Quantenelektrodynamik

Quạn|ten|elek|tro|dy|na|mik auch: Quạn|ten|elekt|ro|dy|na|mik 〈f.; -; unz.〉 Teil der Quantenfeldtheorie, der sich mit der Beschreibung der elektromagnet. Wechselwirkung zw. den Elementarteilchen befasst

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Quạnten|elektrodynamik,

 

Abkürzung QED, relativistische Quantenfeldtheorie zur vollständigen Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkung; sie stellt die Synthese von relativistischer Quantenmechanik und Elektrodynamik dar und behandelt die Wechselwirkung elektrisch geladener Materiefelder mit selbst hervorgerufenen und äußeren elektromagnetischen Feldern (z. B. Licht). Die relativistisch invariante Formulierung (Lorentz-Invarianz) der QED erfolgt für Materiefelder über die Dirac-Gleichung (Spin-½ -Felder, z. B. Proton, Elektron, Myon) oder die Klein-Gordon-Gleichung (Spin-0-Felder, z. B. π-Mesonen) und für das elektromagnetische Feld über die maxwellschen Gleichungen beziehungsweise die äquivalenten Wellengleichungen. Die ebenfalls lorentzinvariant durchzuführende Quantisierung der Felder führt auf geladene Elementarteilchen als Feldquanten der Materiefelder und Photonen als Feldquanten des elektromagnetischen Feldes (Eichbosonen). Die QED erlaubt die Beschreibung von Prozessen wie Erzeugung und Vernichtung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren und Photonen, des Compton-Effekts, der Entstehung von Bremsstrahlung, der Vakuumpolarisation (Polarisation) u. a. Auf ihr beruht das umfassende Verständnis aller Absorptions- und Emissionsvorgänge von elektromagnetischer Strahlung in Materie; die ausgezeichnete quantitative Übereinstimmung mit experimentellen Daten gehört zu den großen Erfolgen der QED. Hierzu zählt die Berechnung der anomalen magnetischen Momente des Elektrons und des Myons (Landé-Faktor des Elektrons g = 2,002 319 304), der Lamb-Shift, der Strahlungskorrekturen zu den verschiedenen Stoß- und Streuprozessen von Elektronen und Positronen sowie der Eigenschaften des Positroniums.

 

Formal werden die Elektronen in der Dirac-Gleichung als Viererspinoren (Spinor) und das elektromagnetische Feld in der Wellengleichung als Viererpotenzial (Vierervektoren) dargestellt und dann der Quantisierung unterzogen (Quantenfeldtheorie). Wegen der Kleinheit der Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung (α ≈¹/₁₃₇, Feinstrukturkonstante) kann man den Streuoperator in eine Störungsreihe entwickeln. Die dabei auftretenden divergenten Ausdrücke (Strahlungskorrekturen) lassen sich durch Renormierung der elektrischen Ladung und der Teilchenmasse beseitigen. Die einzelnen Entwicklungsterme können mithilfe von Feynman-Graphen veranschaulicht und berechnet werden.

 

Geschichte:

 

Die Entwicklung der QED begann durch P. A. M. Dirac 1927 mit der Anwendung der Quantentheorie auf das Strahlungsfeld und der Aufstellung der Dirac-Gleichung (und Vorhersage des Positrons) 1928. 1929 lieferten W. Heisenberg und W. Pauli eine relativistische Quantisierung des Strahlungsfelds, wobei erste prinzipielle Schwierigkeiten auftraten (unendlich große Selbstenergie des Elektrons). E. Fermi lieferte 1929/30 eine unabhängige Formulierung der QED. Während die störungstheoretische Behandlung in niedrigster Näherung gute Ergebnisse erzielte, führten die höheren Näherungen zum Auftreten neuer Divergenzen, die mit der Vakuumpolarisation zusammenhingen (Dirac 1934). Zu ihrer Umgehung schlug Heisenberg 1943 die S-Matrix-Theorie vor, die seitdem eine grundlegende Stellung in der Quantenfeldtheorie einnimmt. Die heute allgemein anerkannte und angewendete Form der QED wurde durch S. Tomonaga (1946/47), J. Schwinger (1948/49) und R. P. Feynman (1949), die dafür 1965 den Nobelpreis erhielten, sowie F. J. Dyson (1949) entwickelt. Ende der 60er-Jahre wurde die QED durch die Zusammenfassung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur Glashow-Salam-Weinberg-Theorie weiterentwickelt, die die Beschreibung hochenergetischer Streuprozesse mit Energieüberträgen von etwa 100 GeV ermöglicht (Nobelpreis 1979).

 

Literatur:

 

J. D. Bjorken u. S. D. Drell: Relativist. Quantenmechanik (a. d. Amerikan., 1966, Nachdr. 1992);

 S. D. Drell: Relativist. Quantenfeldtheorie (a. d. Amerikan. 1967, Nachdr. 1993);

 J. M. Jauch u. F. Rohrlich: The theory of photons and electrons (New York ²1976);

 

Quantum electrodynamics, hg. v. T. Kinoshita (Singapur 1990);

 W. B. Berestetzki u. a.: Q. (a. d. Russ., ⁷1991);

 R. P. Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts u. der Materie (a. d. Amerikan., ⁵1992);

 R. P. Feynman: Q. (a. d. Amerikan., ⁴1997).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Quantenphysik und eine neue Deutung der Naturgesetze