Partikelfysik

Kvantelektrodynamik – QED

publicerad 3 månader sedan av
Valentin Voistinov

Universum består av fyra grundläggande krafter, starka och svaga växelverkan, gravitationen och elektromagnetismen. För att beskriva och utnyttja dessa krafter krävs det modeller och teorier, och en sådan teori är den så kallade kvantelektrodynamiken. På engelska kallas den för quantum electrodynamics och förkortas QED.

QED förklarar den elektromagnetiska kraften utifrån kvantmekanik, fältteori och speciell relativitet. Innan teorin upptäcktes användes klassiska teorier som Maxwells fältteori eller den klassiska elläran. Dessa teorier fungerar väl i vanliga situationer, som att beräkna styrkan av en kylskåpsmagnet, men i mikroskopiska situationer, som interaktioner mellan partiklar där kvantmekanik börjar ta effekt, krävs en annan teori som tar hänsynt till detta. Det krävs en teori som QED. Äran för upptäckten av QED gavs till Shin’ichirō Tomonaga, Julian Schwinger och Richard Feynman, och tillsammans delade de ett nobelpris i fysik.

I grunden är kvantelektrodynamik en komplex teori som kräver högre studier för att använda. Men det vackra med teorin är hur enkel den är att visualisera, något som vi kan tacka Richard Feynman för. För att förklara QED använde Feynman sig av speciella diagram som avbildar interaktioner mellan partiklar. Dessa diagram har sedan dess fått namnet Feynmandiagram och ett exempel på en sådan visas nedan.

Ett Feynman diagram över en interaktion mellan två elektroner. En foton förmedlas mellan dem och ändrar deras riktning och hastighet. Det grekiska y:et är beteckningen för fotonen. Punkten där fotonen avges kallas vertex.

Det Feynmandiagrammet visar är en interaktion mellan två elektroner, e. Elektronerna färdas mot varandra och börjar repellera varandra på grund av deras lika laddningar och tillslut börjar de att färdas i motsatt riktning av varandra. För att beräkna elektronernas färd hade 1800-talets vetenskapsmän använt sig av Coulombs lag och klassisk fältteori, men en sådan beräkning hade inte tagit till hänsyn de kvantmekaniska effekterna. Istället antar den att elektroner är objekt med partikelegenskaper, men det stämmer inte enligt kvantmekaniken. Allt kvantmekaniskt är någorlunda komplext och motsägande, men i dessa fall är det viktigt att räkna med.

Så hur borde interaktionen visualiseras? Fotoner är partiklarna som förmedlar elektromagnetismen. Det innebär att mellan elektronerna sker ett utbyte av en foton på specifika punkter som kallas för vertex. Det är sedan fotonen som gör att elektronerna ändrar sin riktning och detta är vad vi senare observerar som magnetism.

Det finns dock en liten hake. Detta är inte det enda sättet två elektroner kan interagera med varandra på. Istället kan de förmedla två fotoner mellan varandra eller tre, eller fyra, och de kan även förmedla fotoner mellan sig själva. Det finns flera vägar en sådan interaktion kan ta och alla sätt kan avbildas på ett Feynmandiagram. Men även om det finns många olika fall, är sannolikheten för de mer extrema interaktionerna låg. Chansen att de olika interaktionerna sker beror på antalet vertices (plural av vertex). Att avge en foton är svårt att göra vilket leder till att sannolikheten för varje fall minskar när antalet vertices ökar. Alltså kommer det första fallet med två vertices vara den mest sannolika.

Hur enkelt det nu än är att visualisera en interaktion, är det viktigt att veta vad som Feynmandiagrammen faktiskt står för. Bakom varje steg av interaktionerna ligger en komplex matematisk ekvation. Diagrammen är alltså bara en sorts förenkling, men trots detta är Feynmandiagram fortfarande ett användbart medel inom partikelfysik. 

Richard Feynman, delgrundaren av kvantelektrodynamik. Bild av Tamiko Thiel.

Som en avslutning ska jag berätta om varför fysiker har kallat QED för “den mest exakta teorin”. Elektroner har laddning och spinn, vilket leder till att de också har ett magnetiskt fält runt sig. Enligt mätningar är styrkan på fältet 1.001159652181, men det otroliga är att det teoretiska värdet QED förutsäger ligger på 1.001159652182. Det teoretiska och experimentella värdet stämmer överens med 11 decimaler. De ligger alltså otroligt nära varandra. Från detta går det att förstå varför kvantelektrodynamik är både en användbar och framgångsrik teori, eftersom den är enkel att visualisera, ger värden som stämmer bra med verkligheten och är allmänt en superintressant teori (enligt mig iallafall).

Källor som användes i den här artikeln

JabberWok . Electron-scattering . English Language Wikipedia . 2006-11-30 . <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electron-scattering.png> (Hämtad 2020-04-16)

Copyright Tamiko Thiel 1984 . RichardFeynman-PaineMansionWoods1984 copyrightTamikoThiel bw . . 1984 . <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RichardFeynman-PaineMansionWoods1984_copyrightTamikoThiel_bw.jpg> (Hämtad 2020-04-16)

Dr. Don Lincoln . Quantum electrodynamics: theory . FermiLab . 2016-03-30 . <https://www.youtube.com/watch?v=hHTWBc14-mk&t=340s> (Hämtad 2020-02-16)

Jim Baggott . Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ (på svenska) . Oxford University Press . 2012 . <> (Hämtad 2020-04-16)

Karlis Reimanis . . Unsplash . 2019-12-14 . <https://unsplash.com/photos/Y31Z6Mf7rys> (Hämtad 2020-04-16)