Eksempel på Feynman-diagram i kvantefeltteori av Jan Olav Eeg. CC BY NC SA 3.0

Kvantefeltteori, videreføring av kvantemekanikken. I kvantemekanikk for f.eks. et hydrogenatom beskrives elektronet som beveger seg rundt kjernen ved hjelp av en bølgefunksjon, og den elektromagnetiske vekselvirkninga mellom elektronet og kjernen (protonet) ved et coulombpotensial. I kvantefeltteori vil elektronet beskrives ved hjelp av et elektronfelt og det elektromagnetiske feltet mellom elektronet og kjernen ved et fotonfelt. Mer generelt vil det i en kvantefeltteori svare et kvantefelt til hver partikkeltype. Et slikt kvantefelt er en abstrakt størrelse som beskriver skapning og destruksjon av partikler. En fysisk partikkel kan oppfattes som en eksitasjon av et tilhørende kvantefelt.

Den mest etablerte kvantefeltteorien er kvanteelektrodynamikk (forkorta QED) som beskriver vekselvirkninger mellom elektroner, positroner (elektronenens antipartikler) og fotoner (lyskvant). Denne teorien er, så langt man har kunnet måle, i samsvar med alle eksperiment. QED  kan illustreres ved såkalte Feynman-diagram (se R. P. Feynman, elementærpartikkelfysikk) der vekselvirkningene mellom elektronene (og positroner) beskrives som utveksling av ett eller flere fotoner. Fotonet kan altså oppfattes som kraftformidler i kvanteelektrodynamikken. Som eksempel vil utveksling av ett foton mellom to elektroner svare til vekselvirkning ved et coulombpotensial.  Teorien har den egenskapen at utveksling av to fotoner er mindre sannsynlig enn utveksling av ett foton; utveksling av tre fotoner er mindre sannsynlig enn utveksling av to fotoner, osv. (En snakker om en perturbativ ekspansjon, ei rekkeutvikling etter høgere og høgere potenser av finstrukturkonstanten \( \alpha \, = \, e^2/(2 \pi h c) \) der h er Plancks konstant og c er lysfarten. Numerisk er denne omtrent lik 1/137.

Også elektrosvak teori kan beskrives av en kvantefeltteori der vekselvirkningene mellom de forskjellige fermionene, dvs. forskjellige typer leptoner og kvarker, kan beskrives som utveksling av justerbosonene (kraftformidlerne): γ (fotonet), W+, W og Z. I motsetning til fotonet, som ikke har noen (hvile-)masse, er W±, Z svært tunge, omkring 90–100 protonmasser. Også sterk vekselvirkning mellom kvarker kan (ved energier noe større enn hvile-energien til protonet) beskrives som utveksling av ett eller flere gluoner.

I figuren til høgre ser vi eksempel på Feynman diagram. Øverst ser vi den fundamentale vekselvirkninga der et fermion f sender ut et vektor-boson (-juster-boson, kraftformidler, V) og blir til et nytt fermion f'.  I QED  er både f og f' et elektron, mens V er et foton \( \gamma \). Styrken i vekselvirkninga er \(g= g_\gamma =e \), der e er elementærladninga.  I elektrosvak vekselvikning kan V i tillegg til fotonet  også være W±  eller Z,  med styrke \(e,g_W\) eller \(g_Z\), som er av samme størrelsesorden som e. Her  kan f og f' være alle typer fermioner. Dersom V= W±  vil forskjellen i elektrisk ladning på f og f' være \(\pm 1\).  I sterk vekselvirkning (kvantekromodynamikk) er f og f' kvarker, V er et gluon og styrken er \(g_s\). 

I alle disse eksempla kan ikke \( f \rightarrow  V f' \) være en fysisk prosess. Men i eksemplet nederst   på figuren ser vi bildet på en fysisk prosess  \( f_1 + f_2  \rightarrow f_3 + f_4 \) med utveksling av vektorbosonet V , - dersom fermionene\(f_{1-4}\)  er leptoner. Dersom \(f_{1-4}\) er kvarker kan diagrammet være en subprosess der disse er inni hadroner (baryoner eller mesoner) ved kollisjoner mellom  hadroner . Her kan fermionene \(f_{1-4}\) være flere typer fermioner avhengig av hva V er. Dersom V er et foton svarer dette diagrammet til et Coulomb-potensial \(e^2/r\) der r er avstanden mellom partiklene. Dersom  V et tungt boson som W±  er et tungt boson, svarer diagrammet til svak vekselvirkning med kort rekkevidde.

I standard ikke-relativistisk kvantemekanikk er partikkeltallet bevart. Dette er ikke tilfelle i relativistisk kvantefeltteori der partikler kan oppstå og bli borte som kvantefluktuasjoner. Disse beskrives matematisk og illustreres som såkalte Feynman-diagram av løkke-type (eng. "loop diagrams"). Den mest kjente kvantefluktuasjons-effekten er  "vakuum-polarisasjon" i kvanteelektrodynamikk der et elektron-positronpar oppstår over et kort tidsrom og forsvinner. Denne effekten kan oppfattes som en modifikasjon av coulombpotensialet.

I noen sammenhenger, f.eks. ved beskrivelsen av bundne tilstander, kan ikke nødvendigvis kreftene mellom partiklene beskrives som en serie utvekslinger av justerbosoner. Andre (ikke-perturbative) metoder må da brukes. Dette gjelder spesielt i sterk vekselvirkning (kvantekromodynamikk), der den perturbative ekspansjonen bryter sammen ved energier mindre enn f.eks. 1 GeV. I noen enkle tilfelle i elektrodynamikk kan bundne tilstander løses eksakt innafor kvantemekanikk. Men som oftest er det problematisk å finne en tilfredsstillende beskrivelse. Ofte må en ty til tidkrevende numeriske simuleringer på kraftige datamaskiner, som f.eks  i kvantekromodynamikk. Mer eller mindre gode approksimasjoner er også i bruk.

Kvantefeltteori er også i bruk i andre deler av fysikken enn elementærpartikkelfysikk, f.eks. faststoffysikk.  Se også kvanteelektrodynamikk, kvantekromodynamikk, justerteori, elektrosvak teori, kvark og lepton.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.