基本信息
中文名称:量子电动力学

外文名称:Quantum Electrodynamics

 
研究范畴:电磁场与带电粒子的量子相互作用

上属学科:物理学

学科概况
量子电动力学是量子场论发展中历史最长和最成熟的分支，简写为QED。它主要研究电磁场与带电粒子相互作用的基本过程。在原则上，它的原理概括了原子物理、分子物理、固体物理、核物理及粒子物理各领域中的电磁相互作用过程。它研究电磁相互作用的量子性质(即光子的发射和吸收)、带电粒子(例如正负电子)的产生和湮没以及带电粒子之间的散射、带电粒子与光子之间的散射等。从应用范围的广泛、基本假设的简单明确、与实验符合程度的高度精确等方面看，在现代物理学中是很突出的。

量子电动力学发展过程

1925年量子力学创立之后不久，P.A.M.狄拉克于1927年、W.K.海森伯和W.泡利于1929年相继提出了辐射的量子理论，奠定了量子电动力学的理论基础。

在量子力学范围内，可以把带电粒子与电磁场相互作用当作微扰，来处理光的吸收和受激发射问题，但却不能处理光的自发射问题。因为如果把电磁场作为经典场看待，在发射光子以前根本不存在辐射场。原子中处于激发态的电子是量子力学中的定态，没有辐射场作为微扰，它就不会发生跃迁。自发射是确定存在的事实，为了解释这种现象并定量地给出它的发生几率，在量子力学中只能用变通的办法来处理。

一个办法是利用对应原理，把原子中处于激发态的电子看成是许多谐振子的总和，把产生辐射的振荡电流认定与量子力学的某些跃迁矩阵元相对应，用以计算自发射的跃迁几率。从这个处理办法可以得到M.普朗克的辐射公式，以此反过来说明对应原理的处理是可行的。

另外一种办法是利用A.爱因斯坦关于自发射几率和吸收几率间的关系。虽然这些办法所得的结果可以和实验结果符合，但在理论上究竟是与量子力学体系相矛盾的──量子力学的定态寿命为无限大。

实验发现
1947年实验物理学提出了挑战。在此以前，狄拉克相对论波动方程对描述电子行为是十分成功的:它能预指出电子自旋为1/2,磁矩

(称为玻尔磁子)，所给出的氢原子能级和实验也符合得较好。由于实验技术的迅速发展，更精确的测量给出氢原子的2P1/2和2S1/2态能量稍有差别，而狄拉克方程给出这两个状态能量相同。这个差别称为兰姆移位。另外，电子磁矩也略偏离于一个玻尔磁子。在此以前曾考虑过，电子是要和电磁辐射场的真空涨落相互作用的。但计算这种相互作用能遇到了发散困难，因此被搁置起来。在确切的实验结果面前，就非解决不可了。兰姆移位发现后一年，H.A.贝特就作了一个估算。他考虑处于2S1/2和2P1/2态的电子和真空涨落的相互作用能虽然都是无限大，但经过一些近似处理它们的差可得出有限值，而且和实验定性符合。于是如何从无限大中分出有意义的有限部分就成为一系列新的计算的共同指导思想，虽然这些尝试都还比较成功，但它们都有一个共同的问题:从无限大分出有意义的有限结果的过程都很繁琐而且不很可靠。因此需要找出明确、简洁而且在理论上有根据的办法，它的结果还要和实验符合。

新的理论体系是由R.P.费因曼、J.S.施温格、朝永振一郎、F.J.戴森等人在1948~1949年建立的。他们用"重正化"的概念把发散量确切而不含混地归入电荷与质量的重新定义之中，从而使高阶近似的理论结果都不再包含发散。发散量的处理充分利用了相对论协变性和规范不变性。新理论表述之所以能够作到确切地处理发散量，是因为从一开始就把理论表述严格地建立在相对论协变形式及规范不变要求的基础之上。