3.6.3.1 Квантова електродинаміка

Квантова механіка дозволяє описувати рух елементарних частинок, але не їх виникнення або знищення, тобто застосовується лише для описування систем з незмінною кількістю частинок. Узагальненням квантової механіки є квантова теорія поля — це квантова теорія систем з нескінченною кількістю ступенів свободи (фізичних полів), яка враховує вимоги і квантової механіки, і теорії відносності. Потреба в такій теорії пояснюється квантово-хвильовим дуалізмом, існуванням хвильових властивостей у всіх частинок. У квантовій теорії поля взаємодію трактують як результат обміну квантами поля, а польові величини оголошуються операторами, які пов'язують з актами народження й знищення квантів поля, тобто частинок.

У середині XX ст. було створено теорію електромагнітної взаємодії — квантову електродинаміку (КЕД). Це продумана до найдрібніших деталей і оснащена досконалим математичним апаратом теорія взаємодії заряджених елементарних частинок (насамперед, електронів або позитронів) шляхом обміну фотонами. У КЕД для опису електромагнітної взаємодії використовується поняття віртуального фотона. Ця теорія задовольняє основним принципам як квантової теорії, так і теорії відносності.

У центрі теорії — аналіз актів випромінювання або поглинання одного фотона однією зарядженою частинкою, а також анігіляції електрон-позитронної пари у фотон або породження фотонами такої пари.

Якщо в класичному описі електрони уявляються у вигляді твердої точкової кульки, то в КЕД електромагнітне поле, яке оточує електрон, розглядається як хмара віртуальних фотонів, що невідступно рухається разом з електроном, оточуючи Його квантами енергії. Фотони виникають і зникають дуже швидко, а електрони рухаються в просторі не по цілком визначених траєкторіях. Ще можна тим чи іншим способом визначити початкову й кінцеву точки шляху — до і після розсіювання, але сам шлях у проміжку між початком і кінцем руху залишається невизначепим.

Розглянемо, наприклад, акт випромінювання (віртуального) фотона електроном. Після того, як електрон випромінює фотон, той породжує (віртуальну) електрон-позитронну пару, що може анігілювати з утворенням нового фотона. Останній може бути поглинутим вихідним електроном, але може породити нову пару й т.д. Таким чином, електрон вкривається хмарою віртуальних фотонів, електронів і позитронів,

Опис взаємодії за допомогою частинки-носія в КЕД призвів до розширення поняття фотона. Уводяться поняття реального (кванта видимого нами світла) і віртуального (швидкоплинного, примарного) фотона, якого "бачать" тільки заряджені частинки, котрі зазнають розсіювання.

Щоб перевірити, як узгоджується теорія з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефектах, які викликали особливий інтерес. Перший стосувався енергетичних рівнів атома водню — найпростішого атома. Згідно з КЕД, рівні повинні бути злегка змішеними щодо положення, яке 6 вони займали за умови відсутності віртуальних фотонів. Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася надзвичайно малої поправки щодо власного магнітного моменту електрона. Теоретичні й експериментальні результати перевірки КЕД збігаються надзвичайно точно — більш як дев'ять знаків після коми. Настільки вражаюча відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з усіх наявних природничо-наукових теорій. За створення КЕД С. Томанага, Р. Фейнман і Дж. Швінгер були визнані гідними Нобелівської премії за 1965 р. Великий внесок у становлення КЕД належить і видатному фізику-теоретику Л. Д. Ландау

Після подібного тріумфу КЕД було прийнято як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. Зрозуміло, полям, пов'язаним з іншими взаємодіями, повинні відповідати інші частинки-носії.