Was ist Quantenelektrodynamik (QED)?
Die Quantenelektrodynamik (QED) ist die Quantenfeldtheorie, die erklärt, wie elektrisch geladene Teilchen durch den Austausch von Photonen (Lichtquanten oder kleine Lichtpakete) miteinander interagieren. Photonen und damit Wechselwirkungen in einer QED breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. QED wird als Eichentheorie bezeichnet, wobei ein mathematisch festgelegtes Eichfeld die elektromagnetische Kraft darstellt. Die Theorie erklärt auch den Magnetismus, da Magnetismus und Elektrizität zwei Manifestationen derselben zugrundeliegenden Kraft sind, nämlich Elektromagnetismus.
Die Theorie der QED ist eine der am besten verifizierten Theorien auf der Erde, die manchmal genaue Ergebnisse mit zehn Dezimalstellen liefert, und war die erste Quantenfeldtheorie, die als konsistent und vollständig bezeichnet wurde. Eine von QED gemachte Vorhersage ergab eine Genauigkeit von bis zu 0,0038 Teilen pro Million, wahrscheinlich die genaueste und genaueste physikalische Vorhersage, die jemals gemacht wurde. Das Berechnen korrekter Lösungen für das Verhalten von Systemen mit wechselwirkenden Teilen oder größeren Elektronenorbitalen wird mit zunehmender Anzahl von Komponenten exponentiell schwieriger. Einige Berechnungen erfordern buchstäblich jahrzehntelange Arbeit zum Berechnen und Verifizieren.
Von den vier Naturkräften - Elektromagnetismus, schwache Kernkraft, starke Kernkraft und Schwerkraft - ist Elektromagnetismus wahrscheinlich am einfachsten zu erklären, obwohl die Erklärung viele Hunderte von Wissenschaftlern Jahrzehnte Arbeit gekostet hat. Die Theorie wurde Ende der vierziger Jahre dank der unabhängigen Arbeit von Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger und Richard Feynman zur Zufriedenheit entwickelt. Für ihre Bemühungen erhielten sie 1965 den Nobelpreis für Physik.
Wenn Elektromagnetismus die einzige im Universum wirkende Naturkraft wäre, würde QED eine vollständige Darstellung seiner genauen Natur liefern. Dies ist jedoch nicht der Fall und die Suche nach einer Quantenfeldtheorie, die alle vier Kräfte integriert, geht weiter. Darüber hinaus ist das Lösen von Gleichungen in QED sehr schwierig, schwieriger als herkömmliche quantenmechanische Probleme, da QED eine Verallgemeinerung der Quantenmechanik auf die spezielle Relativitätstheorie ist. Die bekanntesten Bilder, die mit QED in Verbindung gebracht werden, sind Richard Feynmans Feynman-Diagramme , in denen mit Hilfe von geraden und kurvenreichen Linien analysiert wird, auf welche Weise Teilchen Photonen austauschen, um physikalisch zu interagieren.
Die Theorie der QED erzeugt in bestimmten Zusammenhängen immer noch mathematische Unendlichkeiten, und obwohl viele dieser Probleme gelöst wurden, bestehen sie auf einer bestimmten Ebene weiter. Ad-hoc- Renormalisierungsalgorithmen wurden entwickelt, um diese theoretischen Mängel zu beseitigen. Diese Unendlichkeiten legen nahe, dass QED keineswegs eine endgültige Theorie ist, sodass die Zukunft offen für die Entdeckung einer genaueren Theorie ist, die den Elektromagnetismus im Kontext der anderen drei Naturkräfte betrachtet.