Квантовая теория поля, описывающая взаимодействие света и вещества, и ключевая часть Стандартной модели.Квантовая электродинамика (КЭД) — это квантовая теория поля, описывающая взаимодействие света и вещества. Это самая точная и экспериментально подтверждённая теория в физике, способная предсказывать свойства электронов и фотонов с точностью до одной части на триллион. КЭД является краеугольным камнем Стандартной модели физики частиц, объединяя электромагнитную силу с квантовой механикой. Она объясняет такие явления, как лэмбовский сдвиг (крошечная разница энергий между двумя состояниями атома водорода), аномальный магнитный момент электрона и рассеяние света на свете. КЭД также обеспечивает основу для понимания того, как атомы испускают и поглощают фотоны, что является фундаментальным для спектроскопии, лазеров и всей современной оптики. Её успех вдохновил развитие других квантовых теорий поля, включая квантовую хромодинамику (КХД) для сильного взаимодействия и электрослабую теорию.
КЭД была разработана в конце 1940-х годов Ричардом Фейнманом, Джулианом Швингером и Син-Итиро Томонагой, которые независимо сформулировали теорию и разделили Нобелевскую премию по физике в 1965 году. Их работа опиралась на более раннюю квантовую механику и релятивистское уравнение Дирака для электрона, и она разрешила проблему бесконечных значений, которая мешала более ранним попыткам создать квантовую теорию электромагнетизма.
КЭД рассматривает частицы, такие как электроны и фотоны, как возбуждения лежащих в основе квантовых полей. Взаимодействие между ними опосредовано обменом виртуальными фотонами — частицами, которые существуют лишь мгновенно как квантовые флуктуации. Теория формулируется с использованием диаграмм Фейнмана, которые представляют амплитуды вероятности для различных процессов взаимодействия. Каждая диаграмма соответствует математическому члену в пертурбативном разложении, и, суммируя бесконечное число таких членов, физики могут вычислять физические наблюдаемые с extraordinarnой точностью. Ключевой особенностью КЭД является перенормировка — математическая процедура, которая обрабатывает бесконечности, возникающие из-за самовзаимодействий, позволяя извлекать конечные, измеримые предсказания. Теория также предсказывает тонкие эффекты, такие как поляризация вакуума, где виртуальные пары частица-античастица экранируют электрический заряд электрона, и рассеяние фотона на фотоне, которое запрещено в классической электродинамике, но разрешено в КЭД.
КЭД необходима для разработки высокоточных приборов, таких как атомные часы, которые полагаются на точный расчёт атомных энергетических уровней, и для развития квантовых вычислений, где манипуляция фотонами и электронами подчиняется принципам КЭД.
Предсказание аномального магнитного момента электрона с помощью КЭД согласуется с экспериментом до 10 значащих цифр, что делает его самым точным предсказанием во всей науке.
