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Électrodynamique quantique

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physique quantique
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Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une...) des champs
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L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) ayant pour but de concilier l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est...) avec la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation...) en utilisant un formalisme Lagrangien (Le lagrangien d'un système dynamique, dont le nom vient de Joseph Louis Lagrange, est une fonction des variables dynamiques qui décrit de manière concise les équations du mouvement du système. Ces dernières s'obtiennent par...) relativiste.

Les charges électriques interagissent par échange de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...).

Description

L'électrodynamique quantique est une théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs est l'application des concepts de la physique quantique aux champs. Issue de la mécanique quantique relativiste, dont l'interprétation comme théorie décrivant une seule particule s'était avérée...) de l'électromagnétisme. Elle décrit l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de...) électromagnétique des particules chargées et a été appelée " le bijou de la physique " pour ses prédictions extraordinairement précises dans la détermination théorique de quantités (mesurées par ailleurs) telles que le moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) du muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de...), ou encore le décalage de Lamb des niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.).

Mathématiquement, cette théorie a la structure d'un groupe abélien avec un groupe de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un effort mécanique en résistance...) U(1). Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de jauge qui intervient dans l'interaction entre deux charges représentées par des champs de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) 1/2 est le champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer...).

Physiquement, cela se traduit en disant que les particules chargées interagissent par l'échange de photons.

L'électrodynamique quantique fut la première théorie quantique des champs dans laquelle les difficultés pour élaborer un formalisme purement quantique permettant la création et l'annihilation de particules ont été résolus de façon satisfaisante.

Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman et Freeman Dyson ont reçu en 1965 le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il...) pour leur contribution à cette théorie en particulier par la mise au point (Graphie) du calcul des quantités observables en utilisant la covariance (Pour le principe physique, voir Principe de covariance générale.) et l'invariance de jauge.

La renormalisation

La procédure de renormalisation pour s'affranchir de quantités infinies indésirables rencontrées en théorie quantique des champs a trouvé en l'électrodynamique quantique sa première réussite

Le Lagrangien de l'interaction

Le lagrangien relativiste de l'interaction entre électrons et positrons par l'échange de photons est:

\mathcal{L}=\bar\psi(i\gamma_\mu D^\mu-m)\psi -\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}

\ \psi et \bar\psi sont les champs représentant des particules chargées électriquement, les électrons et positrons sont représentés par des champs de Dirac.

?? sont les matrices de Pauli.

D_\mu = \partial_\mu+ieA_\mu \,\! est la dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément, une dérivée est une expression (numérique ou algébrique) donnant le rapport...) covariante de jauge,

avec \ e la constante de couplage (égale à la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) élémentaire),

\ A_\mu est le quadrivecteur (La théorie de la relativité (restreinte, puis générale) postulée par Einstein amène à considérer les trois coordonnées d'espace (par exemple hauteur, largeur, profondeur) et le...) potentiel de l'électromagnétisme.

Et F_{\mu\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu \,\! est le tenseur électromagnétique apparaissant en relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des...).

Cette part du lagrangien décrit la propagation libre du champ électromagnétique, tandis que la partie ressemblant à l'équation de Dirac (L'équation de Dirac est une équation formulée par Paul Dirac en 1928 dans le cadre de sa mécanique quantique relativiste de l'électron.) décrit l'évolution de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et du positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron),...) dans leur interaction par l'intermédiaire du quadrivecteur potentiel.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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