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Eletrodinâmica quântica

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Teoria quântica de campos
História

Aeletrodinâmica quântica (EDQ), é ateoria quântica de campo voltada para o estudo das interações entre aluz e amatéria, descrevendo matematicamente todos os fenômenos envolvendopartículas eletricamente carregadas interagindo por meio de troca defótons, o que lhe permitiu ser a teoria onde o acordo total entre amecânica quântica e arelatividade especial fosse alcançado.[1][2][3] No entanto, estas partículas também estão sujeitas a forças não eletromagnéticas, ou seja, as interações de força forte e fraca.[1]

De maneira direta, a EDQ pode ser explicada como uma forma muito precisa de calcular aprobabilidade da quantidade, posição emovimento de partículas, mesmo aquelas semmassa, como a exemplo dos fótons.[2] Dessa forma, a eletrodinâmica quântica não só é oarquétipo de todas as teorias de campo modernas, como também é de grande importância por si só, uma vez que fornece a base teórica para afísica atômica.[1]

História

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Contextualização

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Em sua maioria, os líderes nos desenvolvimentos fundamentais da eletrodinâmica quântica foram os mesmos físicos cujo foco em questões conceituais levou à mecânica quântica totalmente interpretada em 1927, sendo eles:Niels Bohr,Paul Dirac,Werner Heisenberg eWolfgang Pauli. As deduções e análises desses 4 grandes nomes da física, por volta da década de 1930, tiveram forte impacto na problemática abrangente da eletrodinâmica quântica e sua reformulação projetada como uma teoria quântica de campo, ou seja, uma versão da teoria quântica consistente com relatividade especial einvariância de gauge que pudesse tratar sem divergências a interação entre fótons eelétrons, e que fosse extensível àforça nuclear.[4]

Niels Bohr

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Antes das contribuições deMax Planck eAlbert Einstein para a análise da física parapartículas subatômicas, os cientistas lidavam com sistemas físicos nos quais as representações usuais deespaço etempo dafísica clássica eram consideradas confiáveis e, portanto, podiam ser extrapoladas para qualquer tipo de matéria em movimento, por exemplo, os elétrons se movem como bolas de bilhar e a luz se comporta de forma análoga àsondas de água, dessa forma, assumindo uma imagem visual abstraída defenômenos que realmente testemunhamos no mundo daspercepções sensoriais.[5]

Físico Niels Bohr

Na primeira década do século XX, o consenso entre os físicos era de que seria encontrado um método para estender nossa intuição da física clássica para o domínio atômico. Eles acreditavam que as leis que regem o comportamento de átomos individuais não seriamestatísticas. Niels Bohr enfatizou que símbolos matemáticos damecânica clássica permitiam a visualização do átomo como um minúsculo sistema copernicano. Embora leis adequadamente quantizadas da mecânica clássica sejam usadas para calcular as órbitas permitidas do elétron, ou estados estacionários, a mecânica clássica não pode descrever o elétron em trânsito. Em sua trajetória, o elétron orbital se comporta como ogato de Cheshire, pois osalto quântico, ou "descontinuidade essencial", não é possível de ser visualizado. Em contraste, a eletrodinâmica clássica não poderia explicar nenhuma característica daradiação emitida na transição. Em 1918, Bohr propôs um método para estender aeletrodinâmica clássica para o reino doátomo por meio do que ele chamaria, em 1920, de"princípio de correspondência".[5][6]

Em 1923, a imagem de um átomo planetário estava começando a ser questionada. Além de sua falta de sucesso em lidar com átomos mais complexos que ohidrogênio, o problema dadispersão alterou drasticamente ateoria atômica de Bohr, visto que a resposta dos elétrons atômicos à luz incidente nem sempre poderia ser correlacionada com seu simples movimento emórbitas keplerianas. Nesse mesmo ano,Niels Bohr propôs que as "dificuldades fundamentais" enfrentadas por sua teoria tinham seu denominador comum no problema da interação da luz com os átomos, pois o ponto chave era conciliar as descontinuidades essenciais da física atômica com a continuidade inerente da eletrodinâmica clássica. Com isso, essas dificuldades juntas a outros fenômenos reforçaram a crença de Bohr de que uma descrição livre de contradições dos processos atômicos não poderia ser alcançada pelo uso de concepções emprestadas da eletrodinâmica clássica.[6]

Em 1924,Bohr,Hendrik Kramers eJohn C. Slater forneceram uma maneira de evitar a interpretação doefeito Compton em termos dequanta de luz. Eles consideraram o efeito Compton da seguinte forma: Cada elétron iluminado no cristal alvo emitewavelets secundários coerentes que podem ser entendidos como o tipo usual de luz espalhada de umoscilador harmônico. Como consequência do campo de radiação virtual, o elétron espalhado tem uma probabilidade de ter momento em qualquer direção. Dessa forma, o efeito Compton pode ser entendido como um processo contínuo. Bohr considerou necessária uma versão tão radical de sua teoria para evitar a circunstância paradoxal de ter que lidar com uma entidade que pode sersimultaneamente onda e partícula.[7]

