量子電動力學

量子電動力學（Quantum Electrodynamics，英文簡寫為QED）是量子場論中最成熟的一個分支。

它研究的對象是電磁相互作用的量子性質（即光子的發射和吸收）、帶電粒子的產生和湮沒、帶電粒子間的散射、帶電粒子與光子間的散射等等。它概括了原子物理、分子物理、固體物理、核物理和粒子物理各個領域中的電磁相互作用的基本原理。

基本介紹

• 中文名：量子電動力學
• 外文名：Quantum Electrodynamics
• 研究範疇：電磁場與帶電粒子的量子相互作用
• 上屬學科：物理學
• 套用學科：量子力學術語
• 範疇：數理科學

學科概況

量子電動力學是量子場論發展中歷史最長和最成熟的分支，簡寫為QED。它主要研究電磁場與帶電粒子相互作用的基本過程。在原則上，它的原理概括了原子物理、分子物理、固體物理、核物理及粒子物理各領域中的電磁相互作用過程。它研究電磁相互作用的量子性質（即光子的發射和吸收）、帶電粒子（例如正負電子）的產生和湮沒以及帶電粒子之間的散射、帶電粒子與光子之間的散射等。從套用範圍的廣泛、基本假設的簡單明確、與實驗符合程度的高度精確等方面看，在現代物理學中是很突出的。

發展過程

1925年量子力學創立之後不久，P.A.M.狄拉克於1927年、W.K.海森伯和W.泡利於1929年相繼提出了輻射的量子理論，奠定了量子電動力學的理論基礎。

在量子力學範圍內，可以把帶電粒子與電磁場相互作用當作微擾，來處理光的吸收和受激發射問題，但卻不能處理光的自發射問題。因為如果把電磁場作為經典場看待，在發射光子以前根本不存在輻射場。原子中處於激發態的電子是量子力學中的定態，沒有輻射場作為微擾，它就不會發生躍遷。自發射是確定存在的事實，為了解釋這種現象並定量地給出它的發生幾率，在量子力學中只能用變通的辦法來處理。

一個辦法是利用對應原理，把原子中處於激發態的電子看成是許多諧振子的總和，把產生輻射的振盪電流認定與量子力學的某些躍遷矩陣元相對應，用以計算自發射的躍遷幾率。從這個處理辦法可以得到M.普朗克的輻射公式，以此反過來說明對應原理的處理是可行的。

另外一種辦法是利用A.愛因斯坦關於自發射幾率和吸收幾率間的關係。雖然這些辦法所得的結果可以和實驗結果符合，但在理論上究竟是與量子力學體系相矛盾的──量子力學的定態壽命為無限大。

輻射場

狄拉克、海森伯和泡利對輻射場加以量子化。除了得到光的波粒二象性的明確表述以外，還解決了上述矛盾。電磁場在量子化以後，電場強度和磁場強度都成為算符。它們的各分量滿足一定的對易關係，它們的“期待值”（即實驗中的測量平均值）應滿足量子力學的測不準關係，它們不可能同時具有確定值（即均方差同時為零）。作為一個特例，它們不可能同時確定為零。在沒有光子存在的狀態（它被稱為是輻射場的真空態）中，和的平均值為零。但與的平均值不為零（否則均方；差就同時為零了）。這就是量子化輻射場的真空漲落。它與量子力學中諧振子的零點能十分類似。場在量子化以後，產生和湮沒成為普遍的、基本的過程。因此在原子處於激發態時，雖然沒有光子存在，電子仍能向低能態躍遷並產生光子。從輻射場量子理論的表述出發，可以計算各種帶電粒子與電磁場相互作用基本過程的截面，例如康普頓效應、光電效應、軔致輻射、電子對產生和電子對湮沒等。這些結果都是用微擾論方法取最低級不為零的近似得到的，與實驗有較好的符合。但不論是那一種過程，計算高一級近似的結果時，一定遇到發散困難，即得到無限大的結果。這一點是J.R.奧本海默在1930年首先指出的。此後十幾年中，儘管在許多電磁基本過程的研究上，以及高能輻射在物質中的貫穿和宇宙線的級聯簇射等方面的研究上，量子電動力學繼續有所發展，但在解決基本理論中的發散困難上仍處於相對的停滯狀況。

修正

在新的理論表述形式下進行了各種過程的高階修正的計算，這些結果都滿足了由於實驗條件和精確度的提高對理論提出的愈來愈高的要求。量子電動力學是一種規範場的理論。將電磁作用和弱作用統一起來是量子場論的一個重要發展階段。電弱統一理論的標準模型以及描述強相互作用的量子色動力學都是屬於規範場理論的範疇。它們的建立都從量子電動力學的理論及方法中得到借鑑和啟示。從量子電動力學的研究中建立起來的重正化理論不僅用於粒子物理，而且對統計物理也是有用的工具（見相和相變、重正化群）。