• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

kvantefeltteori

Oprindelig forfatter JLPe Seneste forfatter Redaktionen

kvantefeltteori, begrebsramme for fysiske teorier, der særlig finder anvendelse inden for elementarpartiklernes fysik. Kvantefeltteori står i modsætning til klassisk feltteori, som ser bort fra kvantemekanik. Relativitetsteori kombineret med kvantemekanik medfører, at partikler kan dannes og forsvinde i fysiske processer som observeret i naturen. Kvantefeltteorien viser sig at være den perfekte begrebsramme til at håndtere dette forhold.

Kvantefelter og elementarpartikler

Kvantefeltteori redegør på en tilfredsstillende måde for den ejendommelighed i kvantemekanik, der kommer til udtryk i bølge-partikel-dualiteten af stof og stråling. Det klassiske felt ligger "i hvile" i det tomme rum, men kan anslås ved at tilføre energi, således at der optræder bølger i feltet. Det kendes fx fra radiobølger, der dannes, når de elektromagnetiske felter anslås af en radiosender, eller fra lysbølger, når felterne anslås af en lysgiver. Efter klassisk tankegang kan feltbølgens energi gøres så svag, det skal være, men ifølge kvanteteorien er der en mindstegrænse for anslagets energi.

En bølge med en bestemt frekvens i et kvantefelt har en energi, der mindst er lig med frekvensen gange Plancks konstant. Dette mindst mulige feltanslag er kvantefeltteoriens billede af en elementarpartikel.

Annonce

Bosoner, fermioner og deres antipartikler

Kvantefeltteorien forklarer forskellen mellem elementarpartikler med heltalligt spin, bosoner, og elementarpartikler med halvtalligt spin, fermioner. Bosoner adlyder Bose-Einstein-statistik, der bl.a. tillader dem at optræde i samme kvantetilstand. Når et stort antal kvanter er i samme tilstand, opstår (tilnærmet) et klassisk felt. Bosoner betegnes også kraftpartikler eller budbringerpartikler, idet de formidler naturkræfterne mellem elementarpartiklerne.

Fermioner, fx elektroner, adlyder derimod Fermi-Dirac-statistik, herunder Pauliprincippet, der udelukker, at to fermioner kan være i samme kvantetilstand. Derved spiller fermioner en nøglerolle for stoffers hårdhed og stabilitet, og fermioner betegnes derfor også stofpartikler.

Kvantefeltteorien forklarer også forekomsten af antipartikler, der har samme masse og spin som partikler, men modsat ladning. Forestillingen om eksistensen af antipartikler blev først fremsat i Diracs hulteori, som blev bekræftet med opdagelsen i 1932 af elektronens antipartikel, positronen. Diracs hulteori gælder imidlertid kun for fermioner, mens kvantefeltteoriens behandling af antipartikler gælder for både bosoner og fermioner.

Kvantefeltteori og elektromagnetisme

Den første store succes for kvantefeltteorien blev opstillingen af en kvanteelektrodynamik, der med uhyre præcision redegjorde for de processer, der foregår mellem elektroner og fotoner. De afgørende regler for vekselvirkningen var allerede blevet udarbejdet før 2. Verdenskrig af bl.a. W. Heisenberg og W. Pauli. Reglerne var baseret dels på J.C. Maxwells forståelse af lovene for klassisk elektricitet og magnetisme fra ca. 1870, dels på kvantemekanik og relativitetsteori.

Kvantefeltteorien løb imidlertid hurtigt ind i vanskeligheder, idet konkrete beregninger af kvantekorrektioner til fx energiniveauerne i hydrogenatomet syntes at give meningsløse resultater. I årene op til 1950 lykkedes det imidlertid at formulere en nyfortolkning af den matematiske formalisme gennem det såkaldte renormeringsprogram, udviklet af bl.a. R.P. Feynman, J.S. Schwinger, S. Tomonaga og F. Dyson. De tre førstnævnte delte nobelprisen i fysik i 1965 for deres arbejde på dette område.

