Квантна електродинамика

Квантна електродинамика (QED, од англиското име Quantum electrodynamics) — комплексна и математички многу сложена теорија која ја опишува интеракцијата на светлината (фотоните) и материјата (првенствено електроните, но и сите други наелектризирани честички кои имаат спин 1/2, како на пр. мионите) ^{[1] :3563 [2]} Квантната електродинамика е дефинирана како релативистичка квантна теорија на полето на електродинамиката ^{[3] :vii} Квантната електродинамика е компатибилна со посебната теорија на релативноста и ги опишува сите појави освен појавите поврзани со општата теорија на релативноста и радиоактивните распаѓања.^{[1] :3563}

Интеракциии во квантната електродинамика често се прикажуваат шематски со Фајнманови дијаграми

Пол Дирак

Ханс Бете

Фајнман (во средината) и Опенхајмер (десно) во Лос Аламос.

Развој

Во првата половина на 20 век, физичарите се обиделе да ја усогласат Максвеловата електродинамика со новитетите што ги носи квантната теорија и специјалната теорија на релативноста. Пол Дирак, Вернер Хајзенберг и Волфганг Паули дале значаен придонес во развојот на математичкиот апарат на квантната електродинамика во годините пред Втората светска војна. Првата формулација на квантната теорија што го опишува зрачењето и интеракцијата на материјата е дело на британскиот научник Пол Дирак, кој во текот на 1920-тите успеал да го пресмета коефициентот на спонтана емисија на атоми ^[4] Дирак ја опишал квантизацијата на електромагнетното поле како ансамбл од хармониски осцилатори со воведување на концептот на оператори за создавање и уништување честички. Во следните години, со придонесите на Волфганг Паули, Јуџин Вигнер, Паскал Јордан, Вернер Хајзенберг и елегантната формулација на квантната електродинамика од Енрике Ферми,^[5] физичарите почнале да веруваат дека во начело би било можно да се извршат пресметки за кој бил физички процес во кој учествуваат фотони и наелектризирани честички.

Сепак, понатамошните проучувања на Феликс Блох со Арнолд Нордсик,^[6] и Виктор Вајскопф,^[7] во 1937 и во 1939 година покажале дека таквите пресметки се сигурни само за пертурбациска теорија од прв ред, проблем веќе истакнат од Роберт Опенхајмер.^[8] При повисоки редови во низата, се појавиле бесконечности, што ги направиле безначајни ваквите пресметки и фрлале сериозни сомневања за внатрешната конзистентност на самата теорија. Во отсуство на решение за тој проблем во тоа време, се чинело дека постои фундаментална некомпатибилност помеѓу специјалната релативност и квантната механика. По воведувањето на процесот на ренормализација, со кој се елиминираат овие бесконечно мали, како и други придонеси на научниците како Ричард Фајнман, Јулијан Швингер и Шиничиро Томонага, квантната електродинамика станала далеку подоверлива.^{[1] :3563}

Квантната електродинамика била особено револуционерна во теоретската физика благодарение на методите што ги користела - наместо механицистички пристап, соодветните веројатности се пресметуваат во комбинација со квантните својства на субатомските честички.^{[1] :3564} По откривањето на кварковите, глуоните и другите субатомски честички, квантната електродинамика станала исклучително важна во опишувањето на структурата, својствата и реакциите меѓу овие честички, што на крајот ја направило една од најточните, најпрецизните и најдобро тестираните физички теории.^{[1] :3564}

Виртуелни фотони

Квантната електродинамика ја опишува интеракцијата помеѓу наелектризираните честички како размена на виртуелни фотони. Бидејќи наелектризираната честичка емитира или апсорбира виртуелни фотони, таа ја менува својата брзина (правец, насока и/или интензитет). Виртуелните фотони (како и другите виртуелни честички) не можат непосредно да се испитаат, туку се анализираат само преку нивните ефекти. Виртуелните фотони најдобро се опишуваат со соодветна математичка алатка.^{[1] :3564}

Фајнманови дијаграми

Одбивање на два електрона прикажано со Фајнманов дијаграм

Фајнмановите дијаграми се помош за претставување на интеракциите во квантната електродинамика во просторот и времето. Како по правило, времето е прикажано на апсцисата и тече од левата кон десната страна на дијаграмот. Движењето на честичките е шематски прикажано на ординатата. Во секој јазол важат законите за зачувување на енергијата и моментот на импулс.^{[1] :1713-1715}

Поврзано

• Квантна теорија на поле
• Пол Дирак
• Ханс Бете
• Ричард Фајнман