Co to jest elektrodynamika kwantowa (QED)?
Elektrodynamika kwantowa (QED) to kwantowa teoria pola wyjaśniająca, w jaki sposób cząstki naładowane elektrycznie oddziałują ze sobą poprzez wymianę fotonów („kwantów” światła lub małych wiązek światła). Fotony, a zatem interakcje w QED, rozprzestrzeniają się z prędkością światła. QED jest określany jako teoria mierników, z matematycznie określonym polem miernika reprezentującym siłę elektromagnetyczną. Teoria wyjaśnia również magnetyzm, ponieważ magnetyzm i elektryczność są dwoma przejawami tej samej podstawowej siły, elektromagnetyzmu.
Teoria QED jest jedną z najlepiej sprawdzonych teorii na Ziemi, czasami dającą dokładne wyniki z dziesiętnymi miejscami dziesiętnymi, i była pierwszą kwantową teorią pola, którą nazwano spójną i kompletną. Stwierdzono, że jedna prognoza wykonana przez QED jest dokładna do 0,0038 części na milion, prawdopodobnie najbardziej precyzyjna i dokładna prognoza fizyczna, jaką kiedykolwiek stworzono. Obliczanie poprawnych rozwiązań dla zachowania układów z interakcyjnymi częściami lub większymi orbitaliami elektronowymi staje się wykładniczo trudniejsze wraz ze wzrostem liczby komponentów, przy czym niektóre obliczenia wymagają dosłownie dziesięcioleci pracy, aby je obliczyć i zweryfikować.
Spośród czterech sił natury - elektromagnetyzmu, słabej siły jądrowej, silnej siły jądrowej i grawitacji - elektromagnetyzm jest prawdopodobnie najłatwiejszym do dokładnego wyjaśnienia, chociaż jego pełne wyjaśnienie zajęło setkom naukowców dziesięciolecia. Teorię opracowano z satysfakcją pod koniec lat czterdziestych dzięki niezależnej pracy Sin-Itiro Tomonagi, Juliana Schwingera i Richarda Feynmana. Za swój wysiłek otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki z 1965 roku.
Gdyby elektromagnetyzm był jedyną siłą natury działającą we wszechświecie, QED przedstawiłby pełne wyjaśnienie jego dokładnej natury. Jednak tak nie jest i kontynuowane są poszukiwania kwantowej teorii pola, która łączy wszystkie cztery siły. Ponadto rozwiązywanie równań w QED jest bardzo trudne, trudniejsze niż konwencjonalne problemy z mechaniką kwantową, ponieważ QED jest uogólnieniem mechaniki kwantowej na szczególną teorię względności. Najbardziej znanymi obrazami związanymi z QED są diagramy Feynmana Richarda Feynmana, które wykorzystują proste i kręte linie do analizy różnych sposobów, w jakie cząstki wymieniają fotony, by oddziaływać fizycznie.
Teoria QED wciąż wytwarza matematyczne nieskończoności w pewnych kontekstach i chociaż wiele z tych problemów zostało rozwiązanych, utrzymują się one na pewnym poziomie. Opracowano algorytmy renormalizacji ad hoc, aby złagodzić te niedoskonałości teoretyczne. Te nieskończoności sugerują, że QED nie jest w żaden sposób ostateczną teorią, pozostawiając przyszłość otwartą na odkrycie dokładniejszej teorii, która postrzega elektromagnetyzm w kontekście pozostałych trzech sił natury.