ELEKTROMAGNETICKÁ INTERAKCE
Základní informace
Trocha historie![]() To, že jevy elektrické a magnetické mají společnou podstatu (proměnná elektrická pole vytvářejí pole magnetická a proměnná magnetická pole vytvářejí pole elektrická), objevili ve svých experimentech a teoretických pracích Michael Faraday, Andre Marie Ampere, Hans Christian Orsted, Heinrich Hertz a Guglielmo Marconi (bezdrátová telegrafie). Završením těchto prací byla teorie elektromagnetického pole formulovaná Jamesem Clercem Maxwellem a Heinrichem Hertzem (1873). Dnešní podoba Maxwellových rovnic pochází od Olivera Heavisidea. Maxwell správně rozpoznal, že světlo je příčné elektromagnetické vlnění. Mezi různými souřadnicovými systémy se Maxwellovy rovnice transformují pomocí Lorentzovy transformace. Právě odlišnost transformačních vlastností Maxwellových rovnic od rovnic klasické mechaniky vedla ve svých důsledcích ke vzniku speciální teorie relativity.
Na počátku 20. století bylo stále zřejmější, že matematické prostředky, které využíváme k popisu makroskopických jevů, selhávají při popisu mikrosvěta (záření černého tělesa, spektrum atomu, Heisenbergovy relace neurčitosti, dualita vlna-částice, fotefekt, ...). Byl třeba nový, kvantový přístup k popisu jevů, který využívá nekomutujících objektů. To je nutné, uvědomíme-li si, že například sám akt měření není komutativní (různé výsledky dosáhneme, změříme-li v mikrosvětě nejprve rychlost a poté polohu částice, nebo provedeme-li měření v obráceném pořadí. U zrodu kvantové teorie stáli Max Planck, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Wolfgang Pauli, Max Born a mnozí další. První verze kvantových teorií (Schrödingerova rovnice, Heisenbergova maticová mechanika) byly nerelativistické. K relativistické kvantové teorii přispěli zejména Oskar Klein, Walter Gordon (Kleinova-Gordonova rovnice pro částice s nulovým spinem, 1927) a Paul Adrien Maurice Dirac (Diracova rovnice pro částice s poločíselným spinem, 1928). Právě Diracova rovnice, jako rovnice vhodná pro popis elektronu, znamenala další zvrat v elektromagnetické teorii. Na jejím základě předpověděl Dirac existenci pozitronu, první antičástice. Na základě Diracovy rovnice byla vybudována kvantová elektrodynamika. Za její tvorbu získali Richard Philips Feynman, Julian Schwinger a Shin-Ichiro Tomonaga Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1965.
Doplníme-li do Diracovy rovnice symetrii U(1)loc, objeví se přirozenou cestou v rovnici pro elektron další pole – elektromagnetické pole. Právě doplňování symetrií do rovnic se dnes stalo základním způsobem tvorby nových fyzikálních zákonů (hovoříme o tzv. kalibračních teoriích, teoriích postavených na transformačních symetriích fyzikálních zákonů). První takto vytvořenou teorií byla kvantová teorie elektromagnetického pole (P. A. M. Dirac, Richard Phillips Feynman). Komplikovaný aparát kvantové teorie byl zjednodušen do grafických zkratek, které dnes známe pod názvem Feynmanovy diagramy. Podle kvantové teorie pole je elektromagnetické pole kvantováno, základním kvantem je foton, který současně tvoří výměnnou (polní, intermediální) částici zprostředkující elektromagnetickou interakci. Elektrický náboj je stíněn přítomností párů elektron–pozitron ve vakuu. Dostaneme-li se k elektronu na velmi malé vzdálenosti, jeho náboj roste. Pozorovaný elektrický náboj je stíněný náboj, skutečný náboj nazýváme holý náboj elektronu. Základní konstanta interakce (elektrický náboj) tak není ve skutečnosti konstantní, ale mění se v závislosti na energii částic (čím energetičtější částice, tím blíže elektronu se mohou přiblížit).
Feynmanovy diagramyFeynmanovy diagramy jsou zástupné grafické zkratky pro jednotlivé členy rozvoje rovnic kvantové teorie elektromagnetického pole do řady. Každému diagramu odpovídá konkrétní matematický výraz a pro sestavování diagramů platí jednoduchá pravidla.
Základní diagram elektromagnetické interakce lze interpretovat šesti způsoby:
Typické elektromagnetické procesyPočet vrcholů diagramu odpovídá pořadí v odpovídající řadě a amplituda pravděpodobnosti dějů s každým dalším vrcholem klesá v poměru, který nazýváme konstanta jemné struktury: α = e2/4πε0ħc ~ 1/137 . Jedině linie s volnými konci jsou skutečné částice, které lze registrovat v našich přístrojích. Linie, které začínají a končí ve vrcholu odpovídají tzv. virtuálním částicím, které nesplňují Heisenbergovy relace neurčitosti. Tyto částice nikdy nemůžeme registrovat v přístrojích (nemají volné konce linií), jde například o intermediální (polní) částice. Uveďme některé jednoduché Feynmanovy diagramy:
|