www.wikidata.uk-ua.nina.az
Kva ntova elektrodina mika KED ye relyativistskoyu kvantovoyu teoriyeyu elektromagnitnogo polya Po svoyij suti vona opisuye elektromagnitnu vzayemodiyu i ye pershoyu teoriyeyu u yakij dosyagnuto povnogo uzgodzhennya mizh kvantovoyu mehanikoyu ta specialnoyu teoriyeyu vidnosnosti KED matematichno opisuye vzayemodiyu zaryadzhenih chastinok cherez obmin kvantami elektromagnitnogo polya fotonami i ye kvantovim uzagalnennyam klasichnoyi elektrodinamiki Odin iz zasnovnikiv KED Richard Fejnman nazvav cyu teoriyu dorogocinnim kamenem fiziki pozayak v yiyi ramkah bulo zrobleno nadzvichajno tochni peredbachennya sposterezhuvanih velichin takih napriklad yak anomalnij magnitnij moment elektrona ta Lembivskij zsuv energetichnih rivniv atoma vodnyu 1 Bilsh specializovano tehnichno KED mozhe buti opisana yak teoriya zburen elektromagnitnogo kvantovanogo vakuumu Zmist 1 Istoriya 2 Fejnmanivske bachennya kvantovoyi elektrodinamiki 2 1 Vstup 2 2 Bazovi osnovni konstrukciyi diagrami 2 3 Amplituda imovirnosti 2 4 Propagatori 2 5 Perenormuvannya energiyi masi 2 6 Visnovki 3 Matematika 3 1 Rivnyannya ruhu 3 2 Kartina vzayemodiyi 3 3 Diagrami Fejnmana 3 4 Perenormovanist 3 5 Rozbizhnist ryadiv KED 4 Div takozh 5 Literatura 6 Dodatkova literatura 7 PosilannyaIstoriya RedaguvatiDokladnishe Kvantova mehanika nbsp Pol DirakPershe formulyuvannya kvantovoyi teoriyi vzayemodiyi viprominyuvannya i materiyi nalezhit Polyu Diraku yakij u 1920 roci obchisliv koeficiyenti spontannoyi emisiyi atoma 2 Dirak zdijsniv kvantuvannya elektromagnitnogo polya zobrazivshi jogo u viglyadi ansamblyu garmonichnih oscilyatoriv fotoniv i uvivshi operatori yih porodzhennya i znishennya Zgodom zavdyaki dorobkam takih uchenih yak Volfgang Pauli Yevgen Vigner Paskual Dzhordan Verner Gejzenberg tosho ta elegantnomu formulyuvannyu kvantovoyi elektrodinamiki Enriko Fermi 3 fiziki prijshli do visnovku sho v principi mozhlivo zdijsnyuvati obchislennya bud yakih procesiv za uchastyu fotoniv i zaryadzhenih chastinok Odnak podalshi doslidzhennya Feliksa Bloha z Arnoldom Nordsyekom 4 i Viktora Vejskopfa 5 v 1937 i 1939 rokah pokazali sho taki obchislennya buli dostovirni lishe dlya teoriyi zburen pershogo poryadku tak yak ce peredbachav Robert Oppengejmer 6 Pri bilshih poryadkah vinikali velichini z bezmezhno velikimi znachennyami sho robilo taki obchislennya bezgluzdimi a samu teoriyu vnutrishno neuzgodzhenoyu superechlivoyu Vidsutnist rozv yazku ciyeyi problemi v toj chas privelo do viniknennya fundamentalnoyi neuzgodzhenosti mizh specialnoyu teoriyeyu vidnosnosti i kvantovoyu mehanikoyu nbsp Gans BeteTrudnoshi iz teoriyeyu zrosli v kinci 1940 roku Udoskonalennya mikrohvilovoyi tehnologiyi zrobilo mozhlivim znachno pokrashiti tochnist vimiriv Lembivskogo zsuvu spektralnih linij atoma vodnyu 7 ta magnitnogo momentu elektrona 8 Eksperimenti viyavili rozbizhnosti yaki teoriya ne mogla poyasniti Persha vkazivka na mozhlivij vihid iz stanovisha nalezhit Gansu Bete V 1947 roci pid chas podorozhi u potyazi do Skenektadi iz Nyu Jorka 9 de Bete mav dopovid na konferenciyi vin zdijsniv pershe nerelyativistske obchislennya zsuvu spektralnih linij atoma vodnyu vimiryane Lembom i Rezerfordom 10 Nezvazhayuchi na nablizhenij harakter obchislen uzgodzhennya viyavilos chudovim Ideya obchislen bula prostoyu i polyagala v dodavanni do fiksovanih v eksperimenti znachen zaryadu i masi bezmezhno velikih velichin Zavdyaki comu usi bezmezhnosti sho vinikali v teoriyi skorochuvalis a kincevij rezultat obchislen buv skinchennim ta duzhe dobre uzgodzhuvavsya iz eksperimentalnimi znachennyami Cya procedura obchislen bula nazvana perenormuvannyam nbsp Richard Fejnman v centri i Robert Oppengejmer sprava v Los Alamosi Bazuyuchis na ideyi Bete ta osnovnih robotah na cyu temu Tomonagi 11 Shvingera 12 13 Fejnmana 14 15 16 i Dajsona 17 18 stalo nareshti mozhlivim otrimati povnistyu kovariantne chitaj relyativistske formulyuvannya skinchenne v obchislennyah pri bud yakomu poryadku ryadu teoriyi zburen kvantovoyi elektrodinamiki Tomonaga Shvinger i Fejnman odnochasno buli udostoyeni v 1965 roci Nobelivskoyi premiyi za robotu v cij galuzi 19 Yih spilnij vnesok razom iz Dajsonom do kovariantnogo kalibruvalno invariantnogo formulyuvannya kvantovoyi elektrodinamiki