Werden alle elektromagnetischen und optischen Phänomene letztlich durch elektronische Prozesse verursacht?

Auf der Wikipedia-Seite zur Eichtheorie wird das erwähnt

Die Quantenelektrodynamik ist eine abelsche Eichtheorie mit der Symmetriegruppe U(1) und hat ein Eichfeld, das elektromagnetische Viererpotential, wobei das Photon das Eichboson ist.

Später auf derselben Wikipedia-Seite wird eine detaillierte mathematische Erklärung zum Elektronenfeld und zum "Vier-Vektor-Potential des elektromagnetischen Feldes" gegeben.

Ich bin ein College-Student, der nur einen Kurs in klassischem Elektromagnetismus und den Maxwell-Gleichungen belegt hat; Ich bin nicht sehr versiert in Quantenfeldtheorie und fortgeschrittener Physik.

Aber ich möchte die "physikalische Intuition" hinter diesem Standpunkt der Messgerätetheorie verstehen. Sehe ich das richtig:

  • Wir können die gesamte klassische Elektrodynamik (Maxwellsche Gleichungen) einfach aus ableiten U ( 1 ) Symmetrie des Elektronenfeldes?
  • Wir können die gesamte Quantenelektrodynamik (Photonen) einfach durch Quantisierung des elektromagnetischen Viererpotentials ableiten?
Was meinen Sie mit „elektronischem Verfahren“? Meinen Sie Prozesse, an denen Elektronen beteiligt sind? Denn wenn Sie "elektromagnetischer Prozess" meinen, ist Ihre Frage selbstbeantwortend und überflüssig. Denken Sie daran, dass sich bewegende Ladungen ein Magnetfeld erzeugen, das als elektromagnetisches Phänomen zu qualifizieren ist, und Elektronen nicht die einzigen geladenen Teilchen sind, die existieren. Protonen in einem Protonenstrahl zum Beispiel.
Hallo und willkommen bei Physics SE! Ich denke, diese Frage könnte besser in zwei Teile aufgeteilt werden – die Frage, was ein Photon ist, könnte durchaus für sich allein stehen.
@DKNguyen Auf jeden Fall gelten Maxwells Gleichungen sowohl für Protonen als auch für Elektronen. Aber was ich frage, ist noch grundlegender: Entstehen die Maxwell-Gleichungen selbst aus den U(1)-Symmetrien des Elektronenfelds? Elektronen interagieren also nicht nur mit elektrischen und magnetischen Feldern, sondern die bloße Existenz von EM-Feldern wird durch Elektronenfelder selbst verursacht. Protonen interagieren auch mit EM-Feldern, aber es gibt kein "Protonenfeld", das dafür verantwortlich ist, Feuer in Maxwells Gleichungen selbst zu atmen!
In der Quantenfeldtheorie existiert das elektromagnetische Feld, ohne dass auch das Elektron/Positron-Feld existieren muss.

Antworten (2)

Wir können die gesamte klassische Elektrodynamik (Maxwellsche Gleichungen) einfach aus ableiten U ( 1 ) Symmetrie des Elektronenfeldes?

Der Maxwellsche Elektromagnetismus benötigt kein Elektronenfeld, er kann unabhängig von Elektronen im Vakuum existieren oder sogar mit anderen Feldern gekoppelt sein (zB geladene Skalarfelder, Gravitation etc.). Die Wahl der U ( 1 ) wählt Maxwells Theorie aus einer allgemeineren Klasse von Eichtheorien namens Yang-Mills-Theorien aus, die durch Lie-Gruppen/Algebren parametrisiert werden.

Wir können die gesamte Quantenelektrodynamik (Photonen) einfach durch Quantisierung des elektromagnetischen Viererpotentials ableiten?

Ja, der Quantenelektromagnetismus kann aus dem klassischen Elektromagnetismus (Maxwellsche Gleichungen) durch Anwendung der kanonischen Quantisierung erhalten werden. Aufgrund der Eichinvarianz gibt es zusätzliche Komplikationen. Sie benötigen die Theorie der Quantisierung eingeschränkter Systeme, um die Maxwell-Theorie konsistent zu quantisieren. Aber am Ende erhalten Sie eine Quantentheorie nicht wechselwirkender Photonen.

QED (Quantenelektrodynamik) ist ein wenig irreführend, da es neben Maxwell-Feld / Photonen auch ein völlig anderes Materiefeld umfasst, nämlich das Dirac-Feld mit Teilchen, die Elektronen genannt werden. Diese beiden Felder / Teilchen interagieren auf eine bestimmte Weise miteinander, die durch die Eichsymmetrie vorgegeben ist. QED unterscheidet sich daher von quantisiertem Elektromagnetismus, der als Annäherung an QED angesehen werden kann, die in Situationen gültig ist, in denen das Elektronenfeld vernachlässigbar ist.

Beachten Sie auch, dass, obwohl Quantentheorien in fast allen Fällen aus klassischen Theorien durch kanonische Quantisierung gewonnen werden, dieses Verfahren heuristisch ist und keine physikalische Bedeutung hat. In Wirklichkeit existiert nur die Quantentheorie. Die klassische Theorie ist lediglich eine Annäherung. Um also wirklich zu verstehen, was vor sich geht, muss man die Quantentheorie postulieren und dann beweisen, dass die klassische Theorie in einem bestimmten Regime gilt, das der Umgebung entspricht ℏ → 0 in allen mathematischen Ausdrücken.

Neben Elektronen gibt es noch andere geladene Teilchen, wie Protonen, Pionen, W-Bosonen. Diese können alle zu elektromagnetischen Phänomenen beitragen.

Werden alle elektromagnetischen und optischen Phänomene letztlich durch elektronische Prozesse verursacht?
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