Kvantna elektrodinamika

Intrakcije u kvantnoj elektrodinamici se često prikazuju shematski Fajnmanovim dijagramima

Kvantna elektrodinamika (QED, od engleskog naziva Quantum electrodynamics) je kompleksna i matematički vrlo složena teorija koja se opisuje interakciju svetlosti (fotona) i materije (pre svega elektrona, ali i svih drugih naelektrisanih čestica koje imaju spin 1/2, kao što su mioni). Kvantna elektrodinamika se definiše kao relativistička kvantna teorija polja elektrodinamike. Kvantna elektrodinamika je kompatibilna sa specijalnom teorijom relativnosti i opisuje sve fenomene osim fenomena povezanih sa opštom teorijom relativnosti i radioaktivnim raspadima.

Razvoj

U prvoj polovini 20. veka, fizičari su se trudili da pomire Maksvelovu elektrodinamiku sa novinama koje su donele kvantna teorija i specijalna teorija relativnosti. Pol Dirak, Verner Hajzenberg i Volfgang Pauli su dali značajne doprinose razvoju matematičkog aparata kvantne elektrodinamike u godinama uoči Drugog svetskog rata. Prvu formulaciju kvantne teorije koja opisuje radijaciju i interakciju materije je proizveo britanski naučnik Pol Dirak, koji je tokom 1920-ih uspeo da izračuna koeficijent spontane emisije atoma. Dirak je opisao kvantizaciju elektromagnetskog polja kao ansambl harmonijskih oscilatora putem uvođenja koncepta operatora stvaranja i uništenja čestica. U narednim godinama, uz doprinose Volfganga Paulija, Judžina Vignera, Paskala Jordana, Vernera Hajzenberga i elegantnu formulaciju kvantne elektrodinamike Enrika Fermija, fizičari su počeli da veruju da će u principu biti moguće da se sprovedu proračuni za bilo koji fizički proces u kome učestvuju fotoni i naelektrisane čestice.

Međutim, dalje studije Feliksa Bloha sa Arnoldom Nordsikom, i Viktorom Vajskopfom, u 1937. i 1939. godini, pokazale su da su takvi proračuni pouzdani jedino za perturbacionu teoriju prvog reda, što je problem na koji je već bio ukazao Robert Openhajmer. Pri višim redovima u seriji su se pojavile beskonačnosti, koje su takve proračune činile besmislenim i bacale ozbiljne sumnje na unutrašnju konzistentnost same teorije. U odsustvu rešenja tog problema u to vreme, izgledalo je da postoji fundamentalna inkompatibilnost između specijalne relativnosti i kvantne mehanike. Nakon uvođenja procesa renormalizacije, kojim se ove beskonačne veličine eliminišu, kao i drugih doprinosa naučnika poput Ričarda Fajnmana, Julijana Švingera i Šiničira Tomonage, kvantna elektrodinamika je postala daleko pouzdanija.

Kvantna elektrodinamika je posebno bila revolucionarna u teorijskoj fizici zahvaljujući metodima koje je koristila — umesto mehanicističkog pristupa računaju se odgovarajuće verovatnoće kombinovane sa kvantnim osobinama subatomskih čestica. Nakon otkrića kvarkova, gluona i drugih subatomskih čestica, kvantna elektrodinamika je postala izuzetno značajna u opisu strukture, osobina i reakcija među ovim česticama, što ju je na kraju učinilo jednom od najtačnijih, najpreciznijih i najbolje testiranih fizičkih teorija.

Virtuelni fotoni

Glavni članak: Virtuelni fotoni

Kvantna elektrodinamika opisuje interakciju između naelektrisanih čestica kao razmenu virtuelnih fotona. Kako naelektrisana čestica emituje ili apsorbuje virtuelne fotone, tako menja svoju brzinu (pravac, smer i/ili intenzitet). Virtuelne fotone (kao i druge virtuelne čestice) nije moguće direktno ispitivati, već se oni analiziraju samo preko svojih efekata. Virtuelni fotoni su, svakako, najbolje opisani odgovarajućim matematičkim alatom.

