Kvantum-elektrodinamikai fizika

Kvantum-elektrodinamika (QED), a töltött részecskék és az elektromágneses mező kölcsönhatásainak kvantummező-elmélete. Matematikailag leírja nemcsak a fény és az anyag kölcsönhatásait, hanem a töltött részecskék kölcsönhatásait is. A QED egy relativista elmélet abban az értelemben, hogy Albert Einstein speciális relativitáselméletét beépíti minden egyenletébe. Mivel az atomok és a molekulák viselkedése elsősorban elektromágneses természetű, az atomfizika mindegyike az elmélet tesztlaboratóriumának tekinthető. A QED néhány legpontosabb tesztje olyan kísérletek voltak, amelyek a szubatomos részecskék tulajdonságaival foglalkoznak. Az ilyen típusú részecskék mágneses momentuma kilenc számjeggyel megegyezik az elmélettel. Az ilyen nagy pontosságú megállapodás teszi a QED-et az eddig kidolgozott legsikeresebb fizikai elméletekké.

elektromágneses sugárzás: kvantum-elektrodinamika

A fény kvantum jellegét bizonyító legmeggyőzőbb jelenségek a következők. A fény intenzitása halványul

1928-ban az angol fizikus, PAM Dirac alapozta meg a QED-t egy olyan hullám-egyenlet felfedezésével, amely leírja az elektronok mozgását és spinjét, és magában foglalja mind a kvantummechanikát, mind a speciális relativitáselmélet elméletét. A QED-elméletet az 1940-es évek végén finomították és fejlesztették ki egymástól függetlenül Richard P. Feynman, Julian S. Schwinger és Tomonaga Shin'ichirō által. A QED azon az elképzelésen nyugszik, hogy a töltött részecskék (pl. Elektronok és pozitronok) kölcsönhatásba lépnek fotonok kibocsátásával és abszorpciójával, az elektromágneses erőket továbbító részecskékkel. Ezek a fotonok „virtuális”; vagyis nem láthatók vagy észlelhetők semmilyen módon, mert létezésük sérti az energia és a lendület megőrzését. A fotoncsere pusztán az interakció „erő”, mivel az interakcióban lévő részecskék megváltoztatják sebességüket és haladási irányukat, amikor felszabadítják vagy elnyelik a foton energiáját. A fotonok szabad állapotban is kibocsáthatók, ebben az esetben megfigyelhetők fényként vagy más elektromágneses sugárzás formájában.

Két töltött részecske kölcsönhatása egyre növekvő bonyolultságú folyamat sorában zajlik. A legegyszerűbb esetben csak egy virtuális fotonról van szó; egy másodrendű folyamatban kettő van; és így tovább. A folyamatok megfelelnek a lehetséges szempontoknak, amelyekkel a részecskék kölcsönhatásba léphetnek virtuális fotonok cseréjével, és mindegyik grafikusan ábrázolható az úgynevezett Feynman-diagramok segítségével. A vizsgált folyamat intuitív képének elkészítése mellett az ilyen típusú diagram pontosan előírja, hogyan kell kiszámítani az érintett változót. Minden szubatómiai folyamat számítástechnikailag nehezebbé válik, mint az előző, és végtelen számú folyamat létezik. A QED elmélet azonban azt állítja, hogy minél bonyolultabb a folyamat - azaz minél nagyobb a virtuális fotonok száma a folyamatban -, annál kisebb annak előfordulásának valószínűsége. Minden szinten a komplexitás, a hozzájárulást a folyamat csökken mennyiségben adott α ² -ahol α pedig egy dimenzió nélküli mennyiség úgynevezett finomszerkezeti állandó, egy numerikus érték egyenlő (¹ / ₁₃₇). Így néhány szint után a hozzájárulás elhanyagolható. Alapvetőbb módon az α tényező szolgál az elektromágneses kölcsönhatás erősségének mérésére. Ez megegyezik ^{e 2 / _{4πε o [planck] c értékkel}, ahol e az elektron töltés, a [planck] Planck állandója osztva 2π-vel, c a fénysebességgel és ε _o a szabad tér engedélyezettsége.}

A QED-t gyakran perturbációs elméletnek hívják, mivel a finomszerkezeti állandó kicsi, és a magasabb rendű hozzájárulások ebből következően csökkennek. Ez a relatív egyszerűség és a QED sikere példává tették más kvantummező-elméletek számára. Végül az elektromágneses kölcsönhatások képe, mint a virtuális részecskék cseréje, átkerült az anyag többi alapvető kölcsönhatásának, az erős erő, a gyenge erő és a gravitációs erő elméleteibe. Lásd még a mérőelméletet.