Em 1925, com a refutação experimental dateoria de Bohr-Kramers-Slater, e com a possibilidade de que oquantum de luz pudesse ser real, Bohr renunciou relutantemente a "imagens intuitivas" deprocessos atômicos, ao mesmo tempo em que aceitou as leis de conservação para processos atômicos individuais.[8]

Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli e Erwin Schroedinger

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Físico Erwin Schroedinger (1933)

Após os estudos, análises e contribuições deNiels Bohr, é possível dizer que a representação de seuoscilador virtual foi central para a formulação de Heisenberg da nova mecânica quântica oumecânica matricial em junho de 1925, baseada, exclusivamente, em relações entregrandezas que, em princípio, são empiricamente observáveis. Embora a renúncia à imagem de um elétron ligado tivesse sido um pré-requisito necessário para a invenção da nova mecânica quântica por Heisenberg, a falta de uma interpretação intuitiva era de grande preocupação para Bohr e Heisenberg. Essa preocupação emerge de seus trabalhos científicos do período 1925 a 1927.[8]

Com a publicação, no início de 1926, damecânica ondulatória deErwin Schroedinger, a busca por algum tipo de visualização dosprocessos atômicos intensificou-se e tomou um rumo subjetivo na literatura científica publicada. Schroedinger, em 1926, escreveu que formulou a mecânica ondulatória porque sentia-se desencorajado por falta de visualização da mecânica quântica. Ele ofereceu uma representação visual baseada em uma intuição bastante focada no que testemunhamos sensorialmente por meio de processos atômicos que ocorrem sem descontinuidades, comofenômenos ondulatórios. Dessa forma, em meados de 1926, havia duas teorias atômicas aparentemente diferentes, a mecânica quântica de Heisenberg, que era baseada nateoria corpuscular e a mecânica ondulatória de Schroedinger baseada na matéria comoondas, em que seu aparato matemático familiar levou a um avanço calculista, e sua pretensão de restaurar a intuição habitual foi bem recebida por muitos físicos, incluindoAlbert Einstein.[8]

Físico Werner Heisenberg

Nessa situação, Heisenberg descobriu a forma de incluir aestatística de Bose-Einstein, que permite descrever um sistema quântico constituído de muitas partículas idênticas e calcular os valores médios das grandezas físicas, juntamente aoprincípio de exclusão de Pauli,[9] assim, a redução dospesos estatísticos, ou número de estados possíveis, para um, deve-se à estatística de Bose-Einstein, e o fato de o estado adequado serantissimétrico é devido ao princípio de exclusão de Pauli. A estatística restringe, também, o conceito de movimento do elétron porque, nesse caso, seria necessário falar do movimento ou damatriz que representa o movimento. E a partir dessa colocação, seria possível lidar com elementos matriciais para transições entre todos os sistemas de termos possíveis.[10]

Num trabalho posterior intitulado "Mecânica Quântica", Heisenberg aproximou-se da explicação correta de que a redução dos pesos estatísticos de Bose-Einstein só é possível para partículas indistinguíveis, e, com os elétrons, essa equivalência existe naturalmente. Consequentemente, não há visualização clássica para a energia de troca. Sendo essa energia também capaz de explicar a estabilidade doátomo de hélio, um problema insolúvel nafísica atómica de Bohr, com os seus conceitos clássicos de visualização e intuição.[10]

Físico Wolfgang Pauli

Durante a última parte de 1926 e a primavera de 1927, emCopenhaga, Bohr e Heisenberg lutaram para encontrar uma interpretação física da mecânica quântica. O artigo de revisão de Heisenberg de setembro de 1926, "Quantum Mechanics", permitiu aos leitores vislumbrar as suas lutas e traz um gancho para a investigação do próprio Heisenberg sobre eletrodinâmica quântica. Heisenberg sublinhou que a nossa visão não podia ser extrapolada para o domínio atômico, porque o elétron e oátomo não possuem qualquer grau de realidade física como os objetos da experiência cotidiana, assim, a investigação do tipo de realidade física que é própria dos elétrons e dos átomos é, precisamente, o tema da mecânica quântica. Na opinião de Heisenberg, os problemas fundamentais da mecânica quântica tinham passado para o domínio dafilosofia.[11]

Por fim, depois de repetidas advertências ao longo do artigo contra interpretações intuitivas da mecânica quântica, Heisenberg concluiu que houve um erro na sua imagem da estrutura damatéria para uma interpretação intuitiva livre de contradições das experiências.[11][12]

Paul Dirac

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Ateoria da transformação de Dirac, em 1926, forneceu o quadro matemático que faltava às tentativas de Heisenberg e Pauli de relacionar medições de variáveis canonicamente conjugadas. O ponto central do trabalho de Dirac foi que aamplitude daprobabilidade de Born é a função de transformação entre diferentes representações, por exemplo,posição eenergia.[12]