dozvoliv zdijsnyuvati obchislennya sposterezhuvanih velichin pri riznih poryadkah teoriyi zburen Fejnmanivskij matematichnij metod bazovanij na jogo diagramah spochatku zdavavsya duzhe vidminnim vid teoretiko polovogo operatornogo pidhodu Shvingera i Tomanagi prote Dajson piznishe pokazav sho ci dva pidhodi totozhni Perenormuvannya sho nadaye fizichnogo zmistu bezmezhnim velichinam yaki vinikayut v teoriyi cherez nayavnist rozbizhnih integraliv zgodom stalo odnim z fundamentalnih aspektiv kvantovoyi teoriyi polya i vvazhayetsya kriteriyem dlya zagalnoyi prijnyatnosti teoriyi Hocha perenormuvannya duzhe dobre pracyuye na praktici Fejnman nikoli ne buv povnistyu zadovolenij jogo matematichnim obgruntuvannyam navit zhartivlivo nazivav jogo fokus pokus 20 KED sluzhit modellyu i shablonom dlya vsih nastupnih teorij kvantovogo polya Odna z takih nastupnih teorij ye kvantova hromodinamika zapochatkovana v 1960 roci i privedena do zavershenogo viglyadu v 1975 roci Politzerom Kolemanom Grossom i Vilchekom Na osnovi formalizmu kvantovoyi elektrodinamiki Sheldon Gleshou Stiven Vajnberg ta Abdus Salam nezalezhno pokazali yak slabka ta elektromagnitna vzayemodiyi mozhut buti ob yednanni v odnu elektroslabku vzayemodiyu Fejnmanivske bachennya kvantovoyi elektrodinamiki RedaguvatiVstup Redaguvati V ostanni roki svogo zhittya Richard Fejnman prochitav seriyu naukovo populyarnih lekcij pro KED dlya shirokogo zagalu Ci lekciyi buli zapisani i opublikovani pid nazvoyu KED Divna teoriya svitla i materiyi 1 20 Klyuchovimi komponentami Fejnmanivskoyi lekcijnoyi prezentaciyi prisvyachenoyi KED ye tri osnovni elementarni diyi Foton ruhayetsya iz odniyeyi tochki prostoru chasu u inshu tochku prostoru chasu Elektron ruhayetsya vid odniyeyi tochki prostoru chasu do inshoyi tochki prostoru chasu Elektron viprominyuye abo poglinaye foton u viznachenij tochci prostoru chasu nbsp Bazovi elementi Fejnmanivskih diagram Ci diyi na fejnmanivskih diagramah poznacheno prostimi simvolnimi risunkami hvilyastoyu liniyeyu poznacheno ruh fotona pryamoyu ruh elektrona z yednanimi u vershini dvoma pryamimi i odniyeyu hvilyastoyu liniyami poznacheno viprominennya abo poglinannya fotona elektronom Ne slid nadavati malyunkam yakogos bilshogo znachennya Voni ne nesut zhodnoyi informaciyi pro te yak chastka potraplyaye iz odniyeyi tochki v inshu Zokrema diagrami ne poznachayut togo sho chastinki ruhayutsya po pryamij abo krivij liniyi Voni takozh ne poznachayut togo sho chastinka ruhayutsya z fiksovanoyu abo zminnoyu shvidkistyu Toj fakt sho foton prijnyato zobrazhati hvilyastoyu liniyeyu ne oznachaye sho vin yakos bilshe shozhij na hvilyu nizh elektron Ci zobrazhennya ye simvolnimi i poznachayut lishe zaznacheni vishe diyi fotoni i elektroni yakos ruhayutsya vid odniyeyi tochki do inshoyi i elektroni yakimos chinom viprominyuyut ta poglinayut fotoni Teoriya ne govorit nam pro te yak ci podiyi vidbuvayutsya ale vona govorit nam pro jmovirnist cih podij Okrim zaznachenih risunkiv sho zobrazhayut vkazani elementarni diyi Fejnman zaprovadiv takozh skorochennya dlya chislovih velichin sho poznachayut yihni jmovirnosti Yaksho foton ruhayetsya iz odniyeyi tochki prostoru chasu A do inshoyi tochki prostoru chasu B to jmovirnist takoyi podiyi za Fejnmanom slid poznachati yak R A do B Podibnu jmovirnist dlya ruhu elektrona z S do D poznacheno yak E S do D Velichinu jmovirnosti viprominyuvannya abo poglinannya fotona vin poznachiv yak j Ce pov yazano odnak ne zovsim te same sho vimiryanij zaryad elektrona e KED bazuyetsya na pripushenni sho bud yaku skladnu vzayemodiyu velikoyi kilkosti fotoniv i elektroniv mozhna predstaviti kombinaciyeyu troh osnovnih elementarnih dij a yih jmovirnisni velichini dozvolyat obchisliti virogidnist skladnoyi vzayemodiyi Viyavlyayetsya sho osnovnu ideyu KED mozhna sprosheno poyasniti v pripushenni sho jmovirnisni velichini zgadani vishe vidpovidayut nashim povsyakdennim jmovirnostyam Piznishe ce poyasnennya mozhna skorektuvati vklyuchennyam specialnoyi kvantovoyi matematiki zgidno Fejnmanu Osnovni pravila jmovirnostej yaki budut vikoristani polyagayut u tomu sho a yaksho podiya mozhe vidbutisya v riznij sposib to yiyi jmovirnist dorivnyuye sumi jmovirnostej mozhlivih shlyahiv yiyi realizaciyi i b yaksho proces