Квантовая электродинамика

Как рождаются частицы? Куда они исчезают? Дать ответ на этот вопрос классическая электродинамика не могла. И снова на помощь пришли наши теперь уже и не такие загадочные кванты.

Квантовая электродинамика — это по сути наиболее разработанная часть квантовой теории поля, можно сказать, это самая первая квантовая подтеория поля—теория чисто электромагнитных взаимодействий. В квантовой электродинамике могут рождаться и взаимодействовать только три типа частиц: электроны, их антиподы-античастицы — позитроны и фотоны — кирпичики электромагнитного излучения.

Загадочное число три

У истоков создания квантовой электродинамики стоял целый ряд физиков-теоретиков: Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Поль Дирак, Ричард Фейнман и другие. В основе этой теории, как и любой иной квантовой теории поля, лежит представление о заполняющем пространство поле, в котором возможны элементарные возбуждения — кванты. Квант электромагнитного поля — это фотон, кванты электрон-позитронного поля — соответственно, электроны и позитроны. Хотя справедливо сказать, что обычно термин «квант» применяют только к фотонам.

Квантовая электродинамика — релятивистская теория, что это такое — мы рассматривали выше. А значит, ее уравнения подчиняются принципам теории относительности, то есть они одинаково выглядят как в покоящейся, так и в равномерно движущейся системах координат. Еще одно свойство квантовой электродинамики — это локальность, которое обозначает, что элементарное взаимодействие—испускание или поглощение фотона электроном либо позитроном — происходит мгновенно и в бесконечно малой области пространства. Причем локальное взаимодействие происходит не в пустоте, а в физическом вакууме.

Классическая электродинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля, в основе же квантовой электродинамики лежит представление о том, что электромагнитное поле обладает также и дискретными свойствами, носителями этих свойств являются кванты поля — фотоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами в квантовой электродинамике рассматривается как поглощение и испускание частицами фотонов.

«Опыты, определяющие какую-нибудь физическую величину, делают в то же время недействительным ранее добытое знание других величин, так как они влияют неконтролируемым образом на измеряемую систему и тем самым изменяют ранее известные величины» (Вернер Гейзенберг)

Хорошо, но недостаточно

Любому событию квантовой электродинамики, например, перемещению электрона из одной точки пространства-времени в другую или испусканию либо поглощению фотона электроном, соответствует некое комплексное число, описывающее амплитуду вероятности события. Вероятность события равна квадрату модуля амплитуды вероятности события.

Квантовая электродинамика количественно объясняет эффекты взаимодействия излучения с веществом, такие как испускание, поглощение и рассеяние, и описывает электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами.

Квантовая электродинамика объясняет тепловое излучение тел, рассеяние рентгеновских лучей на свободных электронах, излучение и поглощение фотонов атомами и другие процессы взаимодействия электронов, позитронов и фотонов. При рассмотрении процессов с участием других частиц успех теории намного ниже, это объясняется тем, что в этих процессах, кроме электромагнитных взаимодействий, играют важную роль и другие виды взаимодействий — сильное, слабое.

В современной физике элементарных частиц квантовая электродинамика объединяется с теорией слабых взаимодействий в единую теорию электрослабых сил. Кроме фотонов, электронов и позитронов эта теория рассматривает другие частицы, некоторые из них только лишь предсказаны теорией, но пока не обнаружены на опыте.