La teoría cuántica de campos que describe cómo interactúan la luz y la materia, y una parte clave del Modelo Estándar.La electrodinámica cuántica (QED) es la teoría cuántica de campos que describe cómo interactúan la luz y la materia. Es la teoría más precisa y verificada experimentalmente en física, capaz de predecir las propiedades de los electrones y fotones con una precisión de una parte en un billón. La QED es una piedra angular del Modelo Estándar de la física de partículas, unificando la fuerza electromagnética con la mecánica cuántica. Explica fenómenos como el desplazamiento de Lamb (una pequeña diferencia de energía entre dos estados del átomo de hidrógeno), el momento magnético anómalo del electrón y la dispersión de luz por luz. La QED también proporciona el marco para entender cómo los átomos emiten y absorben fotones, lo cual es fundamental para la espectroscopia, los láseres y toda la óptica moderna. Su éxito ha inspirado el desarrollo de otras teorías cuánticas de campos, incluyendo la cromodinámica cuántica (QCD) para la fuerza fuerte y la teoría electrodébil.
La QED fue desarrollada a finales de la década de 1940 por Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, quienes formularon la teoría de manera independiente y compartieron el Premio Nobel de Física en 1965. Su trabajo se basó en la mecánica cuántica previa y en la ecuación relativista de Dirac para el electrón, y resolvió el problema de los valores infinitos que afectaban a los intentos anteriores de una teoría cuántica del electromagnetismo.
La QED trata a partículas como electrones y fotones como excitaciones de campos cuánticos subyacentes. La interacción entre ellos está mediada por el intercambio de fotones virtuales, partículas que existen solo fugazmente como fluctuaciones cuánticas. La teoría se formula mediante diagramas de Feynman, que representan las amplitudes de probabilidad para diversos procesos de interacción. Cada diagrama corresponde a un término matemático en una expansión perturbativa, y al sumar un número infinito de estos términos, los físicos pueden calcular observables físicos con extraordinaria precisión. Una característica clave de la QED es la renormalización, un procedimiento matemático que maneja las infinitudes que surgen de las autointeracciones, permitiendo extraer predicciones finitas y medibles. La teoría también predice efectos sutiles como la polarización del vacío, donde pares virtuales de partícula-antipartícula apantallan la carga eléctrica de un electrón, y la dispersión fotón-fotón, que está prohibida en la electrodinámica clásica pero permitida en la QED.
La QED es esencial para el diseño de instrumentos de alta precisión como los relojes atómicos, que dependen del cálculo exacto de los niveles de energía atómica, y para el desarrollo de la computación cuántica, donde la manipulación de fotones y electrones se rige por los principios de la QED.
La predicción del momento magnético anómalo del electrón mediante la QED coincide con el experimento en 10 cifras significativas, lo que la convierte en la predicción más precisa de toda la ciencia.
