Квантова електродинаміка

КВА́НТОВА ЕЛЕКТРОДИНА́МІКА — роз­діл релятивістської квантової теорії поля, що ви­вчає електромагнітне поле та його взаємодію з речовиною як по­глина­н­ня та ви­промінюва­н­ня квантів (фотонів). К. е. обʼ­єд­нує квант. теорію електромагніт. взаємодій зі спец. теорією від­носності. Часто у більш вузькому сенсі під К. е. ро­зуміють релятивіст. квант. теорію взаємодії електромагніт. поля з діраковським полем точкових діраковських частинок (електронів, позитронів, мюонів, антимюонів, кварків). За сучас. по­глядами К. е. — це частина єдиної теорії слабо­електромагніт. взаємодій. К. е. вдалося пояснити низку про­блем, які не могла пояснити класична електродинаміка Максвел­ла — теплове ви­промінюва­н­ня тіл, ви­промінюва­н­ня та по­глина­н­ня світла атомами, ефект Комптона, гальмівне ви­промінюва­н­ня світла тощо. Важливим параметром К. е., що ви­значає інтенсивність взаємодії зарядженої частинки з електромагніт. полем, є стала тонкої структури. Оста­н­ня у системі СІ ви­значається як,

де e — елементар. електр. заряд, h — стала Планка, c — швидкість світла у вакуумі та ε₀ — ді­електр. проникливість вакууму. Завдяки тому, що α << 1, у багатьох задачах К. е. можна проводити розрахунки у рамках теорії збурень, розкладаючи відповідні фіз. величини у ряд за степенями α. Для наоч. зображення такого розкладу користуються діаграмами Фейнмана. Наприкінці 1920-х — на поч. 1930-х рр. розроблено квант. теорію випромінювання та поглинання світла (П.-А. Дірак, Е. Фермі), що дало змогу досить добре описати експеримент, застосовуючи найнижчий порядок теорії збурень. Проте згодом встановлено, що розвинений підхід неможливо застосувати до врахування наступ. порядків теорії збурень. Такі поправки називають радіаційними. Деякі з інтегралів по чотирьохмір. імпульсах віртуал. частинок, які виникають у наступ. порядках теорії збурень і повʼязані зі склад. процесами, що відбуваються у фіз. вакуумі, стають розбіжними (ультрафіолет. розбіжність). У 1940–50-х рр. проблему таких розбіжностей вирішено. Виявилося, що усі ультрафіолет. розбіжності можна «сховати» у безмежно великий зсув 2-х констант — маси та заряду т. зв. голого електрона. Така процедура одержала назву перенормування. Важливий внесок у розробку теорії перенормувань зробили Г.-А. Бете, С. Томонага, Дж. Швінґер, Р.-Ф. Фейнман, Ф.-Дж. Дайсон, М. Боголюбов та О. Парасюк. У звʼязку з тим, що на екс­перименті вимірюють масу та заряд «одягненого» електрона, процедура пере­нормува­н­ня не призводить до протиріч. Окрім ультрафіолет. роз­біжностей, радіац. поправки містять також інфрачервоні роз­біжності, які повʼязані із довготривалим характером електромагніт. взаємодій. Їхнє усуне­н­ня від­бувається за рахунок скороче­н­ня з роз­біжностями, що виникають під час дії (внеску) т. зв. мʼяких фотонів, які завжди присутні у процесі реєстрації частинок через кінцеву роз­дільну здатність фіз. приладів, що фіксують частинки. Важливим результатом наук. дослідж. у галузі К. е. є доведе­н­ня того, що фіз. вакуум не є пустотою. У ньому від­буваються флюктуації, повʼязані з народже­н­ням та знище­н­ням частинок і античастинок (народже­н­ня та знище­н­ня електрон-позитрон. пар, флюктуації фотонів тощо). Це призводить до низки ефектів, які неможливі у рамках класич. електродинаміки Максвел­ла. Типовими прикладами ефектів, що виникають завдяки флюктуаціям у фіз. вакуумі, є аномал. магніт. момент електрона (від­хиле­н­ня значе­н­ня магніт. моменту електрона від значе­н­ня, яке дається релятивіст. квантово-мех. рівня­н­ням Дірака), лембівський зсув рівнів у атомі водню тощо. Цікавий ефект, повʼязаний з флюктуаціми електрон-позитрон. пар у фіз. вакуумі, — роз­сія­н­ня світла на світлі — перед­бачили фізики В. Гайзенберґ, Л. Ейлер, О. Ахієзер, Л. Ландау та І. Померанчук. Особливим випадком роз­сія­н­ня світла на світлі є т. зв. дельбрюківське роз­сія­н­ня, тобто процес когерент. роз­сія­н­ня світла на кулонів. полі ядра. Теоретично це явище роз­глянуто 1933 амер. вченим М. Дельбрюком і було пізніше під­тверджене в екс­перименті. Прикладом ефектів, повʼязаних з проявом флюктуацій фотонів у фіз. вакуумі, є ефект Казимира (виникне­н­ня взаємодії між двома метал. пластинами у вакуумі) — коли від­стань між дзеркал. пластинами стає досить малою, збільшується частина віртуал. фотонів з довжинами хвиль, які від­повід­ають умовам резонансу. Від­повід­но зменшується число фотонів з довжинами хвиль, що не від­повід­ають цим умовам. У результаті тиск на пластини зовн. фотонів стає більшим за тиск фотонів, які знаходяться між пластинами, і остан­ні починають притягуватися. Теоретично цей ефект перед­бачений 1948 нідерланд. науковцями Г. Казимиром та Д. Польтером і екс­периментально під­тверджений 1958. Виконані у рамках вищих порядків теорії збурень у К. е. роз­рахунки ефектів взаємодії електронів під­тверджені екс­периментально. Так, роз­рахунок аномал. магніт. моменту електрона має рекордний у фізиці рівень точності ~10^-10. Роз­рахунок лембівського зсуву також має досить велику точність (~10^-7), але подальше зро­ста­н­ня точності обмежено ефектами сильних взаємодій, зокрема прийня­т­тям до уваги кінцевих роз­мірів протона. Від­повід­ні роз­рахунки для мюона мають теж високу точність, проте вона дещо нижча за точність від­повід. роз­рахунків для електронів. Роз­рахунок електромагніт. взаємодій для адронів та ядер (напр., роз­сія­н­ня електронів на протонах, нейтронах, ядрах) має принцип. обмеже­н­ня (ці системи, на від­міну від електронів та мюонів, мають складну внутр. структуру, зумовлену сильними взаємодіями). Тому для опису таких процесів виходять із заг. коваріант. структури електромагніт. взаємодії з цими частинками, а внутр. структуру остан­ніх описують за допомогою форм-факторів, які частково можна роз­глядати як феноменолог. опис роз­поділу електр. заряду, магніт. моменту, квадрупольного моменту тощо (їх, як правило, беруть з екс­перименту чи теор. оцінок).

Завантажити статтю