Em 1927, Paul Dirac tornou-se uma figura conhecida na comunidade científica devido aos seus muitos trabalhos pioneiros. Nessa época, Dirac estava trabalhando na teoria quântica relativística dos elétrons. Embora aequação de Klein-Gordon já existisse naquela época, Dirac acreditava que o problema não havia sido resolvido, pois essa equação pode fornecer probabilidades negativas, que não podem ser explicadas pela interpretação probabilística da mecânica quântica.[13][14]

Apenas em 1928, Dirac propôs aequação relativística que descreve os elétrons, aequação de Dirac, e descobriu a matriz 2x2 que descreve ospin independentemente do trabalho de Wolfgang Pauli.[15] Esse feito levou Dirac a prever a existência daantipartícula do elétron, opósitron.[16] Os pósitrons foram confirmados em 1932 pela observação deraios cósmicos deCarl Anderson. Além disso, a equação de Dirac também permitia explicar ospin como umfenômeno relativístico.

Físico Paul Dirac (1933)

Como ateoria do decaimento beta deEnrico Fermi, desenvolvida em 1934, envolve a destruição e criação de partículas, a equação de Dirac é interpretada como a equação de campo de qualquer partícula pontual comspin ħ/2, na qual o processo dequantização de campo inclui alei comutativa inversa. Com isso, nesse mesmo ano, Heisenberg reinterpretou a equação de Dirac como a equação de campo para todas aspartículas elementares, agora abrangendo osquarks eléptons, recebendo o nome deequação de campo de Dirac. Na física teórica, esta equação de campo ocupa a mesma posição central que aequação de Maxwell, ateoria de calibre de Yang-Mills e aequação de campo de Einstein. E, por meio de todas essas contribuições, Dirac é considerado o fundador da eletrodinâmica quântica e a primeira pessoa a usar o termo eletrodinâmica quântica.[13]

Portanto, é possível afirmar que Paul Dirac fez muitas contribuições inovadoras àfísica. Os impactos de seus trabalhos permitiram a integração da mecânica matricial de Werner Heisenberg com a mecânica ondulatória deErwin Schroedinger para desenvolver a estrutura matemática básica da mecânica quântica. A equação que leva seu nome, aequação de Dirac, permitiu que fosso possível descrever o comportamento físico dosférmions, explicar ospin das partículas e, principalmente, prever a existência deantipartículas. Além disso, ele também desempenhou um papel pioneiro naintegral de caminho e nasegunda quantização, estabelecendo uma base importante para o desenvolvimento posterior da eletrodinâmica quântica.

No entanto, nos estudos subsequentes deFelix Bloch,Arnold Nordsieck eVictor Weisskopf, nos anos de 1937 e 1939, foram descobertos que tais cálculos só poderiam ser realizados em microescalas de primeira ordem para obter resultados confiáveis na teoria. Além disso, esse problema já havia sido apontado porRobert Oppenheimer já em 1930.[17] Em ordens superiores, infinitos aparecem na sequência, tornando os cálculos completamente sem sentido, por conta disso os físicos tiveram muitas dúvidas se essa teoria era realmente consistente. Não havia resposta para esta questão na época, pois esse cenário parecia surgir porque arelatividade especial e ateoria quântica eram fundamentalmente incompatíveis.

Shinichirō Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman

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Físico Shinichirō Tomonaga

As dificuldades dessas teorias continuaram até o final da década de 1940, quando o avanço da tecnologia demicro-ondas permitiu aos físicos medir com mais precisão a transferência donível de energia dos átomos dehidrogênio,[18] que é hoje conhecido comodeslocamento de Lamb e omomento magnético eletrônico.[19] Estas experiências revelaram claramente diferenças que as teorias da época não conseguiam explicar. O possível ponto de avanço foi proposto pela primeira vez em 1940 quandoHans Bethe desenvolveu suas teorias sobre aspropriedades atômicas.

Com base nas intuições trabalhadas por Bathe,Shinichiro Tomonaga,Julian Schwinger,Richard Feynman eFreeman Dyson publicaram uma série de artigos básicos sobre eletrodinâmica quântica e notaram o surgimento uma expressão completamente covariante que finalmente tornou finita a sequência de perturbação da eletrodinâmica quântica de qualquer ordem. Por suas contribuições nesta área, Shinichiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman ganharam conjuntamente oPrêmio Nobel de Física de 1965.[20][21][22][23][24] A contribuição dos três, assim como a deFreeman Dyson, é a formulação covariante e invariante de calibre da eletrodinâmica quântica, que permite aos físicos calcularem quantidades consideráveis em sequências de perturbação de qualquer ordem. As técnicas matemáticas de Feynman, baseadas em diagramas criados por ele mesmo, pareciam muito diferentes dos métodos de resolução de problemas de Schwinger e Tomonaga, baseados na teoria de campo e em operadores. Mais tarde, porém, Freeman Dyson provou que esses dois métodos são na verdade iguais.[25] A EDQ precisa dar significado físico a certas divergências na teoria por meio da integração e essa necessidade é arenormalização, que se tornou a base da teoria quântica de campos e mais tarde se tornou um critério para determinar se uma teoria pode ser aceita. Embora a utilidade computacional da renormalização seja surpreendentemente boa, Feynman nunca esteve totalmente confiante em sua validade matemática, chegando até a considerar a renormalização de uma espécie de "truque".[26]