podilyayetsya na nizku nezalezhnih pidprocesiv to jmovirnist usogo procesu ye dobutkom jmovirnostej pidprocesiv Bazovi osnovni konstrukciyi diagrami Redaguvati Pripustimo sho mi mayemo odin elektron v pevnij tochci prostoru chasu cyu tochku poznachimo mitkoyu A i odin foton v inshij tochci prostoru chasu cyu tochku poznachimo mitkoyu B Yakoyu ye jmovirnist znahodzhennya elektrona v deyakij obranij tochci prostoru chasu C a fotona v deyakij inshij obranij tochci prostoru chasu D Samim prostim sposobom dosyagnennya ciyeyi meti dlya elektrona ye bezposeredno perejti vid A do S elementarna diya a dlya fotona bezposeredno perejti vid V do D insha elementarna diya Zgidno iz pravilom b jmovirnist realizaciyi oboh procesiv ye dobutkom jmovirnostej kozhnogo z cih pidprocesiv E A do S ta R V do D Ce prosta vidpovid na nashe zapitannya nbsp Komptonivske rozsiyannya Odnak ye i inshi shlyahi dlya dosyagnennya zadanoyi meti Skazhimo elektron mozhe ruhatis do tochki prostoru chasu E de pogline foton sho prijshov iz tochki B dali elektron ruhayetsya do tochki prostoru chasu F de viprominyuye foton pislya cogo novij foton pryamuye do tochki D a elektron do tochki C Jmovirnist takogo skladnogo procesu mozhe buti obchislena na osnovi jmovirnostej okremih elementarnih dij troh elementarnih peremishen elektrona dvoh elementarnih peremishen fotona i dvoh vershin odna poznachaye viprominennya fotona insha poglinannya Zgidno pravila a cya jmovirnist dlya bud yakih fiksovanih pozicij E ta F ye rezultatom mnozhennya jmovirnostej usih pererahovanih elementarnih dij Dali koristuyuchis pravilom b mi povinni prosumuvati jmovirnosti rozrahovani dlya vsih mozhlivih pozicij E ta F na praktici ce ne ye elementarno i peredbachaye integruvannya Odnak ye i insha mozhlivist elektron ruhayetsya do tochki G de viprominyuye foton yakij ruhayetsya do D pislya cogo persh nizh potrapiti do tochki C elektron ruhayetsya do tochki prostoru chasu H de vin poglinaye pershij foton Za analogiyeyu do poperednogo vipadku mi mozhemo obchisliti sumarnu jmovirnist takogo procesu Dodavshi jmovirnosti cih dvoh mozhlivih procesiv do nashoyi pochatkovoyi prostoyi ocinki mi otrimayemo bilsh tochne znachennya jmovirnosti dlya zadanoyi podiyi Proces vzayemodiyi fotona z elektronom yakij mi tut rozglyanuli maye nazvu rozsiyannya Komptona Isnuye neskinchenne chislo inshih bilsh skladnih promizhnih procesiv v yakih vse bilshe i bilshe fotoniv poglinayetsya i abo viprominyuyetsya Pri comu kozhnu iz cih mozhlivostej mozhna zobraziti za dopomogoyu diagram Fejnmana i znajti dlya neyi jmovirnist Za umovi koli zbilshennya skladnosti procesiv zbilshennya kilkosti skladovih elementarnih procesiv prizvodit do zmenshennya yih vkladu v sumarnu jmovirnist otrimannya yak zavgodno tochnogo rezultatu dlya sumarnoyi jmovirnosti ye lishe pitannyam chasu i zusil Ce ye bazovim pidhodom KED Dlya obchislennya jmovirnosti bud yakogo interaktivnogo procesu mizh elektronami i fotonami neobhidno persh za vse opisati jogo za dopomogoyu diagram Fejnmana de vsi mozhlivi sposobi v yakih cej proces mozhe buti realizovanij skladatimutsya iz troh osnovnih elementiv Kozhna diagrama peredbachaye zdijsnennya deyakih rozrahunkiv za uchastyu pevnih pravil dlya znahodzhennya vidpovidnoyi jmovirnosti Taka naglyadna kartina opisu vzayemodij svitla i materiyi zagalom zalishayetsya spravedlivoyu i pri perehodi do kvantovogo formalizmu odnak tut slid zrobiti deyaki konceptualni zmini Zokrema vsuperech ochikuvannyam sho mayut isnuvati obmezhennya na ruh fotona i elektrona v prostori chasi v kvantovij elektrodinamici yih nema Z tochki zoru kvantovoyi elektrodinamiki isnuye mozhlivist dlya elektrona v A abo fotona v B perejti v bud yaku inshu dovilnu tochku prostoru chasu u Vsesviti Ce vklyuchaye takozh tochki do yakih chastinkam prijdetsya ruhatis iz shvidkistyu bilshoyu za shvidkist svitla abo zvorotno v chasi Elektron yakij ruhayetsya zvorotno v chasi mozhna rozglyadati yak pozitron sho ruhayutsya za chasom Amplituda imovirnosti Redaguvati Dokladnishe Amplituda jmovirnosti ta Hvilova funkciya nbsp Fejnman zaminiv kompleksni chisla strilkami yaki pochinayut rivnomirno obertatis v moment viprominennya chastinki i zakinchuyut obertatis v moment yiyi detektuvannya Suma usih strilok v moment detektuvannya