Što je kvantna elektrodinamika (QED)?

Kvantna elektrodinamika (QED) je kvantna teorija polja koja objašnjava kako električno nabijene čestice međusobno komuniciraju razmjenom fotona (svjetlosni “kvanta” ili mali paketići svjetlosti). Fotoni, a time i interakcije u QED-u, šire se brzinom svjetlosti. QED se naziva teorijom mjerača, s matematički određenim mjernim poljem koje predstavlja elektromagnetsku silu. Teorija također objašnjava magnetizam, budući da su magnetizam i elektricitet dvije manifestacije iste temeljne sile, elektromagnetizma.

Teorija QED-a jedna je od najbolje provjerenih teorija na Zemlji, koja ponekad daje precizne rezultate do deset decimalnih mjesta, i bila je prva kvantna teorija polja koja je nazvana dosljednom i potpunom. Jedno predviđanje koje je napravio QED pokazalo se točnim do 0038 dijelova na milijun, što je vjerojatno najpreciznije i najtočnije fizičko predviđanje ikada napravljeno. Računanje ispravnih rješenja za ponašanje sustava s dijelovima u interakciji ili većim elektronskim orbitalama postaje eksponencijalno teže kako se broj komponenti povećava, a neki izračuni zahtijevaju doslovno desetljeća rada za izračunavanje i provjeru.

Od četiri prirodne sile – elektromagnetizma, slabe nuklearne sile, jake nuklearne sile i gravitacije – elektromagnetizam je vjerojatno najlakše rigorozno objasniti, iako je njegovo potpuno objašnjenje zahtijevalo stotine znanstvenih desetljeća rada. Teorija je na zadovoljstvo razvijena kasnih četrdesetih, zahvaljujući neovisnom radu Sin-Itira Tomonage, Juliana Schwingera i Richarda Feynmana. Za svoj trud dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1965.

Da je elektromagnetizam jedina sila prirode koja djeluje u svemiru, QED bi ponudio potpuni prikaz njegove točne prirode. Međutim, nije i nastavlja se potraga za kvantnom teorijom polja koja integrira sve četiri sile. Nadalje, rješavanje jednadžbi u QED-u je vrlo teško, teže od konvencionalnih problema kvantne mehanike, budući da je QED generalizacija kvantne mehanike na specijalnu relativnost. Slike koje su najpoznatije povezane s QED-om su Feynmanovi dijagrami Richarda Feynmana, koji koriste ravne i vijugave linije za analizu različitih načina na koje čestice razmjenjuju fotone kako bi fizičke interakcije.

Teorija QED-a još uvijek proizvodi matematičke beskonačnosti u određenim kontekstima, i iako su mnogi od ovih problema riješeni, oni i dalje postoje na određenoj razini. Ad hoc algoritmi renormalizacije razvijeni su kako bi se izgladile ove teorijske nesavršenosti. Ove beskonačnosti sugeriraju da QED ni na koji način nije konačna teorija, ostavljajući budućnost otvorenom za otkriće točnije teorije, one koja promatra elektromagnetizam u kontekstu ostale tri sile prirode.