Квантовая электродинамика

Ква́нтовая электродина́мика (КЭД) — квантовополевая теория электромагнитных взаимодействий; наиболее разработанная часть квантовой теории поля. Классическая электродинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля, в основе же квантовой электродинамики лежит представление о том, что электромагнитное поле обладает также и прерывными (дискретными) свойствами, носителями которых являются кванты поля — фотоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов

.

Квантовая электродинамика количественно объясняет эффекты взаимодействия излучения с веществом (испускание, поглощение и рассеяние), а также последовательно описывает электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами. К числу важнейших проблем, которые не нашли объяснения в классической электродинамике, но успешно разрешаются квантовой электродинамикой, относятся тепловое излучение тел, рассеяние рентгеновских лучей на свободных (точнее, слабо связанных) электронах (эффект Комптона), излучение и поглощение фотонов атомами и более сложными системами, испускание фотонов при рассеянии быстрых электронов во внешних полях (тормозное излучение) и другие процессы взаимодействия электронов, позитронов и фотонов. Меньший успех теории при рассмотрении процессов с участием других частиц обусловлен тем, что в этих процессах, кроме электромагнитных взаимодействий, играют важную роль и другие фундаментальные взаимодействия (сильное взаимодействие, слабое взаимодействие

).

Содержание

История создания теории

Квантовая электродинамика как последовательная квантовая теория поля была создана в 1940-х годах в работах Фейнмана, Швингера, Томонаги, Дайсона. Это была первая перенормируемая теория поля

.

Аксиомы квантовой электродинамики[1]

  1. Каждому событию квантовой электродинамики (Например, перемещению фотона или электрона из одной точки пространства-времени в другую или испусканию или поглощению фотона электроном) соответствует комплексное число – амплитуда вероятности события. Вероятность события равна квадрату модуля амплитуды вероятности события.
  2. Если событие может произойти взаимоисключающими способами, амплитуды вероятностей событий складываются. Если событие происходит поэтапно, или в результате ряда независимых событий, амплитуды вероятностей событий перемножаются.

Математическая формулировка

Математически, КЭД - это абелевая калибровочная теория поля с группой симметрии U(1). Калибровочное поле, которое переносит взаимодействие между заряженными полями спина-1/2, является электромагнитным полем. Лагранжиан КЭД для поля спина-1/2 взаимодействующего с электромагнитным полем равен действительной части от следующего выражения

\mathcal{L}=\bar\psi(i\gamma^\mu D_\mu-m)\psi -\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}

где

 \gamma^\mu - матрицы Дирака;
\psi - биспинорное поле спина-1/2 (т. е. электрон-позитронное поле);
\bar\psi\equiv\psi^\dagger\gamma_0, называемое "пси-бар";
D_\mu \equiv \partial_\mu+ieA_\mu+ieB_\mu \, \! - ковариантная производная;
e постоянная тонкой структуры;
Aμ - ковариантный 4-потенциал;
Bμ внешнее поле;
F_{\mu\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu \, \! - тензор электромагнитного поля.

Важнейшие результаты в КЭД

Современные направления исследований в КЭД

Примечания

  1. Фейнман Р. КЭД — странная теория света и вещества. М.: Наука, 1988. 144 с. Серия Библиотечка «Квант», выпуск 66.

См. также

Литература



  Квантовая электродинамика  ·Электрон | Позитрон | Фотон
Аномальный магнитный момент
Позитроний

Wikimedia Foundation. 2010.