Ένα βραβείο για την QED
Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1965

Άρθρο, Δεκέμβριος 2002

Εισαγωγή

Η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED) είναι μια κβαντική θεωρία που περιγράφει όλα τα παγκόσμια φυσικά φαινόμενα,  κυρίως της αλληλεπιδράσεις της  ακτινοβολίας με την φορτισμένη ύλη, εκτός της βαρύτητας και της ραδιενέργειας.

Η θεωρία QED γεννήθηκε το 1931 προκειμένου να τεθεί σε συμφωνία η θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού, κατά τον Maxwell, με τις νέες αρχές της κβαντικής φυσικής. Από την εποχή που ανακαλύφθηκε η σωματιδιακή φύση του φωτός η αλληλεπίδραση των κβάντα με την ύλη πέρασε από πολλά θεωρητικά στάδια. Η σημερινή μορφή οφείλεται στις εργασίες κατά τις δεκαετίες του '40 και '50 των S.Tomonaga, J.Schwinger, R.Feynman που έλαβαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1965.

Το 1931 ο Βρετανός φυσικός P. Dirac έβαλε τα θεμέλια οικοδόμησης της QED με την ανακάλυψη μιας εξίσωσης που περιέγραφε την κίνηση και την περιστροφή των ηλεκτρονίων ενσωματώνοντας την κβαντική θεωρία και τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας.

Όταν όμως η QED διαμορφώθηκε στη δεκαετία του '50 εξήγησε όχι μόνο τις αλληλεπιδράσεις ακτινοβολίας και ύλης αλλά περιέγραψε τόσο τις χημικές όσο και τις βιολογικές αντιδράσεις. Ως γνωστόν η QED είναι μια σχετικιστική θεωρία από τις εξισώσεις της οποίας προκύπτουν οι εξισώσεις της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας.

Η κβαντική ηλεκτροδυναμική (που είναι βασικός κορμός των κβαντικών θεωριών πεδίου) θεωρεί ότι η ανάπτυξη των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων αποδίδεται στην εκπομπή και την απορρόφηση φωτονίων ως σωματιδίων ανταλλαγής, τα οποία αντιπροσωπεύουν διαταραχές των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Κατά τρόπο ανάλογο και τα ηλεκτρόνια μπορούν να θεωρηθούν ως διαταραχές αντίστοιχων κβαντισμένων πεδίων.

Οι αρχικές εκδόσεις της QED θεωρούσαν ότι μεταξύ δύο ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν εκπέμπεται και απορροφάται μόνο ένα φωτόνιο. Αλλά η τριάδα των Νομπελιστών Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger και Richard P. Feynman αναγνώρισε ότι αυτή κατάσταση είναι περισσότερο πολύπλοκη, επειδή η σκέδαση ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου μπορεί να συμπεριλάβει πολλές ανταλλαγές φωτονίων. Ένα "γυμνό" σημειακό φορτίο δεν υπάρχει στην πραγματικότητα. Αυτό το φορτίο παράγει πάντα ένα νέφος virtual ή φανταστικών, όπως λέγονται, ζευγών σωματιδίων - αντισωματιδίων γύρω από τον εαυτό του, έτσι που η δραστική του μαγνητική ροπή αλλάζει και το δυναμικό Coulomb μετατρέπεται σε μικρές αποστάσεις.

Οι ελλείψεις της αρχικής φάσης της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής

Γρήγορα όμως αναγνωρίστηκε, τη δεκαετία του '30, ότι αυτή η θεωρία είχε σοβαρές ατέλειες. Ο υπολογισμός της μάζας ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου με βάση την αλληλεπίδραση του με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έδινε μια άπειρη μάζα. Μια παρόμοια δυσκολία εμφανίστηκε και για το φορτίο του ηλεκτρονίου.

Λόγω της θεμελιώδους σημασίας για μια πιο σωστή κβαντική ηλεκτροδυναμική πολλοί θεωρητικοί φυσικοί προσπάθησαν κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '30 να αντιμετωπίσουν αυτές τις δυσκολίες. Όμως μπορεί να υπήρχαν κάποιες ενδείξεις για το πως  θα έπρεπε αυτή η θεωρία να ολοκληρωθεί, εντούτοις, έπρεπε να έρθει η δεκαετία του '40 για να γίνει η αποφασιστική της πρόοδο.

Η νέα εποχή άρχισε έπειτα από έρευνες που εκτελέσθηκαν πρώτα από τον Tomonaga, το πρώτο βραβευθέντα το 1965. Η εργασία του αφορούσε πρώτιστα τα ζητήματα που μπήκαν από τη θεωρία της σχετικότητας. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε το 1943 ο Tomonaga κατόρθωσε να δώσει μια νέα διατύπωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής και άλλων παρόμοιων θεωριών.

Όμως η καθοριστική πρόοδος έγινε λόγω της ανακάλυψης της μετατόπισης Lamb. Αυτό το φαινόμενο εμφανίστηκε το 1947, όταν ανακάλυψε o Lamb ότι μερικά επίπεδα ενέργειας 2s και 2p του ατόμου του υδρογόνου ήταν στην πραγματικότητα κάπως μετατοπισμένα το ένα σχετικά με το άλλο, με βάση την θεωρητική μελέτη.

