Kvantová teória poľa

Kvantová teória poľa je aplikáciou kvantovej mechaniky na správania sa polí. Je základom pri skúmaní elementárnych častíc a ich interakcií ako aj v modernej teórii tuhých látok.

Dôvodom pre hľadanie novej teórie bol fakt, že kvantová mechanika popisuje správanie tých systémov, kde počet častíc ostáva nemenný (príkladom je elektrón v atóme vodíka). Vyžiarenie fotónu pri preskoku elektrónu z vyššej energetickej hladiny na nižšiu je však už za hranicami použitia kvantovej mechaniky - počas preskoku totiž pribúda nová častica, fotón. Prácu na kvantovej teórii poľa začal Paul Dirac koncom 20-tych rokov 20. storočia. Úspešná kvantová teória pre elektromagnetické pole však bola hotová až o zhruba 30 rokov neskôr za prispenia viacerých známych fyzikov (Vladimír Alexandrovič Fok, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Hans Albrecht Bethe, Siničiró Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman, Freeman John Dyson, a i.).

V rámci kvantovej teórie poľa sa pole kvantuje. Čo to znamená si môžeme vysvetliť na príklade elektromagnetického poľa. To je v klasickej fyzike popísané svojou elektrickou intenzitou a magnetickou indukciou, máme teda dve polia ${\vec {E}}(x,y,z)$ a ${\vec {B}}(x,y,z)$. Obe tieto veličiny sa dajú meniť spojito, teda o ľubovoľne malú hodnotu v každom bode priestoru. Po kvantovaní sa energia poľa zvyšuje po krokoch, nemôže nadobudnúť ľubovoľnú hodnotu. Tento fakt interpetujeme tak, že pole je tvorené svojimi kvantami, z ktorých každé nesie istú energiu. Môžeme mať dve kvantá poľa, môžeme ich mať aj tri, ale nemôžeme ich mať dva a pol. Kvantá elektromagnetického poľa sú pritom staré známe fotóny.

Vytvorením kvantovej teórie elektromagnetického poľa sa pre fyzikov práca nekončila. V mikrosvete sú totiž ešte ďalšie dve dôležité sily: slabá a silná jadrová interakcia. Práce na teórii, ktorá by zahrnula aj tieto dva vplyvy si zaslúžili niekoľko Nobelových cien (poslednú dostali v roku 2004 Politzer, Wilczek a Gross). Poslednou "nezjednotenou" silou ostáva sila gravitačná. Jej vplyv na elementárne častice je za bežných okolností úplne zanedbateľný, v extrémnych situáciách (pri horizonte čiernej diery, resp. krátko po vzniku vesmíru) však získava dôležitosť. Ambície zahrnúť túto silu do kvantovej teórie polí má najmä tzv. teória strún.