L’elettrodinamica quantistica (QED) è la teoria quantistica dei campi che spiega come le particelle caricate elettricamente interagiscono tra loro attraverso lo scambio di fotoni (i “quanti” di luce o piccoli pacchetti di luce). I fotoni, e quindi le interazioni in un QED, si propagano alla velocità della luce. La QED viene definita teoria di gauge, con un campo di gauge matematicamente specificato che rappresenta la forza elettromagnetica. La teoria spiega anche il magnetismo, poiché il magnetismo e l’elettricità sono due manifestazioni della stessa forza sottostante, l’elettromagnetismo.
La teoria della QED è una delle teorie più ben verificate sulla Terra, che a volte fornisce risultati precisi a dieci cifre decimali, ed è stata la prima teoria quantistica dei campi ad essere definita coerente e completa. Una previsione fatta da QED è risultata accurata fino a 0038 parti per milione, probabilmente la previsione fisica più precisa e accurata mai fatta. Calcolare soluzioni corrette per il comportamento di sistemi con parti interagenti o orbitali elettronici più grandi diventa esponenzialmente più difficile all’aumentare del numero di componenti, con alcuni calcoli che richiedono letteralmente decenni di lavoro per essere calcolati e verificati.
Delle quattro forze della natura – elettromagnetismo, forza nucleare debole, forza nucleare forte e gravità – l’elettromagnetismo è probabilmente la più facile da spiegare in modo rigoroso, sebbene per spiegarlo completamente ci siano voluti decenni di lavoro di molte centinaia di scienziati. La teoria è stata sviluppata con soddisfazione alla fine degli anni Quaranta, grazie al lavoro indipendente di Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman. Hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1965 per il loro impegno.
Se l’elettromagnetismo fosse l’unica forza della natura che opera nell’universo, la QED offrirebbe un resoconto completo della sua esatta natura. Tuttavia, non lo è e la ricerca continua per una teoria quantistica dei campi che integri tutte e quattro le forze. Inoltre, risolvere equazioni in QED è molto difficile, più difficile dei problemi di meccanica quantistica convenzionali, poiché QED è una generalizzazione della meccanica quantistica alla relatività speciale. Le immagini più famose associate alla QED sono i diagrammi di Feynman di Richard Feynman, che utilizzano linee diritte e ondulate per analizzare i diversi modi in cui le particelle scambiano fotoni per interagire fisicamente.
La teoria della QED produce ancora infiniti matematici in determinati contesti e, sebbene molti di questi problemi siano stati risolti, persistono a un certo livello. Sono stati sviluppati algoritmi di rinormalizzazione ad hoc per appianare queste imperfezioni teoriche. Questi infiniti suggeriscono che la QED non è affatto una teoria definitiva, lasciando il futuro aperto alla scoperta di una teoria più accurata, che veda l’elettromagnetismo nel contesto delle altre tre forