התאוריה המוזרה של אור וחומר
הרצאה ראשונה > היסטוריה של תאוריית QED

פיינמן פותח בהסבר קצר על ההיסטוריה של תורת הקוונטים. הוא מתאר מיזוג של כמה תחומים נפרדים למספר מצומצם של תאוריות. דברים שנראו בתחילה כתופעות נפרדות התבררו בהמשך כהיבטים שונים של אותו דבר. לדוגמה הקול והתנועה נחשבו בתחילה דברים שונים, עד שהתברר שקול הוא תנועה של אוויר. בהמשך התברר שגם חום ניתן להסביר מתוך חוקי התנועה. בשנת 1873 מיזג ג'יימס קלרק מקסוול את תיאור התופעות בתחום החשמל והמגנטיות יחד עם תיאור האור והאופטיקה, על פי הנחה כי אור הוא גלים אלקטרו-מגנטיים. בזמן זה היו בפיזיקה חוקי תנועה, חוקי כבידה, וחוקי אלקטרומגנטיות.
באזור שנת 1900 פותחה תאוריה פיזיקלית כדי להסביר את החומר, שנקראה תורת האלקטרון של החומר. התאוריה התפתחה והציגה את האטום כבנוי מחלקיקים זעירים הטעונים במטען חשמלי, עם גרעין אטום כבד ובעל מטעון חיובי במרכז האטום ואלקטרונים רבים הסובבים את הגרעין שיש להם מטען שלילי. ניסיונות להבין את תנועת האלקטרונים סביב הגרעין במונחים של תנועה, כאילו היו כוכבי לכת מסביב לשמש, נחלו כישלון מוחלט.
פיתוח מערכת חוקים אחרת להתנהגות האטום ארכה זמן רב משום שהתופעות ברמה האטומית נראו מוזרות לגמרי ובלתי מובנות ל"שכל הישר". בשנת 1926 הוצגה תאוריה בשם מכניקת הקוונטים שהסבירה את התנהגות האלקטרונים בחומר. התאוריה נראית מעוותת ו"נוגדת את השכל הישר" אך למעשה אינה כזו. המילה קוונט אמורה לבטא את החלק בתאוריה שנראה שעומד בניגוד לשכל הישר. מכניקת הקוונטים הסבירה היבטים רבים נוספים כמו מדוע אטום חמצן מתרכב עם שני אטומי מימן ויוצר מולקולת מים. לכן מכניקת הקוונטים היא היסוד של הכימיה. התאוריה הצליחה להסביר את הכימיה ותכונות שונות של החומר ולכן נחשבה הצלחה כבירה.
בשנת 1929 פיתחו מספר פיזיקאים את התחום של "אלקטרודינמיקה קוונטית" שניסתה להתאים את התאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול לתאוריה הקוונטית. אך תאוריה זו נקלעה לצרות. כאשר ניסו להשתמש בתאוריה כדי לחשב דברים באופן מקורב היא עבדה היטב. אבל ניסיון לקבל דיוק טוב מעט יותר של התוצאות דרש חישוב תיקון קשה מאוד עד שהחישוב הפך לאינסופי ולכן רמת הדיוק בתאוריה עצרה.
