Wat is Quantum Electrodynamics (QED)?
Quantumelektrodynamica (QED) is de kwantumveldentheorie die verklaart hoe elektrisch geladen deeltjes op elkaar reageren door de uitwisseling van fotonen (licht "quanta" of kleine lichtpakketten). Fotonen, en dus interacties in een QED, verspreiden zich met de snelheid van het licht. QED wordt een ijktheorie genoemd, met een wiskundig gespecificeerd ijkveld dat de elektromagnetische kracht vertegenwoordigt. De theorie verklaart ook magnetisme, omdat magnetisme en elektriciteit twee manifestaties zijn van dezelfde onderliggende kracht, elektromagnetisme.
De theorie van QED is een van de meest goed geverifieerde theorieën op aarde en geeft soms nauwkeurige resultaten tot op tien decimalen, en was de eerste kwantumveldentheorie die consistent en volledig werd genoemd. Eén voorspelling van QED bleek tot 0,0038 delen per miljoen nauwkeurig te zijn, waarschijnlijk de meest nauwkeurige en nauwkeurige fysieke voorspelling ooit gedaan. Correcte oplossingen berekenen voor het gedrag van systemen met op elkaar inwerkende delen of grotere elektronenorbitalen wordt exponentieel moeilijker naarmate het aantal componenten toeneemt, waarbij sommige berekeningen letterlijk tientallen jaren werk vergen om te berekenen en te verifiëren.
Van de vier natuurkrachten - elektromagnetisme, zwakke nucleaire kracht, sterke nucleaire kracht en zwaartekracht - is elektromagnetisme waarschijnlijk de gemakkelijkste om strikt te verklaren, hoewel het honderden honderden decennia werk kostte om dit volledig uit te leggen. De theorie werd eind jaren veertig naar tevredenheid ontwikkeld, dankzij het onafhankelijke werk van Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger en Richard Feynman. Ze ontvingen de Nobelprijs voor natuurkunde van 1965 voor hun inzet.
Als elektromagnetisme de enige natuurkracht in het universum zou zijn, zou QED een volledig verslag van de exacte aard ervan bieden. Dat is het echter niet, en de zoektocht gaat verder naar een kwantumveldentheorie die alle vier krachten integreert. Verder is het oplossen van vergelijkingen in QED erg moeilijk, moeilijker dan conventionele kwantummechanica-problemen, aangezien QED een generalisatie is van kwantummechanica naar speciale relativiteitstheorie. De meest bekende afbeeldingen van QED zijn de Feynman-diagrammen van Richard Feynman, die rechte en kronkelige lijnen gebruiken om de verschillende manieren te analyseren waarop deeltjes fotonen uitwisselen om fysiek samen te werken.
De theorie van QED produceert nog steeds wiskundige oneindigheden in bepaalde contexten, en hoewel veel van deze problemen zijn opgelost, blijven ze op een bepaald niveau bestaan. Ad hoc renormalisatie-algoritmen zijn ontwikkeld om deze theoretische imperfecties weg te werken. Deze oneindigheden suggereren dat QED geenszins een definitieve theorie is, waardoor de toekomst open blijft voor de ontdekking van een meer accurate theorie, die elektromagnetisme in de context van de andere drie natuurkrachten beschouwt.