Contribuições de Feynman

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Físico Richard Feynman

É possível considerar que a maior contribuição de Richard Feynman à física foi o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica. Entretanto, outro fator bastante relevante na sua contribuição ao estudo e análise de partículas é a criação de seus diagramas, pois a partir deles, a física teve um grande avanço em cálculos que antes não eram possíveis. Osdiagramas de Feynman não são apenas uma ferramenta auxiliar para simplificar os cálculos matemáticos na eletrodinâmica quântica, mas também possibilitam uma melhor compreensão dos fenômenos, embora não devam ser interpretados com uma representação do processo físico de fato.[27]

Feynman introduziu os diagramas em 1948, onde a interação daspartículas subatômicas era complexa e difícil de entender, dessa forma seus diagramas forneciam uma visualização mais simples do que por meio de uma fórmula misteriosa e abstrata. De acordo com David Kaiser, "Desde meados do século XX, os físicos teóricos têm recorrido cada vez mais a esta ferramenta para ajudá-los a realizar cálculos críticos. Assim, os diagramas de Feynman revolucionaram quase todos os aspectos dafísica teórica."[28]

Interpretação dos diagramas

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Odiagrama de Feynman é uma representação gráfica usada para descrever todos osfenômenos eletromagnéticos. Foi criada pelo físico norte-americano Richard Feynman no final da década de 1940. O objetivo dos diagramas foi inicialmente simplificar cálculos na eletrodinâmica quântica, em que ainteração eletromagnética é descrita como a troca de fótons virtuais entrepartículas carregadas. Entretanto, atualmente, os diagramas de Feynman não são usados apenas na EDQ, mas também tendo sido adotados e adaptados por outras áreas da física, como na física do estado sólido para resolução de problemas de muitos corpos, emfísica nuclear,mecânica estatística e especialmente nacromodinâmica quântica (CDQ).[29]

Troca de fótons virtuais entre elétrons

Feynman apresentou seus diagramas pela primeira vez em um encontro exclusivo noPocono Manor Inn, na Pensilvânia, em 1948. Nesse evento, 28 cientistas teóricos se reuniram por alguns dias para discussões acerca de suas áreas de pesquisa, a maioria preocupados com os problemas que a EDQ apresentava na época. Um dos principais problemas era o fato de que os cálculos da EDQ levavam a valores infinitos de grandezas que precisam ser finitas para ter significado físico.[28] Em um de seus primeiros exemplos, Feynman considerou o problema doespalhamento elétron-elétron. Ele desenhou um diagrama simples no quadro, similar ao que ele reproduziu em seu primeiro artigo sobre as técnicas diagramáticas.[22]

Na construção dos diagramas de Feynman, as partículas são representadas pelas linhas do diagrama, que podem ser onduladas ou retas, e podendo conter ou não setas indicando seu sentido, dependendo do tipo de partícula. O ponto onde essas linhas se conectam é chamada de vértice, e é nesse momento que há a interação: emitindo ou absorvendo novas partículas, desviando-se umas das outras ou mudando de tipo.

Os principais componentes da apresentação da EDQ de Feynman são três ações básicas. Essas ações são representadas pelos três elementos básicos dos diagramas: uma linha ondulada para o fóton, uma linha reta para o elétron e uma junção de duas linhas retas e uma linha ondulada para um vértice que representa aemissão ouabsorção de um fóton por um elétron.[26]

Outra característica dos diagramas de Feynman é que linhas que começam e terminam no diagrama são partículas virtuais, que não são observadas em laboratório. Aspartículas virtuais não precisam ter a mesma massa que sua partícula real correspondente. Cada vértice deve conservar a carga,número bariônico,número leptônico,energia emomento, mas não a massa. A interação básica, portanto, aparece em um diagrama de Feynman como um "vértice", ou seja, uma junção de três linhas, sendo que apenas as linhas que entram e saem do diagrama representam partículas observáveis, que tem massa própria.[29]

Probabilidades

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Cálculo da trajetória da luz representada por Richard Feynman.

