Kvantfältteori

Kvantfältteori är ett teoretiskt ramverk inom fysiken som beskriver naturens fundamentala fält och hur kvanta excitationslika tillstånd uppstår ur dessa fält. I kvantfältteori betraktas fält som grundläggande och partiklar ses som excitations av fälten. Teorin förenar kvantmekanik med specialrelativitet och används för att beskriva hur olika fält interagerar genom symmetrier.

Fält beskrivs med Lagrangian- eller Hamiltoniandensiteter. Vid kvantisering görs fältet till operatorer som följer specifika kommutationsrelationer, och partiklar uppstår i Fock-utrymmet som kvanta av fältet. Interaktioner hanteras ofta genom gauge-symmetrier, och beräkningar görs med hjälp av Feynman-diagram och perturbationsteori.

Viktiga begrepp inom kvantfältteori inkluderar renormalisering, så att fysiken är välfungerande vid olika energiskalor, och löpande kopplingar som förstärker vår förståelse av styrkornas beroende av energi. Spontan symmetribrytning och Higgs-mekanismen förklarar hur vissa partiklar får massa utan att bryta gauge-symmetrierna explicit.

Den mest framgångsrika tillämpningen är Standardmodellen, som består av kvantkromodynamik (QCD) för starka interaktioner och elektrosvåg teori för elektromagnetisk och svag interaktion. Kvantfältteori används också i effektiva fältteorier som beskriver fysik på längre energiskalor där vissa detaljer inte är relevanta. Inom kondenserad materia används kvantfältteoretiska metoder för att beskriva kollektiva tillstånd som fononer och magnetiska excitationer.

Gravitationen är inte fullt ut integrerad i Standardmodellen; kvantfältteori används i svagt gravitationsfält eller i scenarier för kvantgravitation, men en fullständig, allmängiltig kvantgravitation saknas idag.