تاريخچه نظريه

اين نظريه را ديراک ، ورنر هايزنبرگ ، پاسکوال جوردن و ولفانگ پاولي در اواخر دهه 1920 فرمول بندي و فريمن دايسون ، ريچارد فاينمن و جوليان شوينگر و سين - ايتيروتوموئاگا در اويل دهه 1950 آن را تکميل کردند. گر چه آنها بطور مستقل از يکديگر درباره اين مسئله به پژوهش پرداخته بودند. گسترش الکتروديناميک کوانتومي را مي‌توان نتيجه چشمگير کنش متقابل بين نظريه و تجربه به شمار آورد. بخشي از اين تحول ، به برکت فن آوري ميکرو موجها بود که در آن وقع تازه پديد آمده بود و امکان اندازه گيري بسيار بسيار دقيق طيف هيدروژن و گشتاور مغناطيسي الکترون را توسط بولي کارپ کوش و هنري فراهم شد.
نتايج آزمايشها ، که هر دو در سال 1947 منتشر شده پيشرفتهاي نظري سريعي را پديد آورد. اين پيشرفتها نيز به نوبه خود سبب شد که پژوهشگران تجربي روشهاي جديدي را براي اندازه گيري باز هم دقيقتر ابداع کنند. در حال حاضر ، با آنکه هنوز امکان بهبود روش وجود دارد، نظريه و تجربه در گسترش بسيار وسيعي از انرژيها با دقت چشمگيري باهم سازگاري دارند.

زمينه الکتروديناميک کوانتومي

در آغاز قرن نوزدهم دو نظريه متفاوت براي نور وجود داشت: نظريه ذره‌اي و نظريه موجي. نظريه ذره‌اي پس از به نمايش در آمدن اثرات تداخلي ، در سالهاي اوليه قرن نوزدهم ، محبوبيت خود را از دست داده ، در سالهاي آخر قرن نوزدهم ، اين نظريه تقريبا بطور کامل به کنار گذاشته شده زيرا جيمز کلارک ماکسول نشان داد که تمام پديده‌هاي الکتريکي و مغناطيسي و اپتيکي را مي‌توان از چهار معادله (به نام معادلات ماکسول) استخراج کرد و اين معادلات امواجي الکترومغناطيسي را پيش بيني مي‌کنند که با سرعت 2.9979X108 m/s جابجا مي‌شوند. چون اين مقدار نزديک سرعت نور بود که قبلا اندازه گيري شده بود.
ماکسول اين فرضيه را پيش کشيد که نور هم خود موجي الکترومغناطيسي است و در اوايل قرن بيستم نظريه موجي الکترومغناطيسي براي نور کاملا پذيرفته شد. اولين نشانه‌هايي که حاکي از آن بودند که نظريه موجي به تنهايي نمي‌تواند رفتار نور را توضيح دهد، در سه آزمايش ديده شدند: تابش جسم سياه ، اثر فوتوالکتريک و اثر کامپتون. با اين آزمايشها در مجموع مؤيد اين فرضيه بودند که نور از ذراتي ساخته شده است که امروزه فوتون مي‌ناميم. که اين مرحله گرچه خواص فوتونها فقط از اين آزمايش استنتاج شده بودند، موفقيتهاي مدل فوتون فيزيکدانان را تشويق کرد تا به جست و جوي نظريه بنيادي بپردازند که با استفاده از آن بتوان فوتونها و خواص آن را استخراج کرد.

مباني نظريه QED

اساس نظريه کوانتوومي (يا فوتوني) نور ، يعني QED ، را ديراک ، هايزنبرگ ، پاولي ، انريکو فرمي و جردن در دوره زماني 1926 تا 1940 پي‌ريزي کردند. آنچه که از اين معادلات حاصل شد، نظريه‌اي است که نقطه آغازش بررسي کلاسيکي ميدانهاي الکترومغناطيسي بر اساس معادلات ماکسول و رهيافت هاميلتون در تعيين اين معادلات حرکت به کمک تابعي است که چگالي انرژي را در هر نقطه از فضا به صورت چگالي هاميلتوني مشخص مي‌کند.
کميت: Hfree = (E2 + B2)/8?
کل انرژي مربوط به ميدان الکترومغناطيسي را وقتي که بار و جريان وجود ندارد. در هر واحد حجم (در موقعيتن مکاني r نشان مي‌دهد. Hfree کل انرژي مربوط به ميدان الکترومغناطيسي آزاد است E و B عبارت از بردارهاي ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي در نقطه (r,t) در اين صورت ، همانند روش ماکسول که در آن ميدانهاي E و B بر حسب پتانسيلهاي الکترومغناطيسي A و ? بيان مي‌شوند. در اين فرمول بندي هاميلتوني ، برهمکنش ميدان الکترومغناطيسي با چگاليهاي جريان و بار الکتريي j و p بوسيله اثرهاي برهمکنش (HI(?? - s , A/C نشان داده مي‌شود. هنگامي که ميدان الکترومغناطيسي آزاد کوانتيده شد، قدم بعدي آن است که بر همکنش را با ذرات باردار در نظر بگيريم. در اين مرحله چگالي هاميلتوني H = HI + He1 + Hfree مي‌باشد.

