De Kvanteelektrodynamikk (også kalt relativistisk) er en teori fysikk forsøkte å forene elektromagnetisme med kvantemekanikken ved hjelp av en formalisme Lagrange relativistisk . I følge denne teorien samhandler elektriske ladninger ved å utveksle virtuelle fotoner .
Den statiske studien (fravær av evolusjon over tid) av det elektriske feltet kalles elektrostatisk, det magnetostatiske magnetfeltet. I dynamikk blir de to feltene koblet, og blir en enkelt disiplin, elektromagnetodynamikk. På fransk snakker vi om elektromagnetisme, insisterer på kobling, mens vi på engelsk snakker om elektrodynamikk for å understreke motstanden mot statikk. Begrepet kvanteelektrodynamikk er den bokstavelige oversettelsen av engelsk kvanteelektrodynamikk (QED), som er generaliseringen av elektrodynamikken . På fransk ville det vært mer intuitivt å snakke om kvanteelektromagnetisme .
Den første kvanteformuleringen av interaksjonen mellom stråling og materie kan dateres tilbake til arbeidet til den britiske fysikeren Paul Dirac, som i løpet av 1920-tallet var den første til å fastslå koeffisienten til det spontane utslippet av et atom . Dirac modellerer det elektromagnetiske feltet ved å bruke et sett med diskrete harmoniske oscillatorer (kvantisering) og ved å knytte skalaoperatorer til partiklene. Deretter, takket være arbeidet til Wolfgang Pauli , Eugene Wigner , Pascual Jordan , Werner Heisenberg og Enrico Fermi - som introduserte en elegant formulering av kvanteelektrodynamikk - ledes fysikere til å tro at det i teorien er mulig å beregne enhver prosess som involverer fotoner og ladede partikler. Imidlertid viste ytterligere studier på grunn av Félix Bloch , Arnold Nordsieck og Victor Weisskopf i 1937 og 1939 at slike beregninger bare er førsteklasses nøyaktige i forstyrrelsesteorien , et problem som allerede er kjent takket være Robert Oppenheimers arbeid .
Det er beregningen av den teoretiske verdien av lamskiftet av Hans Bethe som virkelig starter utviklingen av kvanteelektrodynamikk: ved hjelp av verktøyene i denne teorien anslår han dette skiftet til 1000 MHz mens Dirac-ligningen ikke kunne finne en forskjell. Richard Feynman, som forbedret Bethes beregning, sa senere at denne oppdagelsen var den viktigste i kvanteelektrodynamikkens historie.
Kvanteelektrodynamikk er et av de mest kjente områdene innen fysikk. Den dekker alle fenomener , bortsett fra gravitasjon og radioaktivitet . Det fungerte som en modell for utvikling av kvantefeltsteori som gjelder alle elementære partikler.
Nettopp det er en feltteori for elektromagnetisme. Hun beskriver det elektromagnetiske samspillet mellom ladede partikler og lys, og har blitt kalt "fysikkens perle" for sine ekstraordinære presise spådommer i den teoretiske bestemmelsen av (ellers målte) størrelser som magnetisk momentanomali hos leptoner , eller lamskiftet av energinivået til hydrogenet .
Kvanteelektrodynamikk er basert på relativt enkle ligninger, de til Maxwell og Dirac , alt basert på Lorentz-invariansen .
Matematisk har denne teorien strukturen til en abelsk gruppe med en U (1) målergruppe . Den måler felt som griper inn i interaksjonen mellom to ladninger som er representert ved feltene med spinn 1/2 er det elektromagnetiske feltet . Fysisk betyr dette å si at ladede partikler samhandler ved å bytte fotoner .
Kvanteelektrodynamikk var den første kvantefeltsteorien der vanskene med å utvikle en ren kvanteformalisme som tillater dannelse og utslettelse av partikler, er løst på tilfredsstillende måte.
Tomonaga , Schwinger og Feynman fikk den Nobelprisen i fysikk i 1965 for deres bidrag til denne teorien, særlig ved utvikling av beregningen av observerbare mengder ved hjelp av kovarians og måler invarians.
Renormaliseringsprosedyren for å overvinne uønskede uendelige mengder i kvantefeltteori har funnet sin første suksess innen kvanteelektrodynamikk.
Den relativistiske Lagrangian av samspillet mellom elektroner og positroner ved utveksling av fotoner er:
og er felt som representerer elektrisk ladede partikler, elektroner og positroner er representert av Dirac- felt .
er Dirac-matriser , som er bygget med Pauli-matriser .
er kovariantderivatet av gauge,
med koblingskonstanten (lik elementærladningen ),
er den potensielle quadrivector av elektromagnetisme .
Og vises den elektromagnetiske tensoren i spesiell relativitet.
Denne delen av Lagrangian beskriver den frie forplantningen av det elektromagnetiske feltet , mens den delen som ligner Dirac-ligningen beskriver utviklingen av elektronet og positronen i deres interaksjon gjennom den potensielle kvadrivektoren .