De modo análogo à eletrodinâmica clássica, é possível também descrever os principais aspectos dos fenômenos ópticos com base em um princípio semelhante ao deFermat. No entanto, contrariamente àóptica geométrica, admite-se que o fóton se propaga de um lugar a outro por qualquer caminho concebível e com qualquer velocidade, maior ou menor que avelocidade da luz.[30]

Essa hipótese é a base da chamadaformulação da Integral de Caminho da mecânica quântica, estabelecida por Richard Feynman, em 1948. De acordo com a interpretação probabilística da teoria quântica, a cada um dos caminhos concebíveis para o fóton ir de um lugar a outro, associam-se quantidades complexas, análogas as funções de onda da eletrodinâmica clássica, chamadas amplitudes de probabilidade, de tal modo que a chance de ocorrência de uma dada possibilidade é proporcional ao quadrado do módulo da amplitude correspondente.[30]

Tanto a velocidade da luz novácuo, como a propagação retilínea entre dois pontos do espaço, resultam da soma das amplitudes de probabilidades associadas a cada possível caminho. Para pontos tais que a distância entre eles é muito maior que ocomprimento de onda da luz, somente caminhos próximos atrajetória retilínea, nos quais a velocidade do fóton é praticamente a velocidade da luz, contribuem construtivamente para a soma das amplitudes. As contribuições de todos os outros caminhos praticamente se cancelam. Ou seja, em primeira aproximação, a luz obedece aoprincípio do tempo mínimo de Fermat.[30]

Elementos dos diagramas

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Para calcular a probabilidade de um processo deespalhamento relativístico, é necessário determinar a chamada amplitude de espalhamento invariante de Lorentz,M{\displaystyle {\mathcal {M}}}, que conecta um estado inicial,ψi{\displaystyle \psi _{i}}, caracterizado por um conjunto de partículas que possuem momentos bem definidos, a um estado final,ψf{\displaystyle \psi _{f}}, contendo outras partículas (na maioria das vezes diferentes) que também possuem momentos bem definidos.[31]

Para fazer uso da técnica gráfica criada por Feynman é importante saber que cada diagrama de Feynman representa uma contribuição paraM{\displaystyle {\mathcal {M}}}. Isto significa que cada diagrama representa uma função complexa escrita em termos dos momentos externos. Ou seja, os diagramas fornecem um maneira pictórica de representar as contribuições para a amplitudeM{\displaystyle {\mathcal {M}}}. Uma vez determinada uma amplitude é possível calcular grandezas física mensuráveis como a seção de choque diferencial,[32][33] assim, o diferencial dessa seção efetiva será uma função do módulo quadrático da amplitude de espalhamento:

dσ=1E2|M|2dΩ{\displaystyle \mathrm {d} \sigma ={\frac {1}{E^{2}}}\,|{\mathcal {M}}|^{2}\mathrm {d} \Omega }

As regras de Feynman que traduzem diretamente um diagrama em uma contribuição deM{\displaystyle {\mathcal {M}}}, correspondem um fator algébrico a cada elemento e o produto desses fatores dá o valor dessa contribuição (a soma das contribuições dá um valor aproximado deM{\displaystyle {\mathcal {M}}}.[33]

Para a manipulação das fórmulas algébricas, é preciso utilizar o sistema de unidades naturais onde aconstante de Planck reduzida ({\displaystyle \hbar }) e avelocidade da luz (c{\displaystyle c}) são as unidades, ficando assim:=c=1{\displaystyle \hbar =c=1}.

Dessa forma, as Regras de Feynman para o cálculoiM{\displaystyle -i{\mathcal {M}}} na eletrodinâmica quântica será:

CategoriaSímboloSpinPartículasFator Multiplicador
Linhas Externas0Bóson de Entrada1
0Bóson de Saída1
0Anti-Bóson de Entrada1
0Anti-Bóson de Saída1
½Férmion de Entradau{\displaystyle u}
½Férmion de Sáidau¯{\displaystyle {\bar {u}}}
½Anti-Férmion de Entradav¯{\displaystyle {\bar {v}}}
½Anti-Férmion de Saídav{\displaystyle v}
1Fóton de Entradaϵμ{\displaystyle \epsilon _{\mu }}
1Fóton de Saídaϵμ{\displaystyle \epsilon _{\mu }^{*}}
Propagadores
(Linhas Internas)
0Bósoniq2m2{\displaystyle {\frac {i}{q^{2}-m^{2}}}}
½Férmioni(q/+m)q2m2{\displaystyle {\frac {i(q\!\!\!/+m)}{q^{2}-m^{2}}}}
1Partícula sem Massa
(Fóton)
igμνq2{\displaystyle {\frac {-ig_{\mu \nu }}{q^{2}}}}
1Partícula com Massa
(Bóson)
i(gμνqμqν/m2)q2m2{\displaystyle {\frac {-i(g_{\mu \nu }-q_{\mu }q_{\nu }/m^{2})}{q^{2}-m^{2}}}}
Vérticeigeγμ{\displaystyle -ig_{e}\gamma ^{\mu }}