بينش جديد درباره طبيعت

هر نظريه مهم جديدي ، به وجوهي از طبيعت را که قبلا ناشناخته مانده بود توضيح مي‌دهد، مثلا نسبيت خاص (علاوه بر موضوعهاي ديگر) موضوع تبديل ماده به انرژي و انرژي به ماده را ازطريق معادله E = ?mc2 مطرح کرد. و معادله ديراک براي الکترون نسبيتي منجر به پيش بيني پاد ذره‌ها شد. شايد ويژيگي جديد و اصلي نظريه QED شناسايي فوتون و نحوه دخالت آن در برهمکنش الکترومغناطيسي به عنوان ميانجي نيروي الکترومغناطيسي را به صورت نيروي نيوتني در نظر مي‌گرفتند که در فاصله بين ذره‌هاي باردار عمل مي‌کرد. پس از آن ، در نظريه ماکسول ميدان الکتريکي و مغناطيسي را بين صورت در نظر مي‌گيرند که در هر نقطه‌اي از فضا وجود دارند و نيروي وارد بر ذره باردار را مي‌توان به ميدان الکترومغناطيسي موجود در نقطه‌اي که ذره اشغال کرده است، نسبت داد.

نظريه QED در برهمکنش الکترومغناطيسي

در نظريه QED ، برهمکنش الکترومغناطيسي را ناشي از مبادله فوتون بين ذرات باردار در نظر مي‌گيرند، در اين مبادله فوتون جانشين ميدان الکترومغناطيسي ماکسول به عنوان سرچشمه برهمکنش الکترومغناطيسي است و اين تصوير که برهمکنش بر آمده از معادله ذرات ميانجي است بطور موفقيت آميزي گسترش داده شده تا برهمکنشهاي ضعيف و قوي را نيز توصيف کند. ديدگاه امروزي در مورد چگونگي وقوع اين برهمکنشها بر همين اساس استوار است.

نظريه QED در دو گانگي موجي و ذره نور

نظريه QED همچنين دو گانگي موج - ذره‌اي نور را به اين واقعيت را که نور در بعضي از آزمايشها مانند موج رفتار مي‌کند و از بعضي از آزمايشهاي ديگر مانند ذره ، برطرف مي‌کند. از آنجا که امروزه همه آزمايشها بر اساس مبادله فوتون توصيف مي‌شوند، به نظر مي‌رسد که اين ساماندهي و وقوع مشکل از طريق نظريه ذرات جامعتري حاصل شده است. با اين همه ، فوتون QED ذره‌اي به مفهوم متعارف کلاسيکي نيست. مثلا ، اين ذره داراي مسير فضا زماني دقيق نيست به چيزي نيست که گستردگي فضايي و جرم (سکون) غير صفر داشته باشد، با هيچ سرعتي جز سرعت نور حرکت نمي‌کند، هر دو فوتوني که انرژي ، تکانه و قطبش يکسان داشته باشند تمايز ناپذيرند. اساسا هر فوتوني را فقط مي‌توان واحدي از ميدان الکترومغناطيسي دانست که انرژي ، تکانه و قطبش معيني دارد.

نظريه QED در خلاء

نظريه QED ديدگاه ما را از خلاء بر آن بطور کلاسيکي فقط به صورت حالت تهي در نظر گرفته مي‌شود تغيير مي‌دهد. اگر چه در حالت خلاء مقادير انتظاري E2 و B2 غير صفرند. اين بدان معني است که وقوع افت و خير در خلاء امکان پذير است. و در واقع ، همانطور که افت و خيزهاي خلاء بطور تجربي به اين معني تأييد شده‌اند که اين افت و خيز نادر در اثرات مشاهده شده در آزمايشگاه سهم در خور توجهي دارند. به علاوه ، در حضور ميدان الکترومغناطيسي (کلاسيکي) خارجي اين افت و خيزها منجر به توليد زوجهاي ذره - پاد ذره مي‌شوند که مانند اجزاي محيط دي الکتريکي قطبش پذيرند. اين اثر که قطبش پذيري خلاء نام دارد، بطور تجربي مورد تأييد قرار گرفته است. به اين ترتيب ، مفاهيمي که از نور خلاء در ذهن ما بوده‌اند. هر دو با ظهور QED بطور حاشيه‌اي تغيير کرده‌اند.

