Kvantelektrodynamikk

De Kvanteelektrodynamikk ( QED ) er i sammenheng med kvante fysikk , den kvantefeltet teoretisk beskrivelse av elektromagnetisme .

Generell

QED gir en beskrivelse av alle fenomener som er forårsaket av ladede punktpartikler , for eksempel elektroner eller positroner , og av fotoner . Den inneholder klassisk elektrodynamikk som et grensefall av sterke felt eller høye energier, der de mulige målte verdiene kan sees på som kontinuerlige . Av dypere interesse er imidlertid anvendelsen på mikroskopiske objekter, der den forklarer kvantefenomener som strukturen til atomer og molekyler . Det inkluderer også prosesser i høyenergifysikk , som generering av partikler av et elektromagnetisk felt . En av hennes beste resultater er beregningen av det anomale magnetiske øyeblikket til elektronet, som tilsvarer 11  desimaler med den eksperimentelt bestemte verdien ( Landé-faktor ). Dette gjør QED til en av de mest nøyaktig eksperimentelt bekreftede teoriene i dag.

QED beskriver samspillet mellom et spinorfelt og ladning  -e , som beskriver elektronet, med et kalibreringsfelt som beskriver foton. Den mottar sine bevegelsesligninger av elektrodynamikk ved kvantisering av Maxwells ligninger . Kvantelektrodynamikk forklarer med høy nøyaktighet den elektromagnetiske interaksjonen mellom ladede partikler (f.eks. Elektroner, muoner , kvarker ) ved hjelp av utveksling av virtuelle fotoner og egenskapene til elektromagnetisk stråling .

QED var den første kvantefeltteorien der vanskelighetene med en konsistent kvanteteoretisk beskrivelse av felt og dannelse og utryddelse av partikler ble løst tilfredsstillende. Skaperne av denne teorien, utviklet på 1940-tallet, ble hedret med tildelingen av Nobelprisen i fysikk til Richard P. Feynman , Julian Schwinger og Shin'ichirō Tomonaga i 1965.

Lagrangian tetthet

Den grunnleggende funksjonen til kvantefeltteori er Lagrangian :

I formelen:

  • Det gratis spinorfeltet adlyder Dirac-ligningen og beskriver fermioner som elektroner eller kvarker.
  • Fotonfeltet overholder Maxwell-ligningene .
  • Den feltstyrke stensoren er en forkortelse for .

De fysiske frie parametrene for kvanteelektrodynamikk er

  • de (bare) massene til de enkelte objektene
  • deres (bare) koblingskonstanter , som i tilfelle kvanteelektrodynamikk tilsvarer den klassiske elektriske ladningen .

Lagrangian av kvanteelektrodynamikk er utformet slik at den oppstår fra Lagrangian av de frie Spinorfeldes og det gratis Photo-feltet når det i tillegg kreves lokal måleinvarians , som manifesterer seg i et koblingsuttrykk (se FIG. Dirac-ligning ).

Spesielt er Lagrangian av kvanteelektrodynamikk det maksimale uttrykket som alle u. Kriterier oppfylt, d. H. ingen betegnelser kan legges til som ikke bryter med vilkårene.

Kvanteelektrodynamikk er en relativistisk målerteori basert på enhetsgruppen ( sirkelgruppe ), slik at følgende betingelser må være oppfylt:

Betydningen av kalibreringstransformasjonene

Transformasjonen er den klassiske lokale kalibreringstransformasjonen av de elektromagnetiske potensialene, og som ikke endrer verdien av det elektriske feltet eller den magnetiske flytdensiteten .

Tilsvarende transformasjon beskriver derimot en lokal endring i fasen uten en direkte analog i klassisk fysikk. Lagrangians invarians under denne faseendringen fører, ifølge Noethers teorem , til bevaringsmengden av Dirac-strømmen med kontinuitetsligningen .

Kravene til måleinvarians, Lorentz-invarians og renormalisering av Lagrangian fører også til påstanden om at fotonet er masseløst , siden en renormaliserbar skalar massebetegnelse for foton ikke er målerinvarant .

Ligninger av bevegelse

Lagrange-tettheten fører via Lagrange-ligningen til bevegelsesligningene for feltoperatørene:

Det andre ligningssystemet representerer nøyaktig Maxwell-ligningene i potensiell form, med den klassiske elektromagnetiske firedobbelte strømtettheten som erstattes av Dirac-strømmen.

Klassifisering av kvanteelektrodynamikk

Grunnleggende interaksjoner og deres beskrivelser
(teorier i et tidlig utviklingsstadium er skyggelagt i grått.)
Sterk interaksjon Elektromagnetisk interaksjon Svak interaksjon Tyngdekraft
klassisk Elektrostatikk og magnetostatikk ,
elektrodynamikk
Newtons gravitasjonslov ,
generell relativitet
quantum
teori
Kvantekromodynamikk
( standardmodell )
Kvantelektrodynamikk Fermi teori Kvantitet  ?
Elektro-svak interaksjon
( standardmodell )
Big Unified Theory  ?
Verdensformel ("teori om alt")?

litteratur

  • Richard P. Feynman : QED. Den rare teorien om lys og materie. Piper-Verlag, München et al. 1988, ISBN 3-492-03103-X (populærvitenskapelig lærebok).
  • Franz Mandl, Graham Shaw: kvantefeltsteori. Aula-Verlag, Wiesbaden 1993, ISBN 3-89104-532-8 (innledende lærebok).
  • Silvan S. Schweber : QED og mennene som klarte det. Dyson, Feynman, Schwinger og Tomonaga. Princeton University Press, Princeton NJ 1994, ISBN 0-691-03685-3 .
  • G. Scharf: Endelig kvanteelektrodynamikk. Årsakstilnærmingen. 2. utgave. Genser. Berlin et al. 1995, ISBN 3-540-60142-2
  • Peter W. Milonni: Kvantevakuumet . En introduksjon til kvanteelektrodynamikk. Academic Press, Boston et al. 1994, ISBN 0-12-498080-5 .
  • Walter Dittrich, Holger Gies: Probing the Quantum Vacuum. Perturbative Effective Action Approach in Quantum Electrodynamics and its Application (= Springer Tracts in modern Physics 166). Springer, Berlin et al. 2000, ISBN 3-540-67428-4 .
  • Giovanni Cantatore: Quantum electrodynamics and physics of the vacuum (= AIP Conference Proceedings 564). American Institute of Physics, Melville NY 2001, ISBN 0-7354-0000-8 .

Videoer

weblenker

Wiktionary: quantum electrodynamics  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser