Κβαντική ηλεκτροδυναμική: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

Περιεχόμενο που διαγράφηκε Περιεχόμενο που προστέθηκε

Ενδογραμμικά

Έκδοση από την 12:49, 21 Δεκεμβρίου 2016

Στη φυσική, η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED - Quantum electrodynamics) είναι η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου της ηλεκτροδυναμικής. Στην ουσία, περιγράφει πώς το φως και η ύλη αλληλεπιδρούν και είναι η πρώτη θεωρία, όπου επιτυγχάνεται πλήρης συμφωνία μεταξύ κβαντομηχανικής και ειδικής σχετικότητας. Περιγράφει μαθηματικά όλα τα φαινόμενα που αφορούν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της ανταλλαγής των φωτονίων και αντιπροσωπεύει την κβαντική ομόλογό της κλασικής θεωρίας ηλεκτρομαγνητισμού που δίνει πλήρη αλληλεπίδραση μεταξύ της ύλης και του φωτός.

Με τεχνικούς όρους, η κβαντική ηλεκτροδυναμική μπορεί να περιγραφεί ως μια θεωρία διαταραχών του ηλεκτρομαγνητικού κβαντικού κενού. Ο Richard Phillips Feynman το αποκάλεσε «το κόσμημα της φυσικής» για τις εξαιρετικά ακριβείς προβλέψεις της, όπως η ανώμαλη μαγνητική στιγμή του ηλεκτρονίου και τη μετατόπιση των επιπέδων ενέργειας του υδρογόνου.

Ιστορία

Η πρώτη διατύπωση της κβαντικής θεωρίας που περιγράφει την αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης οφείλεται στον Βρετανό επιστήμονα Paul Dirac, ο οποίος (κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1920) ήταν σε θέση να υπολογίσει το συντελεστή της αυθόρμητης εκπομπής ενός ατόμου.

Ο Dirac περιέγραψε την κβάντωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ως ένα σύνολο αρμονικών ταλαντωτών με την εισαγωγή της έννοιας των φορέων δημιουργίας και εξαΰλωσης των σωματιδίων. Στα επόμενα χρόνια, με συνεισφορές από τον Wolfgang Pauli, Eugene Wigner, Pascual Jordan, Werner Heisenberg και με μία κομψή διατύπωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής από τον Enrico Fermi, οι φυσικοί πίστευαν ότι, κατ 'αρχήν, θα ήταν δυνατόν να εκτελεστεί οποιοσδήποτε υπολογισμός για οποιαδήποτε φυσική διαδικασία που περιλαμβάνει φωτόνια και φορτισμένα σωματίδια. Ωστόσο, περαιτέρω μελέτες από τον Felix Bloch και τον Arnold Nordsieck, καθώς και από τον Victor Weisskopf, το 1937 και το 1939, αποκάλυψε ότι οι εν λόγω υπολογισμοί ήταν αξιόπιστοι μόνο σε μια πρώτη τάξη της θεωρίας διαταραχών, ένα πρόβλημα που έχει ήδη επισημανθεί από τον Robert Oppenheimer. Σε μεγαλύτερες τάξεις στις άπειρες σειρές εμφανίστηκαν, καθιστώντας νόημα σε αυτούς τους υπολογισμούς και υπήρχαν σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με την εσωτερική συνοχή της ίδιας της θεωρίας. Χωρίς λύση για το πρόβλημα, φάνηκε ότι υπήρχε μια θεμελιώδης ασυμβατότητα μεταξύ ειδικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής.

Οι δυσκολίες με τη θεωρία αυξήθηκαν στο το τέλος του 1940. Οι βελτιώσεις στην τεχνολογία μικροκυμάτων κατέστησε δυνατό να ληφθούν πιο ακριβείς μετρήσεις της μετατόπισης των επιπέδων ενός ατόμου υδρογόνου, τώρα γνωστή ως μετατόπιση Lamb και μαγνητική στιγμή του ηλεκτρονίου. Αυτά τα πειράματα σαφώς εκτίθενται με αποκλίσεις που η θεωρία δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει.

Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον Hans Bethe το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη Νέα Υόρκη, αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα,ο Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται από τους Lamb και Retherford. [10] Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυνάψετε άπειρα σε διορθώσεις των μαζών και το φορτίο που πραγματικά ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε κανονικοποίηση.

Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον Χανς Μπέτε το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη Νέα Υόρκη, αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα, Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται με Αρνί και Retherford. Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυναφθούν άπειρα οι διορθώσεις των μαζών και των φορτίων που πραγματικά ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε κανονικοποίηση.