آزمون تجربي QED

گشتاورهاي مغناطيسي
الکترونها و پوزيترونها ، پروتونها ، موئونها و مانند آنها جملگي داراي خواص ذاتي به صورت جرم ، بار الکتريکي و اسپين هستند. اگر چه مفهوم اسپين را به اقتضاي ضرورت به نظريه کوانتومي تا نسبيتي افزوده بودند. ديراک نشان داد که اين مفهوم را مي‌توان مستقيما از نظريه کوانتومي سازگار با نسبيت خاص بدست آمد. علاوه بر آن نظريه ديراک پيش بيني کرد که اسپين S الکترون با گشتاور مغناطيسي آن µ به صورت زير ارتباط پيدا مي‌کند.
µ = (e/2mc)(L+ gs
که در آن m جرم الکترون ، L اندازه حرکت زاويه‌اي مداري آن و ثابت g (که نسبت ژيرو مغناطيسي الکترون ناميده مي‌شود) دقيقا برابر 2 است. اما اين مقدار µ وقتي حاصل مي‌شود که الکترون را به صورت ميدان کوانتومي و ميدان مغناطيسي را به صورت ميدان کلاسيکي در نظر بگيريم. در سال 1947 کوش و تولي به شواهدي تجربي دست يافتند که نشان مي‌داد g در واقع اندکي از دو بزرگتر است. هانس بته ، شوينگر ، فاينمن و ديگران براي تعيين دليل نظري اين اختلاف ، گشتاور مغناطيسي بي‌هنجار الکترون ناميده مي‌شود.
از ميدان مغناطيسي کوانتيده و چگالي هاميلتوني H که در بالا بحث قرار گرفت استفاده کردند. آنها نشان دادند که QED ضريب g را چنان پيش بيني مي‌کند که اندکي از دو بيشتر است. و مقدار دقيق عددي آن بستگي به مقدار جملات منظور شده از سري اختلال لاو به در حال حاضر بهترين مقدار نظري g که با همکاري چندين گروه حاصل شده است. تا جملات مرتبه ?4 دقت دارد ضريب چنين است:

دشواري نظريه QED

دشواري اصلي نظريه QED در آن است که جملات مرتبه بالاتر در سري اختلال را محاسبه مي‌کنيم بعضي از انتگرالهاي بدست آمده واگرا هستند (يعني بينهايت مي‌شوند) ولي اين بينهايتها را مي‌توان (تمام مراتب مربوط به نظريه اختلال) با تعريف مجدد پارامترهاي بار و جرم موجود در نظريه ، منزوي و حذف کرد. علي الاصول حتي اگر بينهايتها هم پديد نمي‌آمدند، بخاطر نحوه تقسيم چگالي هاميلتوني H در رهيافت اختلال ضرورت داشت که پارامترهاي بار و جرم را بهنجار کنيم.
شکل ديگر نظريه QED اين است که تا کنون هيچ کس نتوانسته است نشان دهد که سري اختلالي همگرا مي‌شود، يا اگر هم همگرا شوند به سمت حد صحيحي همگرا مي‌شود.

نتيجه گيري

بسياري از فيزيکدانان نظريه الکتروديناميک کوانتمي QED به علت سازگاري بسيار درخشان آن با نتايج تجربي يک از موفقترين نظريه‌هاي فيزيک تلقي مي‌کنند، گر چه هنوز هم دشواريهايي در اين نظريه ديده مي‌شود. اغلب فيزيکدانان آنرا به عنوان نظريه‌اي که از لحاظ اصولي درست است مي‌پذيرند. به علاوه بسياري از ويژگيهاي QED با موفقيتهاي چشمگيري در نظريه‌هاي جديد مربوط به برهمکنشهاي قوي و ضعيف و الکتروليت تلفيق شده است. بدين ترتيب راهکارها و ديدگاههاي اساسي آن تقويت و بعضي مشکلات موجود در تعريفهاي نظري لنزي QED بر طرف مي‌شود. ولي معضلات موجود در نظريه ترکيبي همچنان پا برجاست.
منبع: http://atwis.com
/س