Herefter førte beregninger til fornuftige resultater, og sammenligning med eksperimenter har siden vist nøjagtig overensstemmelse. Renormeringsprogrammet stod i en årrække som en noget mystisk procedure for mange fysikere, men gennem K.G. Wilsons arbejder i 1970'erne (nobelpris i fysik i 1982) er proceduren blevet meget klar.

I kvantefeltteoriens formulering foregår en spredningsproces mellem fx to elektroner ved, at der i det korte tidsrum, hvor de to elektroner er nærmest hinanden, udveksles en eller flere såkaldte virtuelle fotoner mellem dem. Fotonerne bringer så at sige bud om den ene partikel til den anden og formidler naturkræfterne mellem dem. Fotonerne kaldes virtuelle, fordi sammenhængen mellem deres energi og impuls er anderledes end for egentlige fysiske fotoner. Bidragene for de mulige processer skal adderes efter en bestemt matematisk procedure, således at de simpleste muligheder spiller den vigtigste rolle.

Vakuumet mellem elementarpartiklerne viser sig at være langt mere indviklet end forventet. Kvantefelterne kan her fluktuere, hvilket kan føre til dannelse og tilintetgørelse af elektron-positron-par og til, at fotoner til stadighed udsendes og absorberes. Konsekvenserne af sådanne strålingskorrektioner kan både beregnes og måles.

Andre naturkræfter

Efter forståelsen af elektromagnetismen blev det forsøgt at formulere kvantefeltteorier også for de stærke kernekræfter med mesonfelter som formidlere af kræfterne. H. Yukawa kunne i 1935 med en sådan teori forudsige eksistensen af pionen, der eksperimentelt blev fundet i 1947. Yukawa fik nobelprisen i fysik i 1949 for sin forudsigelse af mesoner.

Feltteorier baseret på mesonfelter har mest vist sig nyttige til en tilnærmet forståelse af fænomener ved lave energier, mens de i mindre grad egner sig til en formulering af naturlovene på deres fundamentale niveau. Det lykkedes imidlertid i løbet af 1960'erne og 1970'erne at udvikle kvantefeltteorier i slægt med kvanteelektrodynamikken, men nu for både de stærke og de svage kernekræfter. Det var afgørende at basere sig på kvark-begrebet som formuleret i 1964 af M. Gell-Mann (nobelpris i fysik 1969) og G. Zweig. Resultatet betegnes nu som Standardmodellen, der dels består af kvantekromodynamikken, som er teorien for de stærke vekselvirkninger, dels af GSW-teorien for de elektromagnetiske og svage vekselvirkninger. GSW-teorien blev fremsat af S. Glashow, A. Salam og S. Weinberg, som delte nobelprisen i fysik i 1979. I Standardmodellen formidles de stærke vekselvirkninger af gluoner og de svage vekselvirkninger af W- og Z-partikler. Gluoner, W- og Z-partikler svarer i den teoretiske beskrivelse nøje til fotonerne i kvanteelektrodynamikken, om end med afvigende egenskaber i flere henseender. Standardmodellen blev i 1980'erne og 1990'erne eksperimentelt meget grundigt eftervist.

Mangelegemeteori

Foruden ovennævnte anvendelser af relativistisk kvantefeltteori på elementarpartiklernes fysik anvendes kvantefeltteori i en urelativistisk formulering, ofte kaldet mangelegemeteori, med stor nytte på mange andre fysiske systemer, fx faste stoffers og atomkerners fysik. Elektroner i et metal må således behandles som et mangelegemeproblem. Når atomgitteret i et metal vibrerer, er vibrationerne kvantiserede med energikvanter, der kaldes fononer, og som bedst beskrives af kvantefeltteori.

Mangelegemeteori finder endvidere anvendelse ved beskrivelse af fx de lavere excitationer i atomkerner og ved teorien for superledning og for superfluiditet. Se også fysik.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jens Lyng Petersen: kvantefeltteori i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 21. september 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=112603