Σύνοψη των σωματιδίων και των δυνάμεων της σωματιδιακής φυσικής

@@ Γραμμή 3: / Γραμμή 3: @@
 Στη φυσική, η '''κβαντική ηλεκτροδυναμική''' (''QED'' - Quantum electrodynamics) είναι η [[σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου]] της [[ηλεκτροδυναμική]]ς. Στην ουσία, περιγράφει πώς το [[φως]] και η [[ύλη]] αλληλεπιδρούν και είναι η πρώτη θεωρία, όπου επιτυγχάνεται πλήρης συμφωνία μεταξύ [[Κβαντομηχανική|κβαντομηχανικής]] και [[Ειδική σχετικότητα|ειδικής σχετικότητας]]. Περιγράφει μαθηματικά όλα τα φαινόμενα που αφορούν [[Ηλεκτρικό φορτίο|ηλεκτρικά φορτισμένα]] σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της ανταλλαγής των [[Φωτόνιο|φωτονίων]] και αντιπροσωπεύει την [[Κβαντική μηχανική|κβαντική]] ομόλογό της [[Ηλεκτρομαγνητισμός|κλασικής θεωρίας ηλεκτρομαγνητισμού]] που δίνει πλήρη αλληλεπίδραση μεταξύ της ύλης και του φωτός.
-Με τεχνικούς όρους, η κβαντική ηλεκτροδυναμική μπορεί να περιγραφεί ως μια [[Θεωρία διαταραχών (κβαντική μηχανική)|θεωρία διαταραχών]] του ηλεκτρομαγνητικού [[Κβαντικό κενό|κβαντικού κενού]]. Ο [[Ρίτσαρντ Φίλλιπς Φάινμαν]] το αποκάλεσε «το κόσμημα της φυσικής» για τις εξαιρετικά ακριβείς προβλέψεις της, όπως η [[ανώμαλη μαγνητική στιγμή]] του ηλεκτρονίου και τη [[Μετάπτωση των επιπέδων ενέργειας|μετατόπιση των επιπέδων ενέργεια]]<nowiki/>ς του [[Υδρογόνο|υδρογόνου]].
+Με τεχνικούς όρους, η κβαντική ηλεκτροδυναμική μπορεί να περιγραφεί ως μια [[Θεωρία διαταραχών (κβαντική μηχανική)|θεωρία διαταραχών]] του ηλεκτρομαγνητικού [[Κβαντικό κενό|κβαντικού κενού]]. Ο [[Ρίτσαρντ Φίλλιπς Φάινμαν|Richard Phillips Feynman]] το αποκάλεσε «το κόσμημα της φυσικής» για τις εξαιρετικά ακριβείς προβλέψεις της, όπως η [[ανώμαλη μαγνητική στιγμή]] του ηλεκτρονίου και τη [[Μετάπτωση των επιπέδων ενέργειας|μετατόπιση των επιπέδων ενέργεια]]<nowiki/>ς του [[Υδρογόνο|υδρογόνου]].
 == Ιστορία ==
 [[Αρχείο:Dirac 3.jpg|μικρογραφία|Πολ Ντιράκ]]
-Η πρώτη διατύπωση της [[Κβαντική μηχανική|κβαντικής θεωρίας]] που περιγράφει την αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης οφείλεται στον Βρετανό επιστήμονα [[Πολ Ντιράκ]] (''Paul Dirac''), ο οποίος (κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1920) ήταν σε θέση να υπολογίσει το [[Συντελεστής εκπομπής|συντελεστή της αυθόρμητης εκπομπής]] ενός [[Άτομο|ατόμου]].
+Η πρώτη διατύπωση της [[Κβαντική μηχανική|κβαντικής θεωρίας]] που περιγράφει την αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης οφείλεται στον Βρετανό επιστήμονα ''Paul Dirac'', ο οποίος (κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1920) ήταν σε θέση να υπολογίσει το [[Συντελεστής εκπομπής|συντελεστή της αυθόρμητης εκπομπής]] ενός [[Άτομο|ατόμου]].
-Ο Ντιράκ περιέγραψε την [[κβάντωση]] του [[Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο|ηλεκτρομαγνητικού πεδίου]] ως ένα σύνολο αρμονικών ταλαντωτών με την εισαγωγή της έννοιας των φορέων δημιουργίας και εξαΰλωσης των σωματιδίων. Στα επόμενα χρόνια, με συνεισφορές από τον [[Βόλφγκανγκ Πάουλι]], [[Γιουτζίν Γουίγκνερ]], Pascual Jordan, [[Βέρνερ Χάιζενμπεργκ]] διετύπωσαν μια κομψή διατύπωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής λόγω [[Ενρίκο Φέρμι]].  Οι φυσικοί πίστευαν ότι, κατ 'αρχήν, θα ήταν δυνατόν να εκτελέσει οποιαδήποτε υπολογισμό για οποιαδήποτε φυσική διαδικασία που περιλαμβάνει τα φωτόνια και τα φορτισμένα σωματίδια. Ωστόσο, περαιτέρω μελέτες από τον [[Φέλιξ Μπλοχ]] με Arnold Nordsieck,  και Victor Weisskopf,  το 1937 και το 1939, αποκάλυψε ότι οι εν λόγω υπολογισμοί ήταν αξιόπιστοι μόνο σε μια πρώτη σειρά της [[Θεωρία διαταραχών (κβαντική μηχανική)|θεωρίας διαταραχών]], ένα πρόβλημα που έχει ήδη επισημανθεί από τον [[Ρόμπερτ Οπενχάιμερ]]. Σε μεγαλύτερες παραγγελίες στις άπειρες σειρές εμφανίστηκαν, καθιστώντας νόημα σε αυτούς τους υπολογισμούς και υπήρχαν σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με την εσωτερική συνοχή της ίδιας της θεωρίας. Χωρίς λύση για το πρόβλημα, φάνηκε ότι υπήρχε μια θεμελιώδης ασυμβατότητα μεταξύ ειδικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής.
