Vad är kvantelektrodynamik (QED)?

Kvantelektrodynamik (QED) är kvantfältteorin som förklarar hur elektriskt laddade partiklar interagerar med varandra genom utbyte av fotoner (ljus "quanta" eller små ljuspaket). Fotoner, och därför interaktioner i en QED, sprider sig med ljusets hastighet. QED benämns en mätteori, med ett matematiskt specificerat mätfält som representerar den elektromagnetiska kraften. Teorin förklarar också magnetism, eftersom magnetism och elektricitet är två manifestationer av samma underliggande kraft, elektromagnetism.

Teorin om QED är en av de mest verifierade teorierna på jorden, som ibland ger exakta resultat till tio decimaler och var den första kvantfältteorin som kallades konsekvent och fullständig. En förutsägelse gjord av QED befanns vara korrekt upp till 0,0038 delar per miljon, förmodligen den mest exakta och exakta fysiska förutsägelsen som någonsin gjorts. Beräkna korrekta lösningar på beteendet hos system med interagerande delar eller större elektronbanor blir exponentiellt hårdare när antalet komponenter ökar, med vissa beräkningar som bokstavligen kräver decennier av årtionde arbete för att beräkna och verifiera.

Av de fyra naturkrafterna - elektromagnetism, svag kärnkraft, stark kärnkraft och tyngdkraft - är elektromagnetism förmodligen det enklaste att förklara noggrant, även om det helt kräver många hundratals forskare årtionden av arbete. Teorin utvecklades till tillfredsställelse i slutet av fyrtiotalet, tack vare det självständiga arbetet av Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger och Richard Feynman. De fick Nobelpriset i fysik 1965 för deras ansträngning.

Om elektromagnetism var den enda kraften i naturen som fungerar i universum, skulle QED erbjuda en fullständig redogörelse för dess exakta natur. Men det är det inte, och sökningen fortsätter efter en kvantfältteori som integrerar alla fyra krafter. Vidare är lösning av ekvationer i QED mycket svår, svårare än konventionella kvantmekanikproblem, eftersom QED är en generalisering av kvantmekanik till speciell relativitet. De mest kända bilderna med QED är bilderna av Richard Feynmans Feynman-diagram , som använder raka och snodda linjer för att analysera de olika sätten på vilka partiklar utbyter fotoner för att interagera fysiskt.

Teorin om QED producerar fortfarande matematiska oändligheter i vissa sammanhang, och även om många av dessa problem har lösts, kvarstår de på en viss nivå. Ad hoc- renormaliseringsalgoritmer har utvecklats för att jämna ut över dessa teoretiska brister. Dessa oändligheter tyder på att QED inte på något sätt är en slutlig teori, vilket lämnar framtiden öppen för upptäckten av en mer exakt teori, en som ser på elektromagnetism i sammanhanget med de tre andra naturkrafterna.