Quantenelektrodynamik

Quantenelektrodynamik, Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen. Die Quantenelektrodynamik ist auf der Grundlage der Quantentheorie und der speziellen Relativitätstheorie aufgebaut. Sie beinhaltet daher sowohl den Welle-Teilchen-Dualismus wie auch die Äquivalenz von Energie und Masse sowie die Lichtgeschwindigkeit als eine konstante Größe. Die Quantenelektrodynamik umfasst die klassische Maxwell’sche Theorie und bildet so die Grundlage für das Verständnis des Aufbaus der Atome und Moleküle, der festen Körper, der Flüssigkeiten und Gase. Sie beschreibt die Wechselwirkung der Materie mit Strahlung und damit insbesondere die Gesamtheit der Erscheinungen, die mit Entstehung, Ausbreitung und Absorption des Lichts oder, allgemeiner, jeder elektromagnetischen Strahlung zusammenhängen. Die Entwicklung hochintensiver Lichtstrahlen mit Hilfe von Lasern hat dabei zu neuen Anwendungen der Quantenelektrodynamik geführt. Die Quantenelektrodynamik ist eine Eichtheorie (siehe Eichfeldtheorie) mit den Photonen als den grundlegenden Teilchen. Entsprechend dem quantenmechanischen Dualismus kann die Wellennatur des Lichts, wie sie sich in Beugung, Brechung und Interferenz äußert, mit Hilfe der Photonen beschrieben werden. Die Photonen sind auch die Übermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen. Aufgrund der Masselosigkeit der Photonen ist diese Wechselwirkung, wie sie im Coulomb’schen Gesetz formuliert ist, von unendlicher Reichweite. Die fundamentalen Prozesse der Quantenelektrodynamik sind Emission und Absorption eines Photons durch die geladenen Materieteilchen. Alle komplizierteren Prozesse, wie z. B. die Bildung eines Wasserstoffatoms aus Elektron und Proton, können über diese fundamentalen Prozesse erzeugt werden.

Die Grundgleichungen der Quantenelektrodynamik wurden Ende der zwanziger Jahre des 20. Jahrhunderts durch Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli und Paul A. M. Dirac aufgestellt. Die Theorie erwies sich aber zunächst als physikalisch wenig sinnvoll. Unendlichkeiten in der Berechnung der Masse und Ladung des Elektrons konnten nicht gedeutet werden. Große mathematische Schwierigkeiten waren zu überwinden, bevor Shin’ichir Tomonaga, Richard P. Feynman und Julian Schwinger in den vierziger Jahren die Quantenelektrodynamik endgültig formulieren konnten. Wie keine andere physikalische Theorie ist die Quantenelektrodynamik in vielen Experimenten mit höchster Präzision überprüft und in ihren Vorhersagen bestätigt worden. So ergab der Vergleich zwischen den experimentell bestimmten und im Rahmen der Quantenelektrodynamik berechneten magnetischen Eigenschaften (magnetische Momente) von Elementarteilchen eine auf zwölf Stellen genaue Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Dies stellt einen der größten Erfolge der quantitativen, mathematischen Naturbeschreibung dar. Die Quantenelektrodynamik war die erste erfolgreiche Theorie einer fundamentalen Wechselwirkung. In den letzten 30 Jahren ist es gelungen, auch die starke und schwache Wechselwirkung im ähnlichen theoretischen Rahmen zu beschreiben; und so ist heute die Quantenelektrodynamik ein Teil des Standardmodells der Teilchenphysik.

Siehe auch Physik