Elektrodinamika kuantum

Elektrodinamika kuantum (quantum electrodynamics, QED) adalah teori medan kuantum relativistik tentang elektrodinamika. Teori ini menjelaskan bagaimana cahaya dan materi berinteraksi dan merupakan teori pertama yang mencapai kesesuaian antara mekanika kuantum dan relativitas khusus. QED menggambarkan secara matematiks semua fenomena yang melibatkan partikel bermuatan listrik. Salah satu pendiri teori QED, Richard Feynman, menyebut teori ini sebagai the jewel of physics untuk kemampuannya meramalkan secara tepat besaran-besaran seperti anomali momen magnetik elektron, dan pergeseran Lamb tingkat-tingkat energi hidrogen.^[1]

Formulasi pertama teori kuantum menjelaskan interaksi radiasi dengan materi dijelaskan oleh ilmuwan Inggris Paul Dirac, yang pada tahun 1920-an mampu mendapatkan koefisien emisi spontan dari sebuah atom.^[2]

Dirac menjelaskan kuantisasi medan elektromagnetik sebagai suatu kesatuan osilator harmonis dengan mengenalkan konsep creation and annihilation operator untuk partikel. Pada tahun-tahun berikutnya, berkat kontribusi dari Wolfgang Pauli, Eugene Wigner, Pascual Jordan, Werner Heisenberg dan Enrico Fermi,^[3] fisikawan mulai mempercayai bahwa, pada dasarnya, mungkin untuk menghitung dari proses fisika apapun yang melibatkan foton dan partikel bermuatan. Namun, studi lebih lanjut oleh Felix Bloch, Arnold Nordsieck,^[4] dan Victor Weisskopf^[5] pada tahun 1937-1939, mengungkapkan bahwa perhitungan ini hanya bisa dipakai untuk teori penyimpangan orde satu, masalah yang telah dikemukakan oleh Robert Oppenheimer.^[6] Pada orde yang lebih tinggi, perhitungan yang dibuat tidak ada artinya dan malah dapat menyebabkan keraguan konsistensi teori itu sendiri. Akibat tidak adanya solusi untuk permasalahan ini pada waktu itu, maka muncul ketidakcocokan dasar antara relativitas khusus dan mekanika kuantum.

Kesulitan dengan teori ini semakin meningkat pada akhir tahun 1940-an. Perbaikan dalam teknologi gelombang mikro memungkinkan perhitungan pergeseran tingkat atom hidrogen yang lebih presisi,^[7] yang sekarang dikenal dengan nama pergeseran Lamb dan momen magnetik elektron.^[8]

Petunjuk pertama dilakukan oleh Hans Bethe pada tahun 1947,^[9] setelah menghadiri Konferensi Shelter Island.^[10] Ketika ia sedang dalam perjalanan dari konferensi ke Schenectady, ia melakukan komputasi non-relativistik pertama untuk pergeseran garis-garis atom hidrogen yang diukur oleh Lamb dan Retherford.^[9] Meski ada keterbatasan, namun hasilnya baik. Idenya sederhana, yaitu memasang tak berhingga ke koreksi massa dan muatan yang disesuaikan pada nilai tertentu melalui eksperimen. Dengan cara ini, ketidakterbatasan akan diserap dalam konstanta dan menghasilkan nilai tertentu yang hasilnya sesuai dengan eksperimen. Prosedur ini dinamakan renormalisasi.

Berdasarkan intuisi Bethe dan makalah oleh Shin'ichirō Tomonaga,^[11] Julian Schwinger,^[12][13] Richard Feynman^[14][15][16] dan Freeman Dyson,^[17][18] akhirnya dimungkinkan untuk dapat formulasi kovarian yang terbatas pada orde berapapun untuk penyimpangan elektrodinamika kuantum. Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger dan Richard Feynman memperoleh hadiah Nobel Fisika pada tahun 1965 atas hasil kerja mereka pada bidang ini.^[19]

QED berperan sebagai model dan templat untuk semua teori medan kuantum. Salah satu teorinya adalah kromodinamika kuantum, yang dimulai pada awal tahun 1960-an dan menjadi bentuk yang sekarang kita kenal pada tahun 1970-an berkat hasil kerja H. David Politzer, Sidney Coleman, David Gross dan Frank Wilczek. Dari hasil kerja Schwinger, Gerald Guralnik, Dick Hagen, dan Tom Kibble,^[20][21] Peter Higgs, Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Steven Weinberg dan Abdus Salam secara independeny menunjukkan bagaimana gaya nuklir lemah dan elektrodinamika kuantum dapat digabungkan menjadi gaya listrik lemah.