Квантовая электродинамика

Интересно, что латинское выражение «quod erat demonstrandum», означающее «что и требовалось доказать», дает аббревиатуру Q.E.D. Во времена Древней Греции эти три буквы часто ставились в конце каких-либо доказательств. В физике аббревиатура QED ассоциируется с квантовой электродинамикой — теорией с наибольшим количеством доказательств.

Для физика три буквы QED (в русском варианте КЭД) неизменно ассоциируются с квантовой электродинамикой. Одним из основателей этого раздела физики стал американец Ричард Фейнман, называвший КЭД «жемчужиной физики». Никакая другая теория не способна работать в таком широком диапазоне масштабов от квантового уровня субатомных частиц до мегауровня космологии с ее релятивистскими скоростями и расстояниями. Квантовой электродинамике подвластны и нуклоны, и звезды, и галактики, и черные дыры.

Ричард Фейнман был не только мастером общения между людьми, но также и большим ученым. В 1965 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Фейнман сумел распутать сложные события квантового мира, превратив их в наглядные диаграммы (они называются диаграммами Фейнмана).

Строго говоря, основы электродинамики заложил Джеймс Клерк Максвелл, известный своими уравнениями поля, а продолжил ее развитие Альберт Эйнштейн, который ввел идею кванта света фотона. Именно Эйнштейн объяснил, как свет преодолевает огромные пространства в его концепции пространства-времени (это было сделано в специальной теории относительности, или СТО). А следующий вклад в развитие электродинамики последовал от квантовой теории, классическим положением которой была невозможность прямой связи явлений макроскопического порядка с тем, что происходит внутри атомов.

Непрямая связь

Первый намек на такую связь между событиями столь разных масштабов пришел к нам в 1920-е годы вместе с уравнением Дирака для электрона. Дирак показал, как взаимодействуют энергия и материя и почему в результате такого взаимодействия выбрасываются кванты света и другого электромагнитного излучения. Однако препятствием в дальнейшем развитии общей теории взаимодействия света с элементарными частицами стала сложность и неполная изученность квантовых частиц.

Затем в 1947 году Ханс Бете (вскоре его имя будет связано с теорией Большого взрыва) разработал математический аппарат, который позволил навести порядок в хаосе квантовых переменных. Это стало трамплином для других физиков (среди которых был и Ричард Фейнман), нашедших далеко не единственное объяснение электромагнитным явлениям на квантовом уровне.

Объединение теорий

В начале использовались различные подходы, однако позже было показано, что, в сущности, это один подход, ставший системой. Построенная на диаграммах Ричарда Фейнмана система стала неотъемлемой частью КЭД и помогла снять завесу тайны с самых современных направлений в физике. Диаграммы Фейнмана оказались универсальными: взаимодействие между всеми квантовыми частицами представляют с их помощью.

Несмотря на несколько вольный вид этих диаграмм, в сердце КЭД лежит настолько серьезная математика, что она позволяет физикам с высокой точностью рассчитывать вероятности для конкретных взаимодействий, например, между фотонами и электронами. Разумеется, квантовая электродинамика широко используется и для определения поведения различных частиц еще до начала дорогостоящих экспериментов с их часто неоднозначным, «вероятностным» результатом.

Диаграммы Фейнмана

КЭД начиналась с простых волнистых линий и стрелок. Прямые линии показывали путь электронов, а волнистые — фотонов, которые захватываются и испускаются электронами. Диаграммы являются средством визуализации наиболее вероятного взаимодействия.