Κβαντική ηλεκτροδυναμική

Στη φυσική, η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED - Quantum electrodynamics) είναι η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου της ηλεκτροδυναμικής. Στην ουσία, περιγράφει πώς το φως και η ύλη αλληλεπιδρούν και είναι η πρώτη θεωρία, όπου επιτυγχάνεται πλήρης συμφωνία μεταξύ κβαντομηχανικής και ειδικής σχετικότητας. Περιγράφει μαθηματικά όλα τα φαινόμενα που αφορούν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της ανταλλαγής των φωτονίων και αντιπροσωπεύει την κβαντική ομόλογό της κλασικής θεωρίας ηλεκτρομαγνητισμού που δίνει πλήρη αλληλεπίδραση μεταξύ της ύλης και του φωτός. Με τεχνικούς όρους, η κβαντική ηλεκτροδυναμική μπορεί να περιγραφεί ως μια θεωρία διαταραχών του ηλεκτρομαγνητικού κβαντικού κενού. Ο Ρίτσαρντ Φίλλιπς Φάινμαν την αποκάλεσε «το κόσμημα της φυσικής» για τις εξαιρετικά ακριβείς προβλέψεις της, όπως η ανώμαλη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου και τη μετατόπιση των επιπέδων ενέργειας του υδρογόνου.

 Η πρώτη διατύπωση της κβαντικής θεωρίας που περιγράφει την αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης οφείλεται στον Βρετανό επιστήμονα Πολ Ντιράκ (Paul Dirac), ο οποίος (κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1920) ήταν σε θέση να υπολογίσει το συντελεστή της αυθόρμητης εκπομπής ενός ατόμου. Ο Ντιράκ περιέγραψε την κβάντωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ως ένα σύνολο αρμονικών ταλαντωτών με την εισαγωγή της έννοιας των τελεστών δημιουργίας και εξαΰλωσης των σωματιδίων. Στα επόμενα χρόνια, με συνεισφορές από τον Βόλφγκανγκ Πάουλι, Γιουτζίν Γουίγκνερ, Pascual Jordan, Βέρνερ Χάιζενμπεργκ διετύπωσαν μια κομψή διατύπωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής λόγω Ενρίκο Φέρμι. Οι φυσικοί πίστευαν ότι, κατ 'αρχήν, θα ήταν δυνατόν να εκτελέσει οποιαδήποτε υπολογισμό για οποιαδήποτε φυσική διαδικασία που περιλαμβάνει τα φωτόνια και τα φορτισμένα σωματίδια. Ωστόσο, περαιτέρω μελέτες από τον Φέλιξ Μπλοχ με Arnold Nordsieck, και Victor Weisskopf, το 1937 και το 1939, αποκάλυψε ότι οι εν λόγω υπολογισμοί ήταν αξιόπιστοι μόνο σε μια πρώτη σειρά της θεωρίας διαταραχών, ένα πρόβλημα που έχει ήδη επισημανθεί από τον Ρόμπερτ Οπενχάιμερ. Σε σειρές ανώτερων τάξεων εμφανίστηκαν απειρισμοί, που καθιστούσαν κενούς νοήματος αυτούς τους υπολογισμούς δημιουργώντας σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με την εσωτερική συνοχή της ίδιας της θεωρίας. Χωρίς να υπάρχει λύση την εποχή εκείνη στο πρόβλημα αυτό, φάνηκε ότι υπάρχει μια θεμελιώδης ασυμβατότητα μεταξύ ειδικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής. Οι δυσκολίες με τη θεωρία αυξήθηκαν στο το τέλος του 1940. Βελτιώσεις στην τεχνολογία μικροκυμάτων κατέστησαν δυνατή τη λήψη ακριβέστερων μετρήσεων της μετατόπισης των επιπέδων ενός ατόμου υδρογόνου, τώρα γνωστή ως μετατόπιση Lamb καθώς και της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου.Στα πειράματα αυτά εμφανίστηκαν σαφείς αποκλίσεις που η θεωρία δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει. Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον Hans Bethe το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη Νέα Υόρκη, αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα,ο Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται με Αρνί και Retherford. [10] Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυνάψετε άπειρα σε διορθώσεις των μαζών και το φορτίο που πραγματικά ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε κανονικοποίηση. Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον Χανς Μπέτε το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη Νέα Υόρκη, αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα, Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται με Αρνί και Retherford. Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυναφθούν άπειρα οι διορθώσεις των μαζών και των φορτίων που πραγματικά ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε κανονικοποίηση.