Όταν αυτή η ανακάλυψη συζητήθηκε σε μια διάσκεψη των φυσικών στο Solvay έγινε αποδεκτό ότι το νέο φαινόμενο θα μπορούσε να εξηγηθεί από την κβαντική ηλεκτροδυναμική υπό τον όρο ότι θα δινόταν η κατάλληλη ερμηνεία. Η ακρίβεια αυτής της άποψης υποστηρίχθηκε με έναν προσωρινό υπολογισμό της μετατόπισης Lamb, η οποία δημοσιεύθηκε από τον Bethe αμέσως μετά από τη διάσκεψη του Solvay.

Μόλις ο Tomonaga έμαθε για το πείραμα Lamb και τον υπολογισμό του Bethe πραγματοποίησε ένα ουσιαστικό βήμα.  Αντικατέστησε την πειραματική μάζα με τη φανταστική μηχανική μάζα, που εμφανιζόταν στις εξισώσεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής και να εκτελέσει μια παρόμοια επανακανονικοποίηση του ηλεκτρικού φορτίου, λαμβάνοντας υπόψη πως το ίδιο το πεδίο του ηλεκτρονίου τροποποιούσε αυτά τα μεγέθη.

Αυτοί οι νέοι όροι που μπήκαν τότε στις εξισώσεις ακύρωσαν τους απειρισμούς που εμφανίζονταν. Ο Tomonaga κατόρθωσε να λύσει αυτό το δύσκολο θεωρητικό πρόβλημα και με βάσει τις πιο αρχικές του έρευνες. Συνήγαγε ακόμη έναν σωστό τύπο για την μετατόπιση Lamb που βρισκόταν σε καλή συμφωνία με τις μετρήσεις.

Το φαινόμενο αυτό στα επίπεδα ενέργειας 2s και 2p  του υδρογόνου εξηγείται σωστά από την κβαντική ηλεκτροδυναμική υποθέτοντας ότι συμβαίνει ανταλλαγή virtual φωτονίων. Στην απουσία αυτής της επίδρασης, τα επίπεδα 2s και 2p θα είχαν τις ίδιες ενέργειες.

Σχεδόν ταυτόχρονα με την ανακάλυψη της μετατόπισης Lamb μια άλλη ιδιαιτερότητα βρέθηκε από τον Kusch (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1955) και το συνεργάτη του Foley, οι οποίοι ξεκαθάρισαν ότι η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου είναι κάπως μεγαλύτερη από όσο είχε υποτεθεί πριν. Η χρησιμοποίηση της μεθόδου επανακανονικοποίησης, που ανέπτυξε επίσης ο Schwinger, ήταν σε θέση να αποδείξει ότι πρέπει να προστεθεί στη τιμή της μαγνητικής ροπής μια μικρή μη ομαλή συμβολή.  Αμέσως έγινε η πρόταση του αποδεκτή αφού ο υπολογισμός του συμφωνούσε με τα πειράματα. Ο υπολογισμός του Schwinger ήταν πράγματι πολύ σημαντικός για την κατάλληλη ερμηνεία αυτών των μετρήσεων.

Ο Schwinger, ο δεύτερος βραβευθείς το 1965,  ανέπτυξε ένα νέο φορμαλισμό για τη νέα κβαντικής ηλεκτροδυναμική, χρησιμοποιώντας μεθόδους μερικά παρόμοιες με εκείνες του Tomonaga. Αλλά ο φορμαλισμός φάνηκε πιο χρήσιμος για πρακτικούς υπολογισμούς.

Εν συνεχεία ο τρίτος βραβευθείς Feynman χρησιμοποίησε ακόμη πιο ριζοσπαστικές μεθόδους για τα προβλήματα της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. Δημιούργησε έναν νέο φορμαλισμό, ο οποίος έγινε πολύ χρήσιμος για πρακτικούς υπολογισμούς. Εισήγαγε μια γραφική ερμηνεία, τα ονομαστά διαγράμματα Feynman, τα οποία έχουν αναγορευτεί χαρακτηριστικό γνώρισμα της σύγχρονης φυσικής. Στην περιγραφή που χρησιμοποιήθηκε από το Feynman το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δεν εμφανίζεται καθαρά. Η περιγραφή του είναι πολύ πολύτιμη στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, που εκτός από την ηλεκτρομαγνητική υπάρχουν επίσης κι άλλες αλληλεπιδράσεις.

Η κβαντική ηλεκτροδυναμική στη νέα μορφή της (από τους Tomonaga - Schwinger - Feynman) είχε εξαιρετική επιτυχία λόγω της επαλήθευσης από τη θεωρία των πειραματικών δεδομένων. Για την μετατόπιση Lamb και για την ανώμαλη ροπή του ηλεκτρονίου η συμφωνία είναι σχεδόν απόλυτη και δεν έχει βρεθεί καμία διαφωνία μέχρι τώρα.

Η κβαντική ηλεκτροδυναμική είναι πράγματι μια από τις ακριβέστερες όλων των θεωριών της φυσικής. Περαιτέρω αποδείξεις έχουν δοθεί από τις εφαρμογές της θεωρίας αυτής στο άτομο ποζιτρονίου και στο μιόνιο. Επίσης χρησιμοποιήθηκε στη φυσική υψηλών ενεργειών, στη φυσική στερεάς κατάστασης,  την πυρηνική φυσική και τη στατιστική μηχανική. 

Η έννοια της παραγωγής ενός ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου από μια "κενή" κατάσταση ενός κβαντοποιημένου πεδίου (και ως εικονική διαδικασία και ως μια πραγματική υλοποίηση των σωματιδίων), είναι επίσης μια κεντρική δομική μονάδα στη σύγχρονη θεωρία πεδίων των ισχυρών αλληλεπιδράσεων ή την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD).