Kvantna elektrodinamika (QED), teorija kvantnog polja interakcija nabijenih čestica s elektromagnetskim poljem. Matematički opisuje ne samo sve interakcije svjetlosti s materijom, već i one nabijenih čestica jedna s drugom. QED je relativistička teorija u kojoj je teorija posebne relativnosti Alberta Einsteina ugrađena u svaku od svojih jednadžbi. Budući da je ponašanje atoma i molekula prvenstveno elektromagnetske naravi, sva se atomska fizika može smatrati ispitnim laboratorijom za teoriju. Neki od najpreciznijih testova QED-a bili su eksperimenti koji se bave svojstvima subatomskih čestica poznatih kao muoni. Pokazalo se da se magnetski trenutak ove vrste čestica podudara s teorijom na devet značajnih znamenki. Sporazum tako visoke točnosti QED čini jednom od najuspješnijih fizičkih teorija do sada.
elektromagnetsko zračenje: Kvantna elektrodinamika
Među najuvjerljivijim fenomenima koji pokazuju kvantnu prirodu svjetlosti su sljedeći. Kako se intenzitet svjetlosti smanjuje
Godine 1928. engleski fizičar PAM Dirac postavio je temelje QED-om svojim otkrićem valne jednadžbe koja je opisala gibanje i spinovanje elektrona, a ugradila je i kvantnu mehaniku i teoriju posebne relativnosti. Teoriju QED-a usavršili su i potpuno razvili u kasnim četrdesetim godinama Richard P. Feynman, Julian S. Schwinger i Tomonaga Shin'ichirō, neovisno jedan o drugome. QED počiva na ideji da nabijene čestice (npr. Elektroni i pozitroni) međusobno djeluju emitirajući i apsorbiraju fotone, čestice koje prenose elektromagnetske sile. Ovi fotoni su "virtualni"; to jest, oni ih ne mogu ni na koji način vidjeti ili otkriti jer njihovo postojanje krši očuvanje energije i zamaha. Razmjena fotona samo je "sila" interakcije, jer međusobno djelujuće čestice mijenjaju svoju brzinu i smjer vožnje dok oslobađaju ili apsorbiraju energiju fotona. Fotoni se također mogu emitirati u slobodnom stanju, te se u tom slučaju mogu promatrati kao svjetlost ili drugi oblici elektromagnetskog zračenja.
Interakcija dviju nabijenih čestica događa se u nizu procesa sve veće složenosti. U najjednostavnijem slučaju uključen je samo jedan virtualni foton; u procesu drugog reda postoje dva; i tako dalje. Procesi odgovaraju svim mogućim načinima na koje čestice mogu komunicirati razmjenom virtualnih fotona, a svaki od njih može se grafički predstaviti pomoću takozvanih Feynmanovih dijagrama. Uz pružanje intuitivne slike procesa koji se razmatra, ova vrsta dijagrama propisuje precizno izračunavanje uključene varijable. Svaki subatomski proces postaje računski teži od prethodnog, a postoji beskonačan broj procesa. QED teorija, međutim, kaže da što je složeniji proces - to jest, veći broj virtualnih fotona razmjenjenih u procesu - manja je vjerojatnost njegovog pojavljivanja. Za svaku razinu kompleksnosti, doprinos procesa smanjuje količinu dao α 2 -gdje α bezdimenzijska količinu naziva konstanta fine strukture, s brojčanom vrijednosti jednake (1 / 137). Dakle, nakon nekoliko razina doprinos je zanemariv. Na temeljniji način, faktor α služi kao mjera jakosti elektromagnetske interakcije. Ona je jednaka e 2 / 4πε o [planck] c, gdje je e naboj elektrona, [planck] je Planckova konstanta podijeljena s 2π, c je brzina svjetlosti, a ε o je propusnost slobodnog prostora.
QED se često naziva teorijom poremećaja zbog malenosti konstante fine strukture i rezultirajuće opadajuće veličine doprinosa višeg reda. Ova relativna jednostavnost i uspjeh QED-a učinili su ga modelom za ostale teorije kvantnog polja. Konačno, slika elektromagnetskih interakcija kao razmjene virtualnih čestica prenesena je na teorije ostalih temeljnih interakcija materije, jake sile, slabe sile i sile gravitacije. Vidi također teoriju mjera.
