Fizyka elektrodynamiki kwantowej

Elektrodynamika kwantowa (QED), kwantowa teoria pola oddziaływań naładowanych cząstek z polem elektromagnetycznym. Opisuje matematycznie nie tylko wszystkie interakcje światła z materią, ale także wzajemne oddziaływania naładowanych cząstek. QED jest teorią relatywistyczną, ponieważ teoria szczególnej teorii względności Alberta Einsteina jest wbudowana w każde z jej równań. Ponieważ zachowanie atomów i cząsteczek ma przede wszystkim charakter elektromagnetyczny, całą fizykę atomową można uznać za laboratorium testowe dla teorii. Niektóre z najbardziej precyzyjnych testów QED to eksperymenty dotyczące właściwości cząstek subatomowych zwanych mionami. Wykazano, że moment magnetyczny tego rodzaju cząstek zgadza się z teorią do dziewięciu cyfr znaczących. Zgodność z tak wysoką dokładnością sprawia, że QED jest jedną z najbardziej udanych teorii fizycznych do tej pory.

promieniowanie elektromagnetyczne: elektrodynamika kwantowa

Do najbardziej przekonujących zjawisk, które pokazują kwantową naturę światła, należą: Gdy natężenie światła jest przyciemnione

W 1928 roku angielski fizyk PAM Dirac położył podwaliny pod QED, odkrywając równanie falowe opisujące ruch i spin elektronów oraz uwzględniające zarówno mechanikę kwantową, jak i teorię szczególnej teorii względności. Teorię QED dopracowali i w pełni opracowali pod koniec lat 40. XX wieku Richard P. Feynman, Julian S. Schwinger i Tomonaga Shin'ichirō, niezależnie od siebie. QED opiera się na idei, że naładowane cząstki (np. Elektrony i pozytony) oddziałują poprzez emitowanie i pochłanianie fotonów, cząstek przenoszących siły elektromagnetyczne. Fotony te są „wirtualne”; to znaczy, że nie można ich zobaczyć ani wykryć w żaden sposób, ponieważ ich istnienie narusza zachowanie energii i pędu. Wymiana fotonów jest jedynie „siłą” interakcji, ponieważ oddziałujące cząstki zmieniają prędkość i kierunek podróży, gdy uwalniają lub absorbują energię fotonu. Fotony mogą być emitowane w stanie swobodnym, w którym to przypadku mogą być obserwowane jako światło lub inne formy promieniowania elektromagnetycznego.

Oddziaływanie dwóch naładowanych cząstek zachodzi w szeregu procesów o coraz większej złożoności. W najprostszym przypadku zaangażowany jest tylko jeden wirtualny foton; w procesie drugiego rzędu są dwa; i tak dalej. Procesy odpowiadają wszystkim możliwym sposobom interakcji cząstek poprzez wymianę wirtualnych fotonów, a każdy z nich można przedstawić graficznie za pomocą tak zwanych diagramów Feynmana. Oprócz przedstawienia intuicyjnego obrazu rozważanego procesu, ten typ diagramu precyzyjnie określa, jak obliczyć zmienną. Każdy proces subatomowy staje się obliczeniowo trudniejszy niż poprzedni i istnieje nieskończona liczba procesów. Teoria QED stwierdza jednak, że im bardziej złożony proces - to znaczy im większa liczba wirtualnych fotonów wymienianych w procesie - tym mniejsze prawdopodobieństwo jego wystąpienia. Dla każdego poziomu skomplikowania wkład procesu zmniejsza się o wartość danej przez α ² Gdzie α jest wielkością bezwymiarową, zwany stałym drobnocząsteczkowa, o wartości liczbowej równy (¹ / ₁₃₇). Zatem po kilku poziomach wkład jest znikomy. W bardziej fundamentalny sposób współczynnik α służy jako miara siły oddziaływania elektromagnetycznego. Jest równa ^{e ² / _{4πε _o [planck] c}, gdzie e jest ładunkiem elektronowym, [planck] jest stałą Plancka podzieloną przez 2π, c jest prędkością światła, a ε _o jest przepuszczalnością wolnej przestrzeni.}

QED jest często nazywany teorią perturbacji ze względu na niewielką stałą drobnej struktury i wynikający z tego malejący rozmiar wkładów wyższego rzędu. Ta względna prostota i sukces QED uczyniły go modelem dla innych teorii pola kwantowego. Wreszcie obraz oddziaływań elektromagnetycznych jako wymiany wirtualnych cząstek został przeniesiony do teorii innych fundamentalnych oddziaływań materii, siły silnej, siły słabej i siły grawitacji. Zobacz także teorię mierników.