada teori Kuantum lengkap bagi gaya fundamental Gravitasi (fundamental force, gravity). Banyak sudah teori diusulkan untuk menggambarkan gravitasi sebagai sebuah Teori Medan Kuantum yang mempostulatkan eksistensi partikel  graviton yang memediasi gaya gravitasi. Telah di asumsikan sebelumnya, bahwa teori medan kuantum yang hendak ditemukan tersebut akan berkelakuan seperti teori relativitas umum Einstein dalam limit energi rendahnya. Teori medan kuantum sendiri sebagai sebuah teori bagi gaya-gaya fundamental telah dipostulatkan merupakan limit energi rendah teori medan efektif  (effective field theory) dari teori yang lebih fundamental misalkan teori superstring (superstring theory).