אלקטרודינמיקה קוונטית

פרק זה טעון שכתוב. אנא תרמו למכלול ועזרו לשכתב אותו. הסיבה היא משפטים קטועים ולא ברורים ללא הקשר. קשה לקריאה.

אלקטרודינמיקה קוונטית או QED היא ענף בפיזיקה המתארת את תופעת האלקטרומגנטיות תוך התחשבות באפקטים קוונטיים. תורה זו היא מקרה פרטי של תורת שדות קוונטית.

תורה זו מתארת את פעולתם של חלקיקים בעלי מטען חשמלי כגון אלקטרון ופוזיטרון, ואת פעולתו של הפוטון - החלקיק הנושא את הכוח האלקטרומגנטי. ראשיתה של התורה בתורת הקוונטים, ובעבודתו של וולפגאנג פאולי לחישוב מדויק של ספקטרום פליטה של אטום.

אלקטרודינמיקה קוונטית היוותה את הדוגמה המציאותית הראשונה לתורת שדות קוונטית, ותוצאות הניסויים מסתדרות היטב עם תחזיות התאוריה. באמצעות ניסויים התגלו בעיות בתורה, ופתרונן הביא לשיטות מתמטיות חדשות ומרחיקות לכת בפיזיקה, כמו הרנורמליזציה. התורה נחשבת לאחת התורות הפיזיקליות המדויקות והשלמות ביותר בפיזיקה מודרנית.

היסטוריה

נסיון לחישוב מדויק יותר נשא עמו קשיים רבים, ובפרט התקבלו תוצאות אינסופיות לכאורה עבור האנרגיה^{[דרושה הבהרה]}. הסתירה יושבה לקראת אמצע המאה ה-20 על ידי ג'וליאן שווינגר, ריצ'רד פיינמן ושינאיצ'ירו טומונאגה, שעל עבודתם זו זכו בפרס נובל לפיזיקה. כל אחד מהם בנפרד הגה את הרעיון המאפשר לקבל תוצאות סופיות ובעלות משמעות באמצעות שיטה המכונה רנורמליזציה. בשיטה זו מתבטלים הערכים האינסופיים באמצעות הוספת ערכים אינסופיים אחרים, וכך ניתן להתייחס רק לערכים הנצפים של המסה והמטען. על אף ששיטה זו אינה מושלמת מבחינה מתמטית, הרי שהיא פועלת כהלכה ומאפשרת לקבל ניבויים ההולמים את התצפיות במידה מדויקת.

בשנת 1947 גילה ויליס לם את תיקון לם, כשמצא כי תדירותו של אחד הקווים האטומיים בספקטרום המימן השתנתה. תצפיתו זו של לם ביססה עוד יותר את שיטת הרנורמליזציה, והייתה המפתח לאיחוד תורת הקוונטים עם התורה האלקטרומגנטית . בכך הונח היסוד לתורת אלקטרודינמיקה קוונטית.

בסיס תאורטי

_{הערה: לבסיס תאורטי בסיסי יותר, ראו תורת שדות קוונטית ואת הקישורים בגוף הפרק.}

QED היא תורת כיול, כלומר אחת הסימטריות של התורה תלויה במיקום. זוהי סימטרית $U(1)$, ובוזון הכיול הנגזר ממנה הוא הפוטון. מכיוון שלסימטריה יש רק יוצר אחד, יש רק סוג אחד של פוטונים, בניגוד לתורות הכיול המורכבות יותר כמו כרומודינמיקה קוונטית שבה 8 סוגים של גלואונים. בנוסף השדה הפשוט יחסית אינו מאפשר אינטראקציות בין פוטונים, אלא רק בין פוטונים לחלקיקים טעונים חשמלית. לכן נהוג לכתוב את התורה עם שני שדות, פוטון ואלקטרון (החלקיק הטעון הקל ביותר), אף כי כל חלקיק טעון, כגון פרוטון, קווארק, W+ או פאיון, יתאים גם כן. אלקטרון הוא גם החלקיק המאפשר את הניסויים המדויקים ביותר, כמו למשל בספקטרום הפליטה של אטומים.

הלגרנז'יאן של התורה מכיל את האיבר הקינטי של האלקטרון והפוטון, ואת התגובה ביניהם:

${\mathcal {L}}={\bar {\psi }}(i\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m)\psi -e{\bar {\psi }}\gamma _{\mu }\psi -{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }$

כאשר $\psi$ הוא שדה האלקטרון, $A^{\mu }$ הוא שדה הפוטון, $\gamma ^{\mu }$ היא מטריצת גאמה של אלגברת לי, ו-$F_{\mu \nu }$ הוא האיבר הקינטי של הפוטון. מתוך הלגרנז'יאן נגזרים חוקי פיינמן של התורה: פרופגטור לפוטון, פרופגטור לאלקטרון, וצומת המכיל שני אלקטרונים זהים (אחד יוצא ואחד נכנס) ופוטון אחד. אין אפשרות לתהליכים אחרים, מלבד התהליך בו שני אלקטרונים ופוטון אחד. תהליכים מורכבים יותר יכולים להתרחש כאשר ניתן לבנות אותם מאבני הבניין האלו. בנוסף ניתן לראות שתגובה עם פוטון אינה משנה אף תכונה של חלקיק אחר, מלבד התנע והאנרגיה שלו. זאת בניגוד לתגובות בתורות כיול אחרות, שבהן חלקיקים משנים מטען חשמלי או אף את סוג החלקיק.

לקריאה נוספת

• ריצ'רד פיינמן, התאוריה המוזרה של אור וחומר, הוצאת הקיבוץ המאוחד 1988, בתרגומו של דודו פונדק.
• יורם קירש, היקום על פי הפיזיקה המודרנית, הוצאת עם עובד, פרק 19.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אלקטרודינמיקה קוונטית בוויקישיתוף

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום למכלול ולהרחיב אותו.

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0