Fajnmanovi dijagrami

Odbijanje dva elektrona prikazano Fajnmanovim dijagramom

Glavni članak: Fajnmanovi dijagrami

Fajnmanovi dijagrami su pomoćno sredstvo kojim se predstavljaju interakcije u kvantnoj elektrodinamici u prostoru i vremenu. Po pravilu, vreme je prikazano na apscisi, i teče sa leve ka desnoj strani dijagrama. Na ordinati se shematski prikazuje kretanje čestica. U svakom čvoru važe zakoni očuvanja energije i momenta impulsa.

Vidi još

• Kvantna teorija polja
• Pol Dirak
• Hans Bete
• Ričard Fajnman

Literatura

• Maggiore, Michele. Basics of Quantum Electrodynamics (na jeziku: (jezik: engleski)) (4 izd.). Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-19-852073-3. CS1 održavanje: Neprepoznat jezik (veza)
• Michele Maggiore. A Modern Introduction to Quantum Field Theory (na jeziku: (jezik: engleski)) (4 izd.). Chippenham: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-852073-3. CS1 održavanje: Neprepoznat jezik (veza)
• K. Lee Lerner, Brenda Wilmoth Lerner (ur.). The Gale Encyclopaedia of Science (na jeziku: (jezik: engleski)) (4 izd.). Farmington Hills: The Gale Group. ISBN 978-1-4144-2877-2. CS1 održavanje: Neprepoznat jezik (veza)
• De Broglie, Louis (1925). Recherches sur la theorie des quanta [Research on quantum theory]. France: Wiley-Interscience. 
• Feynman, Richard Phillips (1998). Quantum Electrodynamics (New izd.). Westview Press. ISBN 978-0-201-36075-2. 
• Jauch, J.M.; Rohrlich, F. (1980). The Theory of Photons and Electrons. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-07295-1. 
• Greiner, Walter; Bromley, D.A.; Müller, Berndt (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 978-3-540-67672-0. 
• Kane, Gordon, L. (1993). Modern Elementary Particle Physics. Westview Press. ISBN 978-0-201-62460-1. 
• Miller, Arthur I. (1995). Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-56891-3. 
• Milonni, Peter W. (1994). The Quantum Vacuum: An Introduction to Quantum Electrodynamics. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-498080-8. LCCN 93029780. OCLC 422797902. 
• Schweber, Silvan S. (1994). QED and the Men Who Made It. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-03327-3. 
• Schwinger, Julian (1958). Selected Papers on Quantum Electrodynamics. Dover Publications. ISBN 978-0-486-60444-2. 
• Tannoudji-Cohen, Claude; Dupont-Roc, Jacques; Grynberg, Gilbert (1997). Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics. Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-18433-1. 
• Dudley, J.M.; Kwan, A.M. (1996). „Richard Feynman's popular lectures on quantum electrodynamics: The 1979 Robb Lectures at Auckland University”. American Journal of Physics. 64 (6): 694—98. Bibcode:1996AmJPh..64..694D. doi:10.1119/1.18234. 
• Bacciagaluppi, Guido; Valentini, Antony (2009), Quantum theory at the crossroads: reconsidering the 1927 Solvay conference, Cambridge, UK: Cambridge University Press, str. 9184, Bibcode:2006quant.ph..9184B, ISBN 978-0-521-81421-8, OCLC 227191829, arXiv:quant-ph/0609184  
• Bernstein, Jeremy (2009), Quantum Leaps, Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, ISBN 978-0-674-03541-6 
• Cramer, JG (2015). The Quantum Handshake: Entanglement, Nonlocality and Transactions. Springer Verlag. ISBN 978-3-319-24642-0. 
• Greenberger, Daniel, Hentschel, Klaus, Weinert, Friedel (Eds.) Compendium of Quantum Physics. Concepts, Experiments, History and Philosophy, New York: Springer, 2009. ISBN 978-3-540-70626-7.
• Jammer, Max (1966), The conceptual development of quantum mechanics, New York: McGraw-Hill, OCLC 534562 
• Jammer, Max (1974), The philosophy of quantum mechanics: The interpretations of quantum mechanics in historical perspective, New York: Wiley, ISBN 0-471-43958-4, OCLC 969760 
• F. Bayen, M. Flato, C. Fronsdal, A. Lichnerowicz and D. Sternheimer, Deformation theory and quantization I,and II, Ann. Phys. (N.Y.), 111 (1978) pp. 61–151.