Onde:

Renormalização

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Arenormalização é uma coleção de técnicas emteoria quântica de campos, teoria estatística de campos e teoria de estruturas geométricas auto semelhantes, que são usadas para tratar infinitos que surgem em quantidades calculadas, alterando os valores dessas quantidades para compensar os efeitos de suas auto interações.[34]

Dirac em seus estudos

A renormalização foi desenvolvida pela primeira vez na eletrodinâmica quântica (EDQ) para dar sentido às integrais infinitas nateoria das perturbações. Inicialmente vista como um procedimento provisório suspeito até mesmo por alguns de seus criadores, a renormalização acabou sendo adotada como um mecanismo real, importante e auto consistente de escala em vários campos dafísica e damatemática. Apesar do seu ceticismo posterior, foi Paul Dirac o pioneiro da renormalização.[35][36]

Por volta dos anos de 1930, métodos consistentes com ainvariância de gauge foram procurados para quantificar ocampo eletromagnético e formular as bases de uma eletrodinâmica quântica. Deste trabalho surgiu uma auto energia divergente para o elétron que não poderia ser tratada de forma tão delicada quanto a dateoria eletromagnética clássica. Os esforços para livrar a eletrodinâmica quântica dessa quantidade infinita começaram seriamente na linha de desenvolvimento iniciada em 1933, quando Dirac inventou um procedimento, aperfeiçoado em 1934 por Heisenberg, para subtrair termos infinitos que ocorrem, por exemplo, no valor de expectativa do vácuo para adensidade de carga. Enquanto a persistência da auto energia infinita do elétron causava o desencanto de Pauli com a eletrodinâmica quântica, Heisenberg continuou a usar técnicas ousadas para eliminar essa quantidade divergente. Este drama emerge da correspondência Heisenberg-Pauli, que desempenha um papel central no ensaio Frame-setting. Assim como as grandes teorias que foram seus ancestrais, para Dirac, Heisenberg e Pauli a eletrodinâmica quântica totalmente desenvolvida não possuiria quantidades infinitas.[4]

Na esquerda está uma interação elétron-fóton que determina a carga do elétron em um ponto de renormalização. Enquanto na direita, há interações mais complexas que estão envolvidas em outros pontos.

Também na década de 1930, houve casos em que Heisenberg e Pauli sugeriram que a adesão a procedimentos de limite de correspondência foi a fonte de problemas na eletrodinâmica quântica, como a auto energia divergente do elétron, por exemplo, tomandométodos hamiltonianos clássicos como ponto de partida para os cálculos. Heisenberg sugeriu esquemas alternativos que falharam. Então, em 1943, ele formulou aTeoria da matriz S de maneira análoga à maneira como ele inventou a mecânica quântica em 1925. Nessa formulação, Heisenberg procurou construir uma versão da eletrodinâmica quântica baseada apenas em grandezas mensuráveis. Ele esperava que essa teoria fornecesse pistas sobre como lidar com fenômenos que ocorrem em regiões espaciais mais frágeis do que um "comprimento fundamental".[4]

Descobriu-se, posteriormente, que nenhum comprimento fundamental era necessário e que todo o aparato técnico e conceitos básicos para uma eletrodinâmica quântica renormalizada já estavam em vigor na década de 30. Como escreveuFreeman J. Dyson, em 1949, a nova eletrodinâmica quântica na qual amatriz S de Heisenberg desempenha um papel central, quando devidamente reformulada: "Não havendo novas ideias ou técnicas, chega-se a uma matriz S da qual as divergências bem conhecidas parecem ter conspirado para se eliminar".[4]

Equacionamentos

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Matematicamente, a eletrodinâmica quântica tem a estrutura dateoria de calibre do grupo abeliano e possui um grupo de simetria de calibre U(1). O campo de medida da interação entre o campo carregado de spin -1/2 é o campo eletromagnético. Assim, usando osistema de unidade natural como sendoc==μ0=1{\displaystyle c=\hbar =\mu _{0}=1}, olagrangiano na EDQ que provome[necessário esclarecer] a mediação na interação entre vários elétrons ou pósitrons por meio de fótons é dada por:[32][33]

L=ψ(iγμDμm)ψ14FμνFμν{\displaystyle {\mathcal {L}}=\psi ^{*}(i\gamma ^{\mu }D_{\mu }-m)\psi -{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }}

Onde:

Equação da ação

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O lagrangiano EDQ para um campo de spin-1/2 interagindo com ocampo eletromagnético em unidades naturais dá origem à ação:[32]

Ação na EDQ

SQED=d4x[14FμνFμν+ψ¯(iγμDμm)ψ]{\displaystyle S_{\text{QED}}=\int d^{4}x\,\left[-{\frac {1}{4}}F^{\mu \nu }F_{\mu \nu }+{\bar {\psi }}\,(i\gamma ^{\mu }D_{\mu }-m)\,\psi \right]}