predstavlyaye sumarnu amplitudu jmovirnosti podiyi Na cij diagrami svitlo viprominyuyetsya dzherelom S vidbivshis vid odnogo iz segmentiv dzerkala blakitnij kolir potraplyaye do detektora P Dlya rozrahunku imovirnosti vsi mozhlivi shlyahi musyat buti vrahovani Grafik vnizu vkazuye chas yakij zatratilo svitlo na shlyah Kvantova mehanika vnosit suttyevi zmini u rozrahunok jmovirnostej podij yaki vidbuvayutsya za uchastyu elementarnih chastinok Zamist jmovirnostej yaki ye dijsnimi velichinami kvantova mehanika operuye amplitudami jmovirnostej yaki ye kompleksnimi velichinami Pri comu zv yazok mizh jmovirnistyu P i yiyi amplitudoyu w prostij jmovirnist ye kvadratom amplitudi jmovirnosti P w 2 displaystyle P mathbf w 2 nbsp Shob ne obtyazhuvati chitacha matematikoyu kompleksnih chisel Fejnman koristuyetsya prostim ale tochnim yih analogom zobrazhaye kompleksni chisla strilkami na arkushi paperu abo ekrani ne slid plutati zi strilkami diagram Fejnmana yaki faktichno ye sproshenim dvomirnim zobrazhennyam ruhu chastinok v chotiri mirnomu prostori chasi Vidtak operaciyi dodavannya i mnozhennya opisani v pravilah a ta b zgidno kvantovoyi mehaniki slid zastosovuvati do amplitud jmovirnostej strilok a ne do samih jmovirnostej Chomu same taku matematiku slid zastosovuvati dlya opisu procesiv na rivni elementarnih chastinok i atomiv zalishayetsya intriguyuchoyu zagadkoyu Odnak z pragmatichnoyi tochki zoru mi povinni prijnyati toj fakt sho cya divna arifmetika bazovana na amplitudah jmovirnostej ye fundamentom dlya opisu vsih kvantovih yavish Takim chinom jmovirnist realizaciyi deyakoyi podiyi u yakij zadiyani dva procesi z amplitudami jmovirnostej v i w mozhe buti obchislena za odniyeyu iz formul P v w 2 displaystyle P mathbf v mathbf w 2 nbsp abo P v w 2 displaystyle P mathbf v times mathbf w 2 nbsp nbsp Dodavannya amplitud jmovirnostej yak kompleksnih chisel nbsp Mnozhennya amplitud jmovirnostej yak kompleksnih chisel Operaciyi dodavannya i mnozhennya kompleksnih chisel zobrazhenih strilkami privedeni na malyunkah Suma znahoditsya takim chinom Nehaj pochatok drugoyi strilka bude v kinci pershoyi Yih sumoyu ye tretya strilka pochatok yakoyi zbigayetsya z pochatkom pershoyi a kinec iz kincem drugoyi Dobutkom dvoh strilok v i w ye strilka dovzhina yakoyi ye dobutkom dovzhin vihidnih strilok v w displaystyle mathbf v cdot mathbf w nbsp a napryamok znahoditsya shlyahom dodavannya kutiv na yaki povernuti vihidni strilki v i w vidnosno deyakogo opornogo napryamku Takij perehid vid imovirnostej do amplitud imovirnostej desho uskladnyuye matematiku odnak ne zminyuye osnovnogo pidhodu Ale cih zmin ne zovsim dostatno oskilki voni ne vrahovuyut toj fakt sho fotoni i elektroni mozhut buti polyarizovani a otzhe yihni oriyentaciyi v prostori ta chasi takozh treba brati do uvagi Otzhe jmovirnist poshirennya fotona vid tochki A do V R A do V naspravdi mistit 16 kompleksnih chisel abo sho te same strilok amplitud imovirnostej U zv yazku iz cim mozhlivi takozh deyaki neznachni zmini v rozrahunku imovirnosti poglinannya ta abo emisiyi fotona j yaki odnak predstavlyayut interes tilki dlya detalnogo buhgalterskogo obliku Spirayuchis na toj fakt sho elektron mozhe buti polyarizovanim slid vidmititi she odnu neveliku prote vazhlivu detal yaka pov yazana z tim sho elektron ye fermionom i pidporyadkovuyetsya statistici Fermi Diraka Dodatkove pravilo polyagaye v tomu sho yaksho u nas ye amplituda jmovirnosti dlya zadanogo skladnogo procesu u yakomu zadiyano bilshe odnogo elektrona to koli mi vklyuchayemo yak mi zavzhdi povinni dodatkovu diagramu Fejnmana u yakij mi prosto minyayemo dva elektroni miscyami to amplituda imovirnosti zminyuye svij znak na protilezhnij Yak priklad mozhemo rozglyanuti dva elektroni v pochatkovih poziciyah A i V yaki zgodom potraplyayut v S i D Sumarna amplituda bude rozrahovuvatisya yak riznicya E A do D E B do C E A do C E B do D a ne yak suma yak ce mozhna bulo b ochikuvati vihodyachi z nashogo povsyakdennogo dosvidu Propagatori Redaguvati Dokladnishe PropagatorShob rozrahuvati velichini P A do B i E C do D yaki vidpovidayut amplitudam translyaciyi fotona i elektrona vidpovidno slid skoristatis rivnyannyam Diraka yake opisuye povedinku amplitudi jmovirnosti dlya elektrona i rivnyannyam Klyajna Gordona