פול דיראק השתמש בתורת היחסות כדי לפתח את תורת היחסות של האלקטרון, אך תאוריה זו לא לקחה בחשבון את פעולות הגומלין בין האלקטרונים לאור. בתאוריה זו נטען כי לאלקטרון יש מומנט מגנטי שעוצמתו היא 1 בדיוק ביחידות המתאימות. בהמשך התברר כי הערך המדויק של גודל זה הוא 1.00118 התיקון היה צפוי בגלל הדינמיקה בין אור לבין אלקטרונים, והיה צפוי כי הוא יוסבר על ידי אלקטרודינמיקה קוונטית, אולם במקום להגיע למספר 1.00118, החישוב הגיע למספר אינסופי - כלומר לתוצאה לא נכונה. בעיה זו של חישוב גדלים באלקטרודינמיקה קוונטית נפתרה בשנת 1948 על ידי ג'וליאן שווינגר, שינאיצ'ירו טומונאגה ופיינמן עצמו (על פועלם זה הוענק להם פרס נובל לפיזיקה בשנת 1965). שווינגר היה הראשון שחישב תיקון על ידי "משחק קליפות" חדש והגיע לתוצאה של 1.00116 והדבר העיד כי החוקרים התקרבו לתאוריה טובה יותר. לבסוף החוקרים הגיעו לתאוריה אלקטרו-קוונטית שבאמצעותה ניתן לחשב חישובים, ותאוריה זו מוצגת בספר. בזמן כתיבת הספר התאוריה הזו קיימת כ-50 שנה ללא שינוי, והיא שבה ונבחנה בדיוק רב הולך בטווח רחק של ניסויים, ואין הבדל משמעותי בין התאוריה לבין הניסוי.
פיינמן מתאר את "מסחטות" הדיוק שבהן חוקרים מנסים לשפר את דיוק התוצאות והתאוריה במשך השנים. קבוע דירק בניסויים בזמן הוצאת הספר היה 1.0015965221, כאשר יש אי ודאות בגודל 4 לגבי הספרה האחרונה. התאוריה של QED קובעת את קבוע דיראק בגודל 1.0015965246 עם אי ודאות גדולה פי 5 לעומת הניסוי. להמחשת מידת הדיוק הדבר דומה למדידת המרחק בין לוס אנג'לס לבין ניו יורק, שעומד על כ-5000 ק"מ, ברמת דיוק שלא תרד מהעובי של שערת אדם. ברמה זו של דקדקנות נבחנת התאוריה מאז שנת 1948 בתחומי התאוריה והניסוי. ערכים רבים של QED נמדדו ברמת דיוק דומה ונמצאו דומים להפליא לתחזיות התאוריה. טווח המדידות נע בגדלים שבין כמאה פעמים הרדיוס של כדור הארץ, ועד למרחקים שערכם כמאית מהרדיוס של גרעין האטום.
פיינמן מציין כי בראייה לאחור, QED מתארת מגוון רחב של תופעות. בזמן כתיבת הספר, התאוריה התמודדה עם כל תחומי הפיזיקה למעט נושא הכבידה, ולמעט תופעות רדיואקטיביות הכוללות את שינוי רמות האנרגיה בגרעין. תופעות כמו בערה של בנזין, בועות סבון, דרגות קושי של מלח או נחושת או קשיחות הפלדה מוסברות כולן על ידי התאוריה. דבר זה אינו ידוע בוודאות שכן במרבית התופעות בתחומים כמו כימיה או ביולוגיה ברמה היומיומית מעורבות רמות עצומות של אלקטרונים, ויש קושי חישובי לתאר את כולן. אולם בניסוי מעבדה שבהם מעורבים רק מעט אלקטרונים, ובתנאים פשוטים, האלקטרודינמיקה פועלת יפה מאד, ולמרות מאמצים רבים מצד הפיזיקאים למצוא פגמים בתאוריה ולתקן אותה לא נמצא בה פגם. לפיכך פיינמן מתאר אותה כ"היהלום בכתר הפיזיקה" - ההישג הגדול ביותר שלה נכון לזמן כתיבת הספר.
פיינמן מעריך כי התאוריה עשויה להיות אב טיפוס לתאוריות חדשות ומקיפות יותר שיסבירו גם תופעות גרעיניות, בתוך גרעיני האטומים. אף כי מדובר בסוגי חלקיקים שונים מאוד זה מזה, כמו קווארקים, גלואנים - כולם "משחקים" לפי ה"סגנון" הקוונטי שמוצג בספר. לשם הפשטות מתמקד הספר רק בפוטונים ובאלקטרונים. הדרך שבה הם פועלים היא מוקד העניין של הספר.