quantumveldtheorieën

Quantumveldtheorieën zijn natuurtheorieën die velden beschrijven die overal in de ruimte-tijd bestaan, waarbij excitations van die velden in veel gevallen als deeltjes worden opgevat. In deze benadering vormen veldoperatoren en lokale symmetrieën de basis, en interacties worden opgelegd door gauge-invariantie. Quantumveldtheorieën combineren de principes van special relativity met kwantummechanica en leveren een samenhangend kader voor de interacties van elementaire deeltjes.

Kernconcepten zijn onder meer velden die op elk punt in ruimte-tijd bestaan, de kwantisatie van deze velden, en interacties die voortkomen uit gauge-theorieën zoals U(1), SU(2) en SU(3). Belangrijke thema’s zijn renormalisatie, die bepaalt hoe fysische grootheden veranderen bij verschillende energieën, en spontane symmetriebreking, die massa en velddeeltjes zoals het Higgs-veld mogelijk maakt. Deze ideeën verklaren onder andere waarom sommige krachten zwakker of sterker lijken bij verschillende energienchaal.

Voorbeelden van quantumveldtheorieën zijn quantumelectrodynamica (QED), quantumchromodynamica (QCD) en het electroweaktheorie. Gezamenlijk vormen zij het Standard Model van de deeltjesfysica. QED beschrijft interacties tussen elektronen en fotonen met ongeëvenaarde precisie; QCD behandelt de interacties tussen quarks en gluonen; de electroweaktheorie verenigt elektromagnetisme en zwakke krachten via een SU(2)×U(1)-symmetrie.

Methoden omvatten canonieke kwantisatie en pad-integralen (Feynman-diagrammen) om berekeningen uit te voeren. Perturbatieve technieken werken goed bij zwak gekoppelde verschijnselen, terwijl sterk gekoppelde situaties niet-perturbatieve methoden en numerieke simulaties vereisen; daarnaast worden effectieve veldtheorieën gebruikt op lagere energieniveaus.

Quantumveldtheorieën vinden breed toepassing in de deeltjesfysica, condensed matter-systemen en kosmologie, en vormen een centraal onderzoeksgebied met open vragen zoals de relatie tot quantum zwaartekracht.