yake opisuye povedinku amplitudi imovirnosti dlya fotona Rozv yazki cih rivnyan nazivayutsya propagatorami Fejnmana Perehid do poznachen yaki zazvichaj vikoristovuyutsya v standartnij literaturi ye takim P A to B D F x B x A E C to D S F x D x C displaystyle P mbox A to B rightarrow D F x B x A quad E mbox C to D rightarrow S F x D x C nbsp de skorochenij simvol x A displaystyle x A nbsp poznachaye chotiri dijsni velichini yaki zadayut polozhennya tochki A v prostori i chasi Perenormuvannya energiyi masi Redaguvati Dokladnishe Perenormuvannya nbsp Odnopetlevij vnesok do vlasnoyi energiyi elektrona Hocha problema vinikla istorichno i rozvivalas protyagom dvadcyati rokiv mi pochnemo iz zroblenogo pripushennya pro isnuvannya troh bazovih prostih dij Pravila gri govoryat sho yaksho mi hochemo rozrahuvati amplitudu imovirnosti translyaciyi elektrona vid tochki A do B mi musimo vrahuvati usi mozhlivi shlyahi yakimi ce mozhe statisya Zokrema mi povinni vrahuvati vipadok koli elektron spochatku podorozhuye do deyakoyi tochki C viprominyuye foton yakij zgodom persh nizh potrapiti v kincevu tochku B poglinaye v deyakij inshij tochci D Takij promizhnij proces viprominennya poglinannya virtualnogo fotona mozhe statisya dvichi trichi abo bilshe raziv V rezultati mi otrimayemo fraktalnu kartinu v yakij liniya pri retelnomu rozglyadi rozpadayetsya na kolekciyu prostih linij kozhna z yakih yaksho divitisya she uvazhnishe tezh skladayetsya iz prostih linij i tak dali do neskinchennosti Ce duzhe vazhka situaciya dlya realnih obchislen Yaksho b dodavannya takih procesiv ne suttyevo vplinulo b na zagalnij rezultat to nichogo strashnogo b ne stalosya Odnak stalasya bida viyavilos sho vrahuvannya takih procesiv privodit do neskinchennih znachen amplitud imovirnostej Z chasom cya problema bula usunuta za dopomogoyu tehniki perenormuvannya Tim ne menshe sam Fejnman zalishilisya nezadovolenim takim sposobom vtekti vid problemi nazvavshi perenormuvannya Dippy process sho oznachaye bezzmistovnij proces 20 Visnovki Redaguvati V ramkah KED vdalosya obchisliti z visokim stupenem tochnosti deyaki z vlastivostej elektroniv taki yak anomalnij magnitnij dipolnij moment Odnak yak vkazav Fejnman v ramkah KED ne vdalosya poyasniti masi elementarnih chastinok takih yak elektron Nemaye teoriyi yaka adekvatno poyasnyuye ci velichini Mi vikoristovuyemo ci velichini u vsih nashih teoriyah ale mi yih ne rozumiyemo yaki voni ye abo zvidki voni berutsya Ya vvazhayu sho z fundamentalnoyi tochki zoru ce ye duzhe cikava i serjozna problema 21 Matematika RedaguvatiDokladnishe LagranzhianZ matematichnoyi tochki zoru KED ye abelevoyu kalibrovochnoyu teoriyeyu z grupoyu simetriyi U 1 Kalibrovochne pole yake perenosit vzayemodiyu mizh zaryadzhenimi polyami zi spinom 1 2 ye elektromagnitnim polem Lagranzhian KED dlya polya zi spinom 1 2 yake vzayemodiye z elektromagnitnim polem rivnij dijsnij chastini virazu L ps i g m D m m ps 1 4 F m n F m n displaystyle mathcal L bar psi i gamma mu D mu m psi frac 1 4 F mu nu F mu nu nbsp de g m displaystyle gamma mu nbsp ye matricyami Diraka ps displaystyle psi nbsp ye amplitudoyu imovirnosti dlya bispinornogo polya zi spinom 1 2 tobto dlya elektron pozitronnogo polya ps ps g 0 displaystyle bar psi equiv psi dagger gamma 0 nbsp maye nazvu psi bar i ye dobutkom ermitovo spryazhenoyi hvilovoyi funkciyi na matricyu Diraka g 0 displaystyle gamma 0 nbsp D m m i e A m i e B m displaystyle D mu equiv partial mu ieA mu ieB mu nbsp kovariantna pohidna e konstanta vzayemodiyi rivna zaryadu bispinornogo polya A m displaystyle A mu nbsp ye kovariantnim 4 potencialom elektromagnitnogo polya sho generuyetsya elektrichnim zaryadom B m displaystyle B mu nbsp ye zovnishnim elektromagnitnim polem F m n m A n n A m displaystyle F mu nu partial mu A nu partial nu A mu nbsp ye tenzorom elektromagnitnogo polya Rivnyannya ruhu Redaguvati Dokladnishe Mehanika LagranzhaDlya pochatku pidstavivshi viraz D v lagranzhian prijdemo do L i ps g m m ps e ps g m A m B m ps m ps ps 1 4 F m n F m n displaystyle mathcal L i bar psi gamma mu partial mu psi e bar psi gamma mu A mu B mu psi m bar psi psi frac 1 4 F mu nu F mu nu nbsp Dali mi mozhemo pidstaviti cej lagranzhian do rivnyannya Ejlera Lagranzha m L m ps L ps 0 displaystyle partial