Onde:

A expansão da derivada covariante revela uma segunda forma útil do lagrangiano (campo externoBμ{\displaystyle B_{\mu }} definido como zero para simplificar):

L=14FμνFμν+ψ¯(iγμμm)ψejμAμ{\displaystyle {\mathcal {L}}=-{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }+{\bar {\psi }}(i\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m)\psi -ej^{\mu }A_{\mu }}

Sendojμ{\displaystyle j^{\mu }} o conservadoU(1){\displaystyle U(1)} corrente decorrente doteorema de Noether:jμ=ψ¯γμψ.{\displaystyle j^{\mu }={\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\psi .}

Expandindo a derivada covariante no lagrangiano é obtida a seguinte expressão:

L=14FμνFμν+iψ¯γμμψeψ¯γμAμψmψ¯ψ{\displaystyle {\mathcal {L}}=-{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }+i{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }\psi -e{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }A_{\mu }\psi -m{\bar {\psi }}\psi }=14FμνFμν+iψ¯γμμψmψ¯ψejμAμ.{\displaystyle =-{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }+i{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }\psi -m{\bar {\psi }}\psi -ej^{\mu }A_{\mu }.}

E pela simplificação,Bμ{\displaystyle B_{\mu }} foi definido como zero. De maneira alternativa, é possível absorverBμ{\displaystyle B_{\mu }} em um novo campo de mediçãoAμ=Aμ+Bμ{\displaystyle A'_{\mu }=A_{\mu }+B_{\mu }} e renomear o novo campo comoAμ{\displaystyle A_{\mu }}. Dessa forma, a partir deste lagrangiano, as equações de movimento para o camposψ{\displaystyle \psi } eAμ{\displaystyle A_{\mu }} podem ser obtidas.

Equação de movimento para Ψ

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Essa equação surge de forma mais direta considerando aequação de Euler-Lagrange paraψ¯{\displaystyle {\bar {\psi }}}, pois como o lagrangiano não contémμψ¯{\displaystyle \partial _{\mu }{\bar {\psi }}} termos, obtemos imediatamente:

Lψ¯=0{\displaystyle {\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\bar {\psi }}}}=0}

Permitindo, assim, que a equação do movimento paraψ{\displaystyle \psi } possa ser escrita desta forma:

(iγμμm)ψ=eγμAμψ.{\displaystyle (i\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m)\psi =e\gamma ^{\mu }A_{\mu }\psi .}

Equação de movimento para Aμ

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No equacionamento dessa equação é preciso usar a equação de Euler-Lagrange para o campoAμ{\displaystyle A_{\mu }}:

ν(L(νAμ))LAμ=0,{\displaystyle \partial _{\nu }\left({\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial (\partial _{\nu }A_{\mu })}}\right)-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial A_{\mu }}}=0,}

Com as derivadas sendo:

ν(L(νAμ))=ν(μAννAμ){\displaystyle \partial _{\nu }\left({\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial (\partial _{\nu }A_{\mu })}}\right)=\partial _{\nu }\left(\partial ^{\mu }A^{\nu }-\partial ^{\nu }A^{\mu }\right)}

LAμ=eψ¯γμψ.{\displaystyle {\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial A_{\mu }}}=-e{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\psi .}

E substituindo esses dois termos de volta na equação de Euler-Lagrange trabalhada anteriormente é possível obter:

μFμν=eψ¯γνψ{\displaystyle \partial _{\mu }F^{\mu \nu }=e{\bar {\psi }}\gamma ^{\nu }\psi }

Que também pode ser escrito em termos dejμ{\displaystyle j^{\mu }} da seguinte forma:

μFμν=ejν.{\displaystyle \partial _{\mu }F^{\mu \nu }=ej^{\nu }.}

Agora, se acondição de calibre de Lorenz é adotada, pode-se obter:

μAμ=0,{\displaystyle \partial _{\mu }A^{\mu }=0,}

E as equações se reduzem a:

Aμ=ejμ{\displaystyle \Box A^{\mu }=ej^{\mu }}

Onde:

Assim, é possível alcançar umaequação de onda para o quatro potencial, sendo a versão da eletrodinâmica quântica dasequações clássicas de Maxwell no medidor de Lorenz.

