Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

kvanteelektrodynamik

Oprindelig forfatter JLPe Seneste forfatter Redaktionen

kvanteelektrodynamik, (eng. Quantum Electro Dynamics, QED), fysisk teori for de elektromagnetiske vekselvirkninger mellem elementarpartikler, især elektroner og deres antipartikler, positroner. Teorien baserer sig dels på de klassiske love for elektricitet og magnetisme fra 1800-t., dels på Diracs elektronteori fra ca. 1930. Desuden er QED nøje udformet efter kvanteteoriens og relativitetsteoriens krav til naturbeskrivelse.

De første tilløb til teoridannelsen i 1930'erne løb ind i alvorlige vanskeligheder, som først blev løst i slutningen af 1940'erne af S. Tomonaga, J. Schwinger og R.P. Feynman, der for dette arbejde delte nobelprisen i fysik i 1965. Teorien fik en afrundet form af F.J. Dyson i 1950 med udviklingen af det såkaldte renormaliseringsprogram. QED-teorien tillader beregning af kvantekorrektioner til den klassiske teori og til Diracs elektronteori. Teorien er blevet eksperimentelt bekræftet med enestående præcision.

QED stod i mange år som det uopnåelige mønster for en fysisk teori for naturkræfterne. Dette mål synes nået med udviklingen af Standardmodellen for elementarpartikler i 1970'erne.

Annonce

Fotoner og elektroner

I QED tages hensyn til, at lys og anden elektromagnetisk stråling forekommer i kvanter, fotoner, med energi og impuls, men med en masse på nul. Fotoner er bosoner med et spin på 1 i enheder af ℏ; de forekommer i to polarisationstilstande med spinnet rettet enten med eller mod flugtretningen. Elektriske og magnetiske felter vekselvirker med elektriske ladninger og strømme, og stråling optræder, når strømmene svinger som fx i en radiosender. I QED studeres ladninger og strømme, der hidrører fra elektronfeltet (senere har man udvidet behandlingen til i princippet også at gælde alle andre elektrisk ladede felter).

Kvantefeltteorien for elektroner bygger på Dirac-ligningen og på Diracs hulteori, men giver en mere symmetrisk behandling af elektroner og positroner. Disse partikler har et spin på 1/2ℏ og er fermioner. I årene efter 1928 lykkedes det at forstå, hvorledes teorien kunne behandle simple processer i en første tilnærmelse; således Bhabha-spredning, Comptoneffekten og Møller-spredning. Beregningerne var ganske indviklede.

Kvanteelektrodynamikkens nærmere struktur

Den styrke, hvormed elektroner påvirker elektromagnetiske felter, er styret af elektronladningen, omtalt som koblingskonstanten i QED. Ofte bruges i stedet finstrukturkonstanten α, som er kvadratet på elektronladningen udtrykt i "naturlige enheder" med en værdi på ca. 1/137, altså et ret lille tal. Beregninger i QED udføres som bedre og bedre tilnærmelser til det rigtige resultat, idet korrektioner optræder som bidrag multipliceret med højere og højere potenser af α (α = 0,0073, α2 = 0,53, osv.). Beregningsarbejdet stiger voldsomt med højere potenser af α, men allerede få led giver meget nøjagtige resultater.

I den tidlige kvanteelektrodynamik viste det sig, at korrektionerne tilsyneladende involverede matematisk set meningsløse udtryk (divergerende integraler). Det var et første fremskridt, da R.P. Feynman sidst i 1940'erne udviklede sine Feynman-regler for sådanne beregninger. Herved blev de langt mere overskuelige, og de blev knyttet til såkaldte Feynman-diagrammer, der gav en slags intuitiv forståelse af de fysiske mekanismer bag processerne.

Det viste sig specielt, at "det tomme rum" eller vakuum er uhyre kompliceret i en kvanteteoretisk behandling. Elektron-positron-par opstår og forsvinder til stadighed, og elektroner udsender og absorberer til stadighed fotoner. Herved afskærmes den målte elektronladning delvist, og vakuumet optræder som et kompliceret medium. Det er baggrunden for forståelsen af, hvordan de matematiske problemer med kvantekorrektioner må behandles gennem det såkaldte renormaliseringsprogram. Specielt afhænger elektronladningen af den bølgelængde, hvorved den studeres.

Konsekvensen af disse komplikationer kan direkte måles. Fx forudsagde Diracs eletronteori, at elektronens magnetiske moment skulle være præcis to gange den klassiske værdi i god overensstemmelse med atomfysiske målinger. QED korrigerede dette tal, og meget omfattende beregninger giver 2,2.319.304 i perfekt overensstemmelse med meget avancerede målinger.

I atomfysikken leverer QED ligeledes en forklaring på små afvigelser mellem de målte atomspektre og dem, der forudsiges af simplere modeller baseret på Schrödingerligningen eller Dirac-ligningen. I QED optræder tilsyneladende såkaldte "infrarøde divergenser", der hidrører fra, at de fleste processer uundgåeligt ledsages af udstråling fra et stort antal energisvage ("infrarøde") fotoner, som unddrager sig observation. Ved meget høje energier må QED erstattes af den elektrosvage teori. Se også fysik og kvantefeltteori.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jens Lyng Petersen: kvanteelektrodynamik i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 20. august 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=112602