אלקטרודינמיקה קוונטית

אלקטרודינמיקה קוונטית (QED) היא תורת השדות הקוונטית היחסותית שמתארת את האינטראקציות בין השדה האלקטרומגנטי, כלומר בין אור וחומר טעון. זוהי התאוריה הראשונה שבה יחסות פרטית וקומת הקוואנטים משתלבות בצורה שלמה.

QED היא תורת כיול של סימטריית U(1). תורת כיול (gauge theory) היא סימטריה שתלויה במיקום. בוזון הכיול כאן הוא הפוטון, החלקיק של האור. הפוטון אינו משנה את עצמו, כלומר בפועל אין אינטראקציות ישירות בין פוטונים בתיאוריה זו, אלא רק בין פוטונים לחלקיקים טעונים, כמו אלקטרונים ופוזיטרונים. פרמיונים הם החלקיקים בעלי ספין חצי, והאלקטרון הוא הדוגמה הכי חשובה לניסויים מדויקים.

חישובים ב־QED נעשים בדרך כלל באמצעות תורת הפרעות. תורת הפרעות היא שיטה שמביאה את החישוב בשלבים לפי סדרים של אינטראקציה. כדי להתמודד עם תוצאות אינסופיות שפוגשות בחישובים פותחה הרנורמליזציה, שיטה מתמטית שמבטלת אינסופיים על ידי חלוקה מחדש של ערכי המסה והמטען, ומשאירה רק את הערכים שנמדדים בניסוי.

פיתוח הרעיון התחיל בעבודתו של פול דיראק בשנות ה־20. דיראק קידם את קוונтиיזציה של השדה האלקטרומגנטי והכניס אופרטורי יצירה והשמדה לחלקיקים. גם עקרון האיסור של פאולי ומשוואת דיראק תרמו להבנה של החלקיקים המסיביים.

בשנות ה־30 נוצרה בעיית ה"התבדרות" של האנרגיה העצמית, כלומר חישובים נתנו אינסופי במקום ערך סופי. בעיה זו לא נפתרה במלואה עד המאה ה־20 האמצעית. ב־1947 גילוי הסחת לם (Lamb shift) הראה שיש הבדל אמפירי בתדירות של קו בספקטרום המימן. רוברט בטה הציע דרך לחישוב השינוי הזה, והעבודה הזו וההבנה שהובאה בעקבותיה הובילו לפיתוח שיטות הרנורמליזציה.

בסוף שנות ה־40 ותחילת ה־50 פורמליזמוים של ג'וליאן שווינגר, ריצ'רד פיינמן ושינאיצ'ירו טומונאגה אפשרו להפיק תחזיות סופיות ותואמות ניסויים. על עבודה זו הם זכו בפרס נובל לפיזיקה ב־1965. ההצלחות של QED סללו את הדרך לתיאוריות שדה קוונטיות נוספות, כמו תיאוריות ע"ש יאנג, מילס, והתאחדות הכוח האלקטרוחלש של גלשו, ויינברג וסלאם.

במסגרת התיאוריה כותבים שתי אבני בניין עיקריות: שדה הפוטון ושדה האלקטרון. הלגרנז'יאן של QED מכיל את האיברים הקינטיים של שניהם ואת איבר האינטראקציה שמקשר ביניהם. מתוך הלגרנז'יאן נגזרים כללי חישוב שמובאים לעתים כחוקי פיינמן: פרופגטור לפוטון, פרופגטור לאלקטרון וצומת בסיסית שמחברת שני פרמיונים ופוטון אחד.

התהליך הבסיסי בתיאוריה כולל שני פרמיונים ופוטון אחד. תהליכים מורכבים יותר נוצרים על ידי חיבור של אבני הבניין האלו. חשוב לזכור שתגובה של פוטון עם פרמיון תשנה בעיקר את התנע והאנרגיה של הפרמיון, ולא את סוגו או מטענו.

אלקטרודינמיקה קוונטית (QED) מסבירה איך אור ומסה שווים פועלים זה עם זה. פוטון הוא חלקיק של אור. אלקטרון הוא חלקיק קטן עם מטען חשמלי.

QED אומרת שהאור מדבר עם חלקיקים טעונים. לא כל החלקיקים מדברים באותו אופן. הפוטון לא שולח פוטונים אחרים בדרך ישירה. האינטראקציה מתבצעת בדרך של העברת אנרגיה ותנע.

מדענים כמו פול דיראק עבדו על הרעיונות הראשונים בשנות ה־20. בשנות ה־40 גילו שהקוים של אטום המימן שונים מעט מהמצופה. התגלית הזו נקראת הסחת לם. מדענים הסבירו את זה בעזרת שיטות שמסדרות ערכים אינסופיים כדי לקבל מספרים אמיתיים.

מאוחר יותר, פיינמן, שווינגר וטומונאגה פיתחו דרך לחישוב נכונה. הם קיבלו פרס נובל. העבודה שלהם עזרה לבנות תיאוריות נוספות על כוחות בטבע.

בתיאוריה עובדים עם שני שדות: אחד לפוטון ואחד לאלקטרון. יש חוקים פשוטים לחיבור שלהם. האבן הבסיסית היא צומת שמחברת שני פרמיונים ופוטון אחד. מכל זאת בונים תהליכים מורכבים יותר.