mu left frac partial mathcal L partial partial mu psi right frac partial mathcal L partial psi 0 nbsp 2 i znajti rivnyannya ruhu dlya polya Yak rezultat dva virazi iz cogo rivnyannya prijmut takij viglyad m L m ps m i ps g m displaystyle partial mu left frac partial mathcal L partial partial mu psi right partial mu left i bar psi gamma mu right nbsp L ps e ps g m A m B m m ps displaystyle frac partial mathcal L partial psi e bar psi gamma mu A mu B mu m bar psi nbsp Pidstavlyayuchi yih u rivnyannya Ejlera Lagranzha 2 otrimuyemo sho i m ps g m e ps g m A m B m m ps 0 displaystyle i partial mu bar psi gamma mu e bar psi gamma mu A mu B mu m bar psi 0 nbsp abo inakshe zdijsnivshi kompleksne spryazhennya i g m m ps e g m A m B m ps m ps 0 displaystyle i gamma mu partial mu psi e gamma mu A mu B mu psi m psi 0 nbsp Perevedennya serednogo chlenu do pravoyi chastini peretvoryuye druge rivnyannya na i g m m ps m ps e g m A m B m ps displaystyle i gamma mu partial mu psi m psi e gamma mu A mu B mu psi nbsp Liva chastina ye rivnyannyam Diraka todi yak prava opisuye vzayemodiyu iz elektromagnitnim polem She odne vazhlive rivnyannya mozhna znajti pidstavivshi lagranzhian u inshe rivnyannya Ejlera Lagranzha cogo razu dlya polya Am n L n A m L A m 0 displaystyle partial nu left frac partial mathcal L partial partial nu A mu right frac partial mathcal L partial A mu 0 nbsp 3 Dva jogo virazi cogo razu matimut viglyad n L n A m n m A n n A m displaystyle partial nu left frac partial mathcal L partial partial nu A mu right partial nu left partial mu A nu partial nu A mu right nbsp L A m e ps g m ps displaystyle frac partial mathcal L partial A mu e bar psi gamma mu psi nbsp Pidstavlyayuchi ci virazi nazad do rivnyannya Ejlera Lagranzha 3 otrimayemo n F n m e ps g m ps displaystyle partial nu F nu mu e bar psi gamma mu psi nbsp Teper yaksho mi naklademo kalibruvalnu umovu Lorenca zgidno yakoyi divergenciya chotiri potencialu maye buti rivna nulyu m A m 0 displaystyle partial mu A mu 0 nbsp otrimayemo viraz A m e ps g m ps displaystyle Box A mu e bar psi gamma mu psi nbsp yakij yavlyaye soboyu hvilove rivnyannya dlya chotiri potencialu sho zbigayetsya z klasichnim rivnyannyam Maksvella zapisanim u kalibruvanni Lorenca Kartina vzayemodiyi Redaguvati Dokladnishe Kartina vzayemodiyiCya teoriya mozhe buti bezposeredno kvantovanoyu v nablizhenni asimptotichnoyi svobodi bozoniv tobto fotoniv ta inshih chastinok z cilim spinom ta fermioniv elektroniv pozitroniv ta inshih chastinok z napivcilim spinom Ce dozvolyaye pobuduvati bezlich asimptotichnih staniv yaki mozhut buti vikoristani yak pochatkovi nablizhennya pri obchislenni amplitud jmovirnostej dlya riznih procesiv Dlya togo shob zrobiti ce nam potribno obchisliti operator evolyuciyi U t displaystyle U t nbsp sho dlya zadanogo pochatkovogo stanu i displaystyle i rangle nbsp dast kincevij stan f displaystyle langle f nbsp takim chinom shob otrimati imovirnist perehodu M f i f U i displaystyle M fi langle f U i rangle nbsp Cya tehnika takozh vidoma yak S matricya Operator evolyuciyi otrimuyetsya v kartini vzayemodiyi de chas evolyuciyi zadayetsya gamiltonianom vzayemodiyi yakij rivnij integralu drugogo chlena lagranzhiana navedenogo vishe po prostorovih koordinatah V e d 3 x ps g m ps A m displaystyle V e int d 3 x bar psi gamma mu psi A mu nbsp tak sho dlya operatora evolyuciyi matimemo U T exp i ℏ t 0 t d t V t displaystyle U T exp left frac i hbar int t 0 t dt V t right nbsp Cej operator evolyuciyi pri obchislennyah slid rozkladati v ryad za malim parametrom i te sho mi otrimayemo pid chas obchislen maye viglyad ryadu teoriyi zburen za staloyu tonkoyi strukturi yaka ye cim malim parametrom Cej ryad nazivayetsya ryadom Dajsona Diagrami Fejnmana Redaguvati Dokladnishe Diagrama FejnmanaNezvazhayuchi na konceptualnu yasnist takogo pidhodu KED majzhe zhoden z rannih pidruchnikiv ne sliduvav Fejnmanu u jogo podanni Pri vikonanni obchislen nabagato legshe pracyuvati z Fur ye peretvorennyami propagatoriv Kvantova fizika operuye zdebilshogo impulsami chastinok a ne yih poziciyami i dosit zruchno uyavlyati pro chastinki sho voni stvoryuyutsya abo znishuyutsya pid chas vzayemodiyi Za takih obstavin diagrami Fejnmana dlya riznih chastinok viglyadayut odnakovo hocha liniyi