• D. Cohen, An Introduction to Hilbert Space and Quantum Logic, Springer-Verlag, 1989. This is a thorough and well-illustrated introduction.
• Finkelstein, D. (1969), „Matter, Space and Logic”, Boston Studies in the Philosophy of Science, Boston Studies in the Philosophy of Science, V: 1969, ISBN 978-94-010-3383-1, doi:10.1007/978-94-010-3381-7_4. 
• A. Gleason. Measures on the Closed Subspaces of a Hilbert Space, Journal of Mathematics and Mechanics, 1957.
• R. Kadison. Isometries of Operator Algebras, Annals of Mathematics, Vol. 54, pp. 325–38, 1951
• G. Ludwig. Foundations of Quantum Mechanics, Springer-Verlag, 1983.
• G. Mackey. Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, W. A. Benjamin, 1963 (paperback reprint by Dover 2004).
• R. Omnès. Understanding Quantum Mechanics, Princeton University Press, 1999. (Discusses logical and philosophical issues of quantum mechanics, with careful attention to the history of the subject).
• N. Papanikolaou. Reasoning Formally About Quantum Systems: An Overview, ACM SIGACT News, 36(3), pp. 51–66, 2005.
• C. Piron. Foundations of Quantum Physics, W. A. Benjamin, 1976.
• Hermann Weyl. The Theory of Groups and Quantum Mechanics, Dover Publications, 1950.
• A. Whitaker. The New Quantum Age: From Bell's Theorem to Quantum Computation and Teleportation, Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-958913-5
• Stephen Hawking. The Dreams that Stuff is Made of, Running Press, 2011, ISBN 978-0-76-243434-3
• A. Douglas Stone. Einstein and the Quantum, the Quest of the Valiant Swabian, Princeton University Press, 2006.
• Richard P. Feynman. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press, 2006. Print.
• Pais, Abraham; Inward Bound – Of Matter & Forces in the Physical World, Oxford University Press (1986) ISBN 0-19-851997-4. Written by a former Einstein assistant at Princeton, this is a beautiful detailed history of modern fundamental physics, from 1895 (discovery of X-rays) to 1983 (discovery of vectors bosons at [[CERN]).
• Richard Feynman; Lecture Notes in Physics. Princeton University Press: Princeton (1986).
• Richard Feynman; QED. Princeton University Press: Princeton (1982).
• Weinberg, Steven; The Quantum Theory of Fields - Foundations (vol. I), Cambridge University Press (1995) ISBN 0-521-55001-7 The first chapter (pp. 1–40) of Weinberg's monumental treatise gives a brief history of Q.F.T., p. 608.
• Weinberg, Steven; The Quantum Theory of Fields - Modern Applications (vol. II), Cambridge University Press:Cambridge, U.K. (1996) ISBN 0-521-55001-7, pp. 489.
• Weinberg, Steven; The Quantum Theory of Fields – Supersymmetry (vol. III), Cambridge University Press:Cambridge, U.K. (2000) ISBN 0-521-55002-5, pp. 419.
• Schweber, Silvan S.; QED and the men who made it: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga, Princeton University Press (1994) ISBN 0-691-03327-7
• Ynduráin, Francisco José; Quantum Chromodynamics: An Introduction to the Theory of Quarks and Gluons, Springer Verlag, New York, 1983. ISBN 0-387-11752-0
• Miller, Arthur I.; Early Quantum Electrodynamics : A Sourcebook, Cambridge University Press (1995) ISBN 0-521-56891-9
• Schwinger, Julian; Selected Papers on Quantum Electrodynamics, Dover Publications, Inc. (1958) ISBN 0-486-60444-6
• O'Raifeartaigh, Lochlainn; The Dawning of Gauge Theory, Princeton University Press (May 5, 1997) ISBN 0-691-02977-6
• Cao, Tian Yu; Conceptual Developments of 20th Century Field Theories, Cambridge University Press (1997) ISBN 0-521-63420-2
• Darrigol, Olivier; La genèse du concept de champ quantique, Annales de Physique (France) 9 (1984) pp. 433–501. Text in French, adapted from the author's Ph.D. thesis.

Spoljašnje veze

• Feynman's Nobel Prize lecture describing the evolution of QED and his role in it
• Feynman's New Zealand lectures on QED for non-physicists
• Animations demonstrating QED