Ver também

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Referências

  1. abcGreiner, Walter; Reinhardt, Joachim (9 de março de 2013).Quantum Eletrodynamics (em inglês). [S.l.]: Springer Science & Business Media 
  2. abFeynman, Richard (15 de setembro de 1949).Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics (Tese) (em inglês). Physic.org. Consultado em 22 de junho de 2024 
  3. Feynman, Richard (8 de junho de 1950).Mathematical formulation of the quantum theory of electromagnetic interaction (Tese) (em inglês). Collection CaltechAUTHORS. Consultado em 22 de junho de 2024 
  4. abcdMiller, Arthur (12 de outubro de 1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. prefácio 
  5. abMiller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 3 
  6. abMiller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 4 
  7. Miller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 6 
  8. abcMiller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 8 
  9. Reif, Federick (1985).Fundamentals of Statistical and Thermal Physics(PDF) (em inglês). [S.l.]: McGraw-Hill Book Company 
  10. abMiller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 11 
  11. abMiller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 12 
  12. abMiller, Arthur (1995).Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press. p. 13 
  13. abPato, Ian;Sudarshan, ECG (1998). «Capítulo 6: A invenção da teoria quântica de campos de Dirac».Pauli e o Teorema da Spin-Estatística. [S.l.]: Publicação Científica Mundial. p. 149-167 
  14. Pais, Abraham (8 de setembro de 2005).Paul Dirac: The Man and His Work (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press 
  15. Dirac, Paul (1 de fevereiro de 1928).«A Teoria Quântica do Elétron» (em inglês). Consultado em 23 de junho de 2024 
  16. Dirac, Paul (12 de dezembro de 1933).«A Teoria de Elétrons e Pósitrons» (em inglês). 4 de junho de 2011. Consultado em 23 de junho de 2024 
  17. Oppenheimer, Robert (1 de março de 1930).«Nota sobre a Teoria da Interação do Campo e da Matéria» (em inglês). Consultado em 23 de junho de 2024 
  18. Lamb, Willis E.; Retherford, Robert C. (1 de agosto de 1947). «Capítulo 3».Fine Structure of the Hydrogen Atom by a Microwave Method (em inglês). [S.l.]: Physical Review. p. 241-243 
  19. Kusch, Polykarp (1948).The Magnetic Moment of the Electron (em inglês). [S.l.]: Physical Review 
  20. Tomonaga, Shinichiro (1946).Sobre uma formulação relativisticamente invariante da teoria quântica dos campos de ondas (em inglês). [S.l.]: Progress of Theoretical Physics. p. 27-42 
  21. Schwinger, Julian (15 de novembro de 1948). «Capítulo 10».Quantum Electrodynamics. I. A Covariant Formulation (em inglês). [S.l.]: Physical Review. p. 1439-1461 
  22. abFeynman, Richard (15 de setembro de 1949). «Capítulo 6».Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics (em inglês). [S.l.]: Physical Review. p. 769-789 
  23. Dyson, Freeman (1 de junho de 1949). «Capítulo 11».The S Matrix in Quantum Electrodynamics (em inglês). [S.l.]: Physical Review. p. 1736-1755 
  24. Tomonaga, Shinichiro;Schwinger, Julian;Feynman, Richard (1965).«O Prêmio Nobel de Física de 1965» (em inglês). Consultado em 23 de junho de 2024 
  25. Dyson, Freeman (1 de fevereiro de 1949). «Capítulo 3».As teorias da radiação de Tomonaga, Schwinger e Feynman (em inglês). [S.l.]: Physical Review. p. 486-502 
  26. abFeynman, Richard (1988).QED: A Estranha Teoria da Luz e da Matéria (em inglês). [S.l.]: Gradiva 
  27. Brown, James Robert (2018). «Capítulo 4».How Do Feynman Diagrams Work? (em inglês). [S.l.]: Perspectives on Science. p. 423-442 
  28. abKaiser, David (2005).«Physics and Feynman's Diagrams»(PDF) (em inglês). American Scientist. Consultado em 23 de junho de 2024 
  29. abTipler, Paul A. (2012).«New York: W.H. Freeman and Company»(PDF) (em inglês). Modern Physics. Consultado em 23 de junho de 2024 
  30. abcCaruso, Francisco; Oguri, Vitor (2016).«A estranha teoria quântica da luz». Ciencia e Sociedade, CBPF. Consultado em 24 de junho de 2024 
  31. Aguilar, Arlene Cristina (2018).«Diagramas de Feynman: O poder de uma imagem». Revista Brasileira de Ensino de Física. Consultado em 25 de junho de 2024 
  32. abcSchwartz, Matthew D. (2014).Quantum Field Theory and the Standard Model(PDF) (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press 
  33. abcPeskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V. (1995).An Introduction to quantum fiels theory(PDF) (em inglês). [S.l.]: Addison-Wesley Publishing Company. p. 842 
  34. Weinberg, Steven (1 de abril de 1996).The Quantum Theory of Fields(PDF). [S.l.]: Cambridge University Press. Consultado em 24 de junho de 2024 
  35. Sanyuk, Valerii I.; Sukhanov, Alexander D. (1 de setembro de 2003). «Capítulo 9».Dirac in 20th century physics: a centenary assessment (em inglês). [S.l.]: Física-Uspekhi. p. 937-956 
  36. Kar, Arnab (2014).Renormalization from classical to quantum physics (em inglês). [S.l.]: Universidade de Rochester. Consultado em 24 de junho de 2024 

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