Na kvantové elektrodynamiky (někdy nazývané relativistická) je teorie fyziky za cíl sladit elektromagnetismus s kvantovou mechanikou pomocí formalismu Lagrangian relativistická . Podle této teorie elektrické náboje interagují výměnou virtuálních fotonů .
Statická studie (absence vývoje v čase) elektrického pole se nazývá elektrostatická, magnetostatického magnetického pole. V dynamice se obě pole spojují a stávají se jedinou disciplínou, elektro-magneto-dynamikou. Ve francouzštině mluvíme o elektromagnetismu, trváme na vazbě, zatímco v angličtině mluvíme o elektrodynamice, abychom zdůraznili opozici vůči statice. Termín kvantová elektrodynamika je doslovný překlad anglické kvantové elektrodynamiky (QED), což je zobecnění elektrodynamiky . Ve francouzštině by bylo intuitivnější hovořit o kvantovém elektromagnetismu .
První kvantová formulace interakce záření a hmoty se datuje k práci britského fyzika Paula Diraca, který ve 20. letech 20. století jako první stanovil koeficient spontánní emise atomu . Dirac modeluje elektromagnetické pole pomocí sady diskrétních harmonických oscilátorů (kvantování) a spojování operátorů stupnice s částicemi. Následně, díky práci Wolfganga Pauliho , Eugena Wignera , Pascual Jordan , Wernera Heisenberga a Enrica Fermiho - kteří představili elegantní formulaci kvantové elektrodynamiky - jsou fyzici vedeni k přesvědčení, že teoreticky je možné vypočítat jakýkoli proces, který zahrnuje fotony a nabité částice. Další studie, provedené Félixem Blochem , Arnoldem Nordsieckem a Victorem Weisskopfem v letech 1937 a 1939, však odhalily, že takové výpočty jsou v teorii perturbací přesné pouze prvního řádu , což je problém již známý z práce Roberta Oppenheimera .
Je to výpočet teoretické hodnoty Beránkova posunu od Hanse Bethe, který skutečně zahajuje vývoj kvantové elektrodynamiky: pomocí nástrojů této teorie odhaduje tento posun na 1 000 MHz, zatímco Diracova rovnice nemohla najít rozdíl. Richard Feynman, který vylepšil Betheův počet, později uvedl, že tento objev byl nejdůležitější v historii kvantové elektrodynamiky.
Kvantová elektrodynamika je jednou z nejznámějších oblastí fyziky. Pokrývá všechny jevy , kromě gravitace a radioaktivity . Sloužil jako model pro rozvoj kvantové teorie pole, která platí pro všechny elementární částice.
Jedná se přesně o polní teorii elektromagnetismu. Popisuje elektromagnetické interakce nabitých částic a světla, a byl nazýván „perlou fyziky“ pro její mimořádně přesné předpovědi v teoretické stanovení (jinak měřených) veličin, jako je například magnetický moment anomálie z leptony , nebo Lamb posunem o úrovně energie z vodíku .
Kvantová elektrodynamika je založena na relativně jednoduchých rovnicích, Maxwellových a Diracových , založených na Lorentzově invarianti .
Matematicky, tato teorie má strukturu abelian skupiny s U (1) skupina měřidla . Pole měřidlo , které zasahuje do interakce mezi dvěma náboji reprezentovaných poli z spinem 1/2 je elektromagnetické pole . Fyzicky to znamená, že nabité částice interagují výměnou fotonů .
Kvantová elektrodynamika byla první kvantovou teorií pole, ve které byly uspokojivě vyřešeny potíže s vývojem čistě kvantového formalismu umožňujícího vytváření a zničení částic.
Tomonaga , Schwinger a Feynman přijal na Nobelovu cenu za fyziku v roce 1965 za jejich příspěvek k této teorii, zejména vývoj výpočet pozorovatelných veličin s použitím kovariance a kalibrační invariance.
Postup renormalizace k překonání nežádoucích nekonečných množství, se kterými se setkáváme v teorii kvantového pole, našel první úspěch v kvantové elektrodynamice.
Relativistická Lagrangián interakce mezi elektrony a pozitrony prostřednictvím výměny fotonů je:
a jsou pole představující elektricky nabité částice, elektrony a pozitrony jsou reprezentovány Diracovými poli .
jsou matice Dirac , které jsou sestaveny z Pauliho matic .
je kovarianční derivace měřidla,
s vazebnou konstantou (rovnající se základnímu náboji ),
je potenciální quadrivector z elektromagnetismu .
A je elektromagnetický tenzor, který se objevuje ve speciální relativitě.
Tato část Lagrangian popisuje volné šíření elektromagnetického pole , zatímco část připomínající Diracovu rovnici popisuje vývoj elektronu a pozitronu v jejich interakci prostřednictvím potenciálního kvadrivektoru .