mayut rizni tlumachennya Liniya elektrona sucilna poznachaye elektron iz zadanoyu energiyeyu ta impulsom liniya fotona hvilyasta u svoyu chergu poznachaye foton iz zadanoyu energiyeyu ta impulsom Vershina predstavlyaye shemu znishennya odnogo elektrona i stvorennya inshogo razom z poglinannyam abo viprominennyam fotona pri comu vsi chastinki mayut pevni zadani energiyi ta impulsi Zgidno teoremi Vika dlya chleniv ryadu Dajsona vsi elementi S matrici dlya kvantovoyi elektrodinamiki mozhut buti obchisleni z vikoristannyam tehniki bazovanoyi na diagramah Fejnmana U comu vipadku pravila dlya malyuvannya ye taki nbsp nbsp Do cih pravil mi povinni dodati she odne dlya zamknutih petel yake mistit integruvannya po impulsah d 4 p 2 p 4 displaystyle int d 4 p 2 pi 4 nbsp oskilki vnutrishni virtualni chastinki ne mayut niyakih obmezhen na znachennya energiyi ta impulsu navit tih yaki zazvichaj potribno nakladati z oglyadu na specialnu teoriyu vidnosnosti Ci diagrami bezposeredno zadayut sposib rozrahunku amplitudi jmovirnosti dlya zadanogo procesu Dlya prikladu mozhemo rozglyanuti pruzhne rozsiyannya elektrona i fotona Diagrami Fejnmana v comu vipadku matimut viglyad nbsp Takim chinom mi mozhemo dovoli prosto skonstruyuvati viraz dlya amplitudi jmovirnosti cogo procesu i vikoristati jogo pri rozrahunku S matrici v nablizhenni pershogo poryadku teoriyi zburen M f i i e 2 u p s ϵ k l p k m e p k 2 m e 2 ϵ k l u p s i e 2 u p s ϵ k l p k m e p k 2 m e 2 ϵ k l u p s displaystyle M fi ie 2 overline u vec p s epsilon vec k lambda p k m e over p k 2 m e 2 epsilon vec k lambda u vec p s ie 2 overline u vec p s epsilon vec k lambda p k m e over p k 2 m e 2 epsilon vec k lambda u vec p s nbsp za dopomogoyu yakoyi mi mozhemo rozrahuvati pereriz vzayemodiyi v takomu procesi Perenormovanist Redaguvati Dokladnishe PerenormuvannyaZdavalosya b sho chleni vishogo poryadku mozhut buti pryamo obchisleni dlya operatora evolyuciyi ale ci chleni zobrazhuyutsya diagramami sho mistyat taki prosti diagrami nbsp Odnopetlevij vnesok do funkciyi polyarizaciyi vakuumu P displaystyle Pi nbsp nbsp Odnopetlevij vnesok do funkciyi vlasnoyi energiyi elektrona S displaystyle Sigma nbsp nbsp Odnopetlevij vnesok do funkciyi vershini G displaystyle Gamma nbsp yaki buduchi zamknutimi konturami privodyat do rozbizhnih integraliv sho ne mayut matematichnogo sensu Shob podolati ci trudnoshi bula rozroblena tak zvana tehnika perenormuvannya yaka privodit kincevi rezultati rozrahunkiv do duzhe horoshoyi uzgodzhenosti iz eksperimentom Slid vidznachiti sho vazhlivim kriteriyem teoriyi yakij nabuv znachennya pislya zaprovadzhennya tehniki perenormuvannya ye skinchennist chisla rozbizhnih diagram Za takih umov teoriya nazivayetsya perenormovanoyu Ce pov yazano iz tim sho u comu razi dlya zdijsnennya perenormuvannya potribna skinchenna kilkist konstant i yak naslidok peredbachuvana cinnist teoriyi zalishayetsya nedotorkanoyu KED ye perenormovanoyu teoriyeyu oskilki u nij prisutni lishe tri rozbizhnih diagrami Procedura perenormuvannya dozvolyaye robiti peredbachennya yaki znahodyatsya v duzhe horoshomu uzgodzhenni iz eksperimentom yak ce vidno na prikladi giromagnitnogo spivvidnoshennya dlya elektrona Perenormovanist stala vazhlivim kriteriyem dlya kvantovoyi teoriyi polya na yiyi zhittyezdatnist Vsi teoriyi yaki opisuyut fundamentalni vzayemodiyi krim gravitaciyi kvantova interpretaciya yakoyi v danij chas perebuvaye v stani aktivnogo doslidzhennya ye perenormovanimi Rozbizhnist ryadiv KED Redaguvati Friman Dajson pokazav sho radius zbizhnosti ryadiv KED za staloyu vzayemodiyi ye rivnim nulyu Jogo osnovnij argument gruntuyetsya na tomu sho negativne znachennya konstanti vzayemodiyi ye ekvivalentnim negativnomu znachennyu staloyi kulonivskoyi vzayemodiyi Tobto pri zmini znaku konstanti vzayemodiyi kulonivska vzayemodiya takozh pominyaye znak odnakovi za znakom zaryadi budut prityagatisya a protilezhni vidshtovhuvatisya Za takih obstavin vakuum stane nestabilnim hmara elektroniv popryamuye do odnogo kincya Vsesvitu a hmara pozitroniv do protilezhnogo Oskilki teoriya ye nestijkoyu do zmini znaku konstanti vzayemodiyi pri bud yakomu yiyi absolyutnomu znachenni ryadi KED za staloyu vzayemodiyi ye rozbizhnimi odnak pri comu voni ye asimptotichnimi Div takozh