+Ο Dirac περιέγραψε την [[κβάντωση]] του [[Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο|ηλεκτρομαγνητικού πεδίου]] ως ένα σύνολο αρμονικών ταλαντωτών με την εισαγωγή της έννοιας των φορέων δημιουργίας και εξαΰλωσης των σωματιδίων. Στα επόμενα χρόνια, με συνεισφορές από τον [[Βόλφγκανγκ Πάουλι|Wolfgang Pauli]], [[Γιουτζίν Γουίγκνερ|Eugene Wigner]], Pascual Jordan, [[Βέρνερ Χάιζενμπεργκ|Werner Heisenberg]] και με μία κομψή διατύπωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής από τον  [[Enrico Fermi]],  οι φυσικοί πίστευαν ότι, κατ 'αρχήν, θα ήταν δυνατόν να εκτελεστεί οποιοσδήποτε υπολογισμός για οποιαδήποτε φυσική διαδικασία που περιλαμβάνει φωτόνια και φορτισμένα σωματίδια. Ωστόσο, περαιτέρω μελέτες από τον  [[Felix Bloch]] και τον Arnold Nordsieck,  καθώς και από τον Victor Weisskopf,  το 1937 και το 1939, αποκάλυψε ότι οι εν λόγω υπολογισμοί ήταν αξιόπιστοι μόνο σε μια πρώτη τάξη της [[Θεωρία διαταραχών (κβαντική μηχανική)|θεωρίας διαταραχών]], ένα πρόβλημα που έχει ήδη επισημανθεί από τον [[Robert Oppenheimer]]. Σε μεγαλύτερες τάξεις στις άπειρες σειρές εμφανίστηκαν, καθιστώντας νόημα σε αυτούς τους υπολογισμούς και υπήρχαν σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με την εσωτερική συνοχή της ίδιας της θεωρίας. Χωρίς λύση για το πρόβλημα, φάνηκε ότι υπήρχε μια θεμελιώδης ασυμβατότητα μεταξύ ειδικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής.
 [[Αρχείο:Hans Bethe.jpg|αριστερά|μικρογραφία|[[Χανς Μπέτε]]]]
 Οι δυσκολίες με τη θεωρία αυξήθηκαν στο το τέλος του 1940. Οι βελτιώσεις στην τεχνολογία [[Μικροκύματα|μικροκυμάτων]] κατέστησε δυνατό να ληφθούν πιο ακριβείς μετρήσεις της μετατόπισης των επιπέδων ενός [[Υδρογόνο|ατόμου υδρογόνου]], τώρα γνωστή ως μετατόπιση Lamb και [[μαγνητική στιγμή]] του ηλεκτρονίου. Αυτά τα πειράματα σαφώς εκτίθενται με αποκλίσεις που η θεωρία δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει.
 [[Αρχείο:Feynman and Oppenheimer at Los Alamos.jpg|μικρογραφία|Οι Φάινμαν και [[Ρόμπερτ Οπενχάιμερ]] στο Los Alamos]]
-Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον Hans Bethe το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη [[Νέα Υόρκη]], αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα,ο  Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται με Αρνί και Retherford. [10] Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυνάψετε άπειρα σε διορθώσεις των μαζών και το φορτίο που πραγματικά  ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε κανονικοποίηση.
+Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον Hans Bethe το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη [[Νέα Υόρκη]], αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα,ο  Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται από τους Lamb και Retherford. [10] Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυνάψετε άπειρα σε διορθώσεις των μαζών και το φορτίο που πραγματικά  ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε κανονικοποίηση.
 Μια πρώτη ένδειξη για μια πιθανή διέξοδο δόθηκε από τον [[Χανς Μπέτε]] το 1947 ενώ ταξίδευε με το τρένο να φτάσει στο Schenectady από τη Νέα Υόρκη,  αφού έδωσε μια ομιλία στο συνέδριο στο Shelter Island για το θέμα, Bethe ολοκλήρωσε τον πρώτο μη-σχετικιστικό υπολογισμό της μετατόπισης των γραμμών του ατόμου του υδρογόνου, όπως μετράται με Αρνί και Retherford. Παρά τους περιορισμούς του υπολογισμού, η συμφωνία ήταν εξαιρετική. Η ιδέα ήταν απλά να επισυναφθούν άπειρα οι διορθώσεις των [[Μάζα|μαζών]] και των [[Ηλεκτρικό φορτίο|φορτίων]] που πραγματικά  ήταν σταθερό σε μια πεπερασμένη τιμή από πειράματα. Με τον τρόπο αυτό, το άπειρο απορροφάται σε αυτές τις σταθερές και να δώσει ένα πεπερασμένο αποτέλεσμα σε καλή συμφωνία με τα πειράματα. Η διαδικασία αυτή ονομάστηκε [[κανονικοποίηση]].