Kvantna Teorija Polja

QFT, Quantum field theory) je fizička teorija koja primjenjuje kvantnu mehaniku na fizičko polje. Kvantna teorija polja je rezultat kombinacije klasične teorije polja, kvantne mehanike i posebne relativnosti. Kvantna teorija polja čini temelje za najveći dio moderne teorijske fizike, posebice fizike elementarnih čestica.

Standardni model fizike elementarnih čestica je specijalni tip kvantne teorije polja, koja opisuje osnovnu strukturu materije i njenu interakciju. Primjena elektromagnetizma uzrokuje kvantnu elektrodinamiku, koja se koristi unutar atomske fizike. Moderna fizika kondenzirane materije koristi kvantnu teoriju polja za opisivanje nekih fenomena, npr. supervodiče. Unutar kozmologije kvantna teorija polja se koristi za opis fenomena koji se vjerojatno desio u ranom nastanku univerzuma, tzv. inflaciju svemira.

Kao uspešan teorijski radni okvir danas, kvantna teorija polja proizašla je iz rada generacija teorijskih fizičara 20. veka. Njen razvoj je počeo 1920-ih sa opisom interakcija između svetlosti i elektrona, kulminirajući u prvoj kvantnoj teoriji polja - kvantnoj elektrodinamici. Velika teorijska prepreka ubrzo je usledila sa pojavom i postojanošću raznih beskonačnosti u perturbativnim proračunima, problem koji je rešen tek pedesetih godina prošlog veka izumom renormalizacijske procedure. Druga velika prepreka bila je očigledna nesposobnost kvantne teorije polja da opiše slabe i jake interakcije, do te mere da su neki teoretičari tražili napuštanje teorijskog pristupa. Razvoj teorije kalibra i završetak Standardnog modela 1970-ih doveli su do renesanse kvantne teorije polja.

Kvantnu teoriju polja razvijao je veliki broj znanstvenika ali za prve temelje zaslužni su između ostalih: Paul Dirac, Vladimir Fock, Wolfgang Pauli, Tomonaga Shinichrō, Hans Bethe, Robert Oppenheimer, Julian Schwinger, Richard Feynman i Freeman Dyson.

 

Najstarija uspešna klasična teorija polja je ona koja je nastala iz Njutnovog zakona univerzalne gravitacije, uprkos potpunoj odsutnosti koncepta polja iz njegovog traktata iz 1687. godine Matematički principi prirodne filozofije. Sila gravitacije koju opisuje Njutn je „akcija na daljinu” - njeni efekti na udaljene objekte su trenutni, bez obzira na udaljenost. Matematički fizičari su tek u 18. veku otkrili prikladan opis gravitacije na osnovu polja - numeričke veličine (vektor) dodeljene svakoj tački u prostoru koja ukazuje na delovanje gravitacije na bilo koju česticu u toj tački. Međutim, ovo se smatralo samo matematičkim trikom.

Polja su počela da preuzimaju sopstveno postojanje sa razvojem elektromagnetizma u 19. veku. Majkl Faradej je 1845. skovao engleski termin „polje” (engl. field). On je unosio polja kao svojstva prostora (čak i kada je lišen materije) koja imaju fizičke efekte. On se protivio „akciji na daljinu" i predložio da se interakcije između objekata odvijaju kroz „linije sile” koje ispunjavaju prostor. Ovaj opis polja ostaje do danas.

Teorija klasičnog elektromagnetizma završena je 1862. godine sa Maksvelovim jednačinama, koje su opisale odnos između električnog polja, magnetnog polja, električne struje i električnog naboja. Maksvelove jednačine podrazumevale su postojanje elektromagnetnih talasa, fenomen gde se električna i magnetska polja šire iz jedne prostorne tačke u drugu pri konačnoj brzini, koja ispada da je brzina svetlosti. „Akcija na daljinu” je tako konačno odbačena.

Uprkos ogromnom uspehu klasičnog elektromagnetizma, nije mogao da uzme u obzir diskretne linije u atomskom spektru, niti raspodelu zračenja crnog tela u različitim talasnim dužinama. Plankovo istraživanje zračenja crnog tela označilo je početak kvantne mehanike. On je tretirao atome, koji apsorbuju i emituju elektromagnetno zračenje, kao sitne oscilatore sa ključnim svojstvom da njihove energije mogu da preuzmu samo niz diskretnih, a ne kontinuiranih vrednosti. Oni su poznati kao kvantni harmonički oscilatori. Ovaj proces ograničavanja energije na diskretne vrednosti zove se kvantizacija. Na osnovu ove ideje, Albert Ajnštajn je predložio 1905. godine objašnjenje za fotoelektrični efekat, da se svetlost sastoji od pojedinačnih paketa energije koji se nazivaju fotoni (kvant svetlosti). To implicira da elektromagnetno zračenje, dok su talasi u klasičnom elektromagnetnom polju, takođe postoji u obliku čestica.

Nils Bor je 1913. godine uveo Borov model atomske strukture, pri čemu elektroni unutar atoma mogu preuzeti samo niz diskretnih, a ne kontinuiranih energija. Ovo je još jedan primer kvantizacije. Borov model uspešno je objasnio diskretnu prirodu atomskih spektralnih linija. Godine 1924. Luj de Broj je predložio hipotezu o dualnosti talasa i čestica, da mikroskopske čestice pokazuju osobine i talasa i čestica u različitim okolnostima. Ujedinjavanje ovih raspršenih ideja, koherentna disciplina, kvantna mehanika, formulisana je između 1925. i 1926. godine, sa važnim doprinosima de Broja, Vernera Hajzenberga, Maksa Borna, Ervina Šredingera, Pola Diraka i Volfganga Paulija.

Iste godine kada je izašao i njegov rad o fotoelektričnom efektu, Ajnštajn je objavio svoju teoriju posebne relativnosti, izgrađenu na Maksvelovom elektromagnetizmu. Nova pravila, nazvana Lorencova transformacija, data su za način na koji se vremenske i prostorne koordinate događaja menjaju pod promenama brzine posmatrača, a razlika između vremena i prostora je zamagljena. Predloženo je da svi fizički zakoni moraju biti isti za posmatrače pri različitim brzinama, tj. da su fizički zakoni invarijantni pod Lorencovim transformacijama.

Ostale su još dve teškoće. Šredingerova jednačina, na kojoj se temelji kvantna mehanika, mogla bi objasniti stimulisanu emisiju zračenja iz atoma, gde elektron emituje novi foton pod delovanjem spoljnog elektromagnetnog polja, ali nije mogla objasniti spontanu emisiju, gde se elektron spontano smanjuje u energiji i emituje foton čak i bez dejstva spoljašnjeg elektromagnetnog polja. Teorijski, Šredingerova jednačina nije mogla da opiše fotone i bila je u suprotnosti sa principima posebne relativnosti - vreme tretira kao običan broj, dok promoviše prostorne koordinate za linearne operatore.

• Polje
• Kvantna mehanika
• Teorija relativnosti
• Kvantna elektrodinamika