RedaguvatiElektroslabka vzayemodiya Kvantova hromodinamika Elektromagnetizm Elektromagnitnij potencialLiteratura Redaguvati a b Feynman Richard 1985 Chapter 1 QED The Strange Theory of Light and Matter Princeton University Press s 6 ISBN 978 0 691 12575 6 P A M Dirac 1927 The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation Proceedings of the Royal Society of London A 114 767 243 265 Bibcode 1927RSPSA 114 243D doi 10 1098 rspa 1927 0039 E Fermi 1932 Quantum Theory of Radiation Reviews of Modern Physics 4 87 132 Bibcode 1932RvMP 4 87F doi 10 1103 RevModPhys 4 87 F Bloch A Nordsieck 1937 Note on the Radiation Field of the Electron Physical Review 52 2 54 59 Bibcode 1937PhRv 52 54B doi 10 1103 PhysRev 52 54 V F Weisskopf 1939 On the Self Energy and the Electromagnetic Field of the Electron Physical Review 56 72 85 Bibcode 1939PhRv 56 72W doi 10 1103 PhysRev 56 72 R Oppenheimer 1930 Note on the Theory of the Interaction of Field and Matter Physical Review 35 5 461 477 Bibcode 1930PhRv 35 461O doi 10 1103 PhysRev 35 461 W E Lamb R C Retherford 1947 Fine Structure of the Hydrogen Atom by a Microwave Method Physical Review 72 3 241 243 Bibcode 1947PhRv 72 241L doi 10 1103 PhysRev 72 241 P Kusch H M Foley 1948 On the Intrinsic Moment of the Electron Physical Review 73 3 412 Bibcode 1948PhRv 73 412F doi 10 1103 PhysRev 73 412 Schweber Silvan 1994 Chapter 5 QED and the Men Who Did it Dyson Feynman Schwinger and Tomonaga Princeton University Press s 230 ISBN 978 0 691 03327 3 H Bethe 1947 The Electromagnetic Shift of Energy Levels Physical Review 72 4 339 341 Bibcode 1947PhRv 72 339B doi 10 1103 PhysRev 72 339 S Tomonaga 1946 On a Relativistically Invariant Formulation of the Quantum Theory of Wave Fields Progress of Theoretical Physics 1 2 27 42 doi 10 1143 PTP 1 27 J Schwinger 1948 On Quantum Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron Physical Review 73 4 416 417 Bibcode 1948PhRv 73 416S doi 10 1103 PhysRev 73 416 J Schwinger 1948 Quantum Electrodynamics I A Covariant Formulation Physical Review 74 10 1439 1461 Bibcode 1948PhRv 74 1439S doi 10 1103 PhysRev 74 1439 R P Feynman 1949 Space Time Approach to Quantum Electrodynamics Physical Review 76 6 769 789 Bibcode 1949PhRv 76 769F doi 10 1103 PhysRev 76 769 R P Feynman 1949 The Theory of Positrons Physical Review 76 6 749 759 Bibcode 1949PhRv 76 749F doi 10 1103 PhysRev 76 749 R P Feynman 1950 Mathematical Formulation of the Quantum Theory of Electromagnetic Interaction Physical Review 80 3 440 457 Bibcode 1950PhRv 80 440F doi 10 1103 PhysRev 80 440 F Dyson 1949 The Radiation Theories of Tomonaga Schwinger and Feynman Physical Review 75 3 486 502 Bibcode 1949PhRv 75 486D doi 10 1103 PhysRev 75 486 F Dyson 1949 The S Matrix in Quantum Electrodynamics Physical Review 75 11 1736 1755 Bibcode 1949PhRv 75 1736D doi 10 1103 PhysRev 75 1736 The Nobel Prize in Physics 1965 Nobel Foundation Arhiv originalu za 26 Grudnya 2018 Procitovano 9 zhovtnya 2008 a b v Feynman Richard 1985 QED The Strange Theory of Light and Matter Princeton University Press s 128 ISBN 978 0 691 12575 6 Feynman Richard 1985 QED The Strange Theory of Light and Matter Princeton University Press s 152 ISBN 978 0 691 12575 6 Dodatkova literatura RedaguvatiRebenko O L Osnovi suchasnoyi teoriyi vzayemodiyuchih kvantovanih poliv K Naukova dumka 2007 539 s Ahiezer A I Beresteckij V B Kvantovaya elektrodinamika M Nauka 1981 432 s Landau L D Lifshic E M Kvantovaya elektrodinamika Teoreticheskaya fizika M Fizmatlit 2006 T 4 720 s Tirring V Principy kvantovoj elektrodinamiki Principles of Quantum Electrodynamics M Vysshaya shkola 1964 228 s Fejnman R Kvantovaya elektrodinamika Quantum Electrodynamics M Mir 1964 220 s Fejnman R KED strannaya teoriya sveta i veshestva QED The Strange Theory of Light and Matter M Nauka 1988 144 s Posilannya RedaguvatiKvantova elektrodinamika Arhivovano 25 Zhovtnya 2020 u Wayback Machine ESU Peskin M Shroder D Vstupnij kurs kvantovoyi teoriyi polya T 1 pereklad z anglijskoyi Arhivovano 10 Veresnya 2015 u Wayback Machine Kvantovaya elektrodinamika Arhivovano 13 Chervnya 2013 u Wayback Machine Fizicheskaya enciklopediya t 2 M Sov encikl 1990 s 317 318 Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Kvantova elektrodinamika amp oldid 35020138