Κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), θεωρία κβαντικού πεδίου των αλληλεπιδράσεων φορτισμένων σωματιδίων με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Περιγράφει μαθηματικά όχι μόνο όλες τις αλληλεπιδράσεις του φωτός με την ύλη αλλά και εκείνες των φορτισμένων σωματιδίων μεταξύ τους. Το QED είναι μια σχετικιστική θεωρία στο ότι η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Albert Einstein είναι ενσωματωμένη σε κάθε μία από τις εξισώσεις της. Επειδή η συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων είναι κυρίως ηλεκτρομαγνητικής φύσης, όλη η ατομική φυσική μπορεί να θεωρηθεί εργαστήριο δοκιμής για τη θεωρία. Μερικές από τις πιο ακριβείς δοκιμές του QED ήταν πειράματα που ασχολούνται με τις ιδιότητες των υποατομικών σωματιδίων γνωστών ως μιόνια. Η μαγνητική ροπή αυτού του τύπου σωματιδίων έχει αποδειχθεί ότι συμφωνεί με τη θεωρία σε εννέα σημαντικά ψηφία. Η συμφωνία τόσο υψηλής ακρίβειας καθιστά το QED μία από τις πιο επιτυχημένες φυσικές θεωρίες που έχουν επινοηθεί μέχρι στιγμής.
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία: Κβαντική ηλεκτροδυναμική
Μεταξύ των πιο πειστικών φαινομένων που καταδεικνύουν την κβαντική φύση του φωτός είναι τα ακόλουθα. Καθώς η ένταση του φωτός μειώνεται
Το 1928 ο Άγγλος φυσικός PAM Dirac έθεσε τα θεμέλια για το QED με την ανακάλυψή του για μια κυματική εξίσωση που περιγράφει την κίνηση και την περιστροφή των ηλεκτρονίων και ενσωμάτωσε τόσο την κβαντική μηχανική όσο και τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας. Η θεωρία του QED τελειοποιήθηκε και αναπτύχθηκε πλήρως στα τέλη της δεκαετίας του 1940 από τους Richard P. Feynman, Julian S. Schwinger και Tomonaga Shin'ichirō, ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Το QED βασίζεται στην ιδέα ότι τα φορτισμένα σωματίδια (π.χ., ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια) αλληλεπιδρούν εκπέμποντας και απορροφώντας φωτόνια, τα σωματίδια που μεταδίδουν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Αυτά τα φωτόνια είναι «εικονικά». Δηλαδή, δεν μπορούν να δουν ή να εντοπιστούν με κανέναν τρόπο, επειδή η ύπαρξή τους παραβιάζει τη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής. Η ανταλλαγή φωτονίων είναι απλώς η «δύναμη» της αλληλεπίδρασης, επειδή τα αλληλεπιδρώντα σωματίδια αλλάζουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ταξιδιού καθώς απελευθερώνουν ή απορροφούν την ενέργεια ενός φωτονίου. Τα φωτόνια μπορούν επίσης να εκπέμπονται σε ελεύθερη κατάσταση, οπότε μπορεί να παρατηρηθούν ως φως ή άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Η αλληλεπίδραση δύο φορτισμένων σωματιδίων συμβαίνει σε μια σειρά διαδικασιών αυξανόμενης πολυπλοκότητας. Στην απλούστερη, εμπλέκεται μόνο ένα εικονικό φωτόνιο. σε μια διαδικασία δεύτερης τάξης, υπάρχουν δύο. και ούτω καθεξής. Οι διαδικασίες αντιστοιχούν σε όλους τους πιθανούς τρόπους με τους οποίους τα σωματίδια μπορούν να αλληλεπιδράσουν με την ανταλλαγή εικονικών φωτονίων και καθένα από αυτά μπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά μέσω των λεγόμενων διαγραμμάτων Feynman. Εκτός από την παροχή μιας διαισθητικής εικόνας της διαδικασίας που εξετάζεται, αυτός ο τύπος διαγράμματος καθορίζει με ακρίβεια τον τρόπο υπολογισμού της σχετικής μεταβλητής. Κάθε υποατομική διαδικασία γίνεται υπολογιστικά πιο δύσκολη από την προηγούμενη και υπάρχει ένας άπειρος αριθμός διαδικασιών. Η θεωρία QED, ωστόσο, δηλώνει ότι όσο πιο περίπλοκη είναι η διαδικασία - δηλαδή, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των εικονικών φωτονίων που ανταλλάσσονται στη διαδικασία - τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα εμφάνισής της. Για κάθε επίπεδο πολυπλοκότητας, η συμβολή της διαδικασίας μειώνεται κατά ένα ποσό δίδεται από α 2 -όπου α είναι μια ποσότητα χωρίς διαστάσεις που ονομάζεται η σταθερά-δομή λεπτή, με μία αριθμητική τιμή ίση με (1 / 137). Έτσι, μετά από μερικά επίπεδα η συνεισφορά είναι αμελητέα. Με έναν πιο θεμελιώδη τρόπο ο παράγοντας α χρησιμεύει ως μέτρο της ισχύος της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Ισούται με e 2 / 4πε o [planck] c, όπου e είναι το φορτίο ηλεκτρονίου, [planck] είναι η σταθερά του Planck διαιρούμενη με 2π, το c είναι η ταχύτητα του φωτός και το ε o είναι η διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου.
Το QED ονομάζεται συχνά θεωρία διαταραχών λόγω της μικρότητας της σταθεράς λεπτής δομής και του προκύπτοντος μειωμένου μεγέθους των συνεισφορών υψηλότερης τάξης. Αυτή η σχετική απλότητα και η επιτυχία του QED το καθιστούν μοντέλο για άλλες κβαντικές θεωρίες πεδίου. Τέλος, η εικόνα των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων ως ανταλλαγή εικονικών σωματιδίων μεταφέρθηκε στις θεωρίες των άλλων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων της ύλης, της ισχυρής δύναμης, της αδύναμης δύναμης και της βαρυτικής δύναμης. Δείτε επίσης τη θεωρία του μετρητή.
