Квантовая электродинамика

Исторически первой физической теорией, созданной на основе этих представлений, стала квантовая электродинамика, построенная в конце 1940-х гг. С. Томонагой, Р. Фейнманоми Дж. Швингером. Она описывает процессы электромагнитного взаимодействия, в которых участвуют элементарные электрически заряженные частицы:электроны(и/или их античастицы — позитроны) и гамма-кванты (частными примерами которых являются видимый свет, радиоволны и гамма-излучение, испускаемое радиоактивными ядрами). Первые из них имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, одинаковую для электронов и позитронов. Вторые характеризуются спином, равным единице и нулевой массой.

Простейшим примером электромагнитных процессов является рассеяние одного электрона (позитрона) на другом, происходящее с обменом гамма-квантом. Очевидно, что он физически эквивалентен процессу обычного кулоновского рассеяния, при этом обменный гамма-квант, не регистрируемый явно на эксперименте, называют виртуальным. Именно с такими квантами связывается кулоновское поле, при этом свойство его дальнодействия (точнее, бесконечного радиуса действия) есть прямое следствие того, что масса гамма-кванта равна нулю. Другим важным примером является процесс рождения электрон-позитронной пары из гамма-кванта в кулоновском поле ядер атомов или обратный этому процесс аннигиляции позитрона с электроном с рождением двух или трех гамма-квантов.

Для описания таких элементарных и более сложных процессов в квантовой электродинамике была разработана специальная техника фейнмановских диаграмм — графических рисунков, на которых свободные частицы описываются линиями, а их взаимодействие — пересечениями линий, узлами. Устанавливается строгое соответствие между диаграммой (любой степени сложности) и математическим выражением, которое позволяет рассчитать все физические характеристики описываемого этой диаграммой процесса. При этом элементарный акт электромагнитного взаимодействия, соответствующий рождению электроном (позитроном) реального или виртуального гамма-кванта, связывается с электрическим зарядом электрона е. При расчете физических характеристик процессов это приводит к появлению в их выражениях базовой константы электромагнитного взаимодействия б («постоянная тонкой структуры»), имеющей величину α = е²/4πђc= 1/137,0360037(33). Эта универсальная константа фактически определяет силу электромагнитного взаимодействия и является его главной характеристикой.