量子电动力学

其中最令人信服的现象证明量子的本质光如下。随着光的强度越来越暗，人们可以看到个人广达电脑被记录在光探测器中。如果眼睛的敏感度提高了10倍左右，人们就会把越来越弱的光源发出的单个光脉冲视为越来越少的等强度闪光。此外，还制作了一部关于双缝形成的电影干扰由单个光子构成的图案，如图中所示图9．光子是粒子，但它们的行为与台球等普通粒子不同。它们的行为规则，它们与电子和其他带电粒子的相互作用，以及带电粒子之间的相互作用，构成QED。

光子是由电子和其他物质的运动受到扰动而产生的带电粒子；反过来，光子可以消失，从而产生一对带相反电荷的光子粒子通常是一个粒子和它的反粒子(例如，an电子和一个正电子)．对这个的描述亲密的带电粒子与电磁粒子之间的相互作用辐射需要一个两者都包含的理论量子力学和狭义相对论．这种理论的基础，被称为相对论量子力学于1929年开始铺设保罗点狄拉克，海森堡,沃尔夫冈·泡利．

下面的讨论简要地解释了原理概念上的QED元素。有关此主题的进一步资料，请参阅亚原子粒子:现代理论的发展而且量子力学．

自然界中的许多现象并不依赖于科学测量的参考尺度。例如，在电磁电势的差异是相关的，但不是其绝对大小。在20世纪20年代，甚至在量子力学出现之前，这位德国物理学家赫尔曼·韦尔讨论了建立独立于某一参考系或某一参考系的绝对量的物理理论的问题参数不仅是局部，而是整个太空。他称这个性质为" Eichinvarianz "这是这个术语的概念来源“规范不变性”这在所有现代量子场论中起着至关重要的作用。

在量子力学中，所有可观测的量都是从所谓的波函数的复杂数学函数阶段的因素。这个相位的绝对大小与由此计算出的可观测量无关波函数;因此，描述电子运动的理论，例如，当它的波函数的相位在空间中的任何地方都发生变化时，它的运动应该是相同的。这个相位的要求不变性,或计不变性，相当于要求总负责是守恒的，不会在物理过程或相互作用中消失。人们在实验上确实观察到电荷在本质上是守恒的。

事实证明，如果相互作用是由具有光子所有属性的无质量和无电荷实体介导的，则带电粒子的相对论量子理论可以成为规范不变的。库仑定律带电粒子之间的力可以从这个理论推导出来，并且光子可以被看作是一个“信使”粒子，在带电粒子之间传递电磁力。在这个理论中，麦克斯韦方程因为电场和磁场是量子化的。

一个质量非零的粒子所产生的力的范围是它的康普顿波长h/mc,哪个电子是2 × 10⁻¹⁰厘米。由于这个长度比强核力作用的距离大，QED是一个非常精确的电子理论。

尽管概念上的尽管QED理论很优雅，但通过应用它来计算特定物理情况的结果却很困难。理查德·p·费曼独立,朱利安·s·施温格而且弗里曼-戴森的美国而且Tomonaga Shin 'ichirō日本的一项研究表明，人们可以用a来计算相互作用的影响幂级数其中耦合常数称为精细结构常数它的值接近于¹/₁₃₇．一个严重的实际困难出现了，当这个数列中的每一项都必须求和才能得到一个观测量的值时，结果却是无限大。简而言之，计算结果毫无意义。然而，人们最终发现，可以通过引入“重整化”耦合和粒子质量来避免这些散度，这是荷兰物理学家提出的一个想法亨德里克·a·克雷默斯．就像船在水中航行一样增强质量来自于它所拖拽的流体，所以电子与自身的磁场相互作用，它的质量和电荷与没有磁场时是不同的。通过在裸质量和电荷中加入适当的电磁分量——也就是说，通过使用重整量——可以从理论中去除令人不安的无穷。利用这种重整化方法和摄动理论，费曼开发了一种优雅的形式，用于计算与电磁辐射与物质相互作用有关的观测过程的可能性，以达到所需的精确程度。例如，电子或光子通过双狭缝的过程图9将在这种QED形式中，在照相板上产生观测到的干涉图案，因为这些粒子可以通过狭缝的所有可能路径的叠加。

统一的成功电，磁性和光结合在一个电磁学理论中，然后与带电粒子的相互作用结合在量子电动力学理论中，这表明了理解自然界中所有力(引力、电磁、弱核,强大的核),表现的大统一理论(直觉)。在这个方向上迈出的第一步是在20世纪60年代总部设在Abdus Salam，Steven Weinberg,谢尔登•格拉肖，他制定了电弱理论，即电磁力和弱核力的结合。这个理论预言弱核力是通过三个指定的信使粒子在物质粒子之间传递的W⁺W⁻,Z这很像电磁力通过光子传递的方式。这三种新粒子是在1983年的实验中发现的欧洲核研究组织(欧洲核子研究中心)，一个大型加速器日内瓦附近的实验室。这胜利因为电弱理论代表了对产生宇宙中众多物理现象的力和相互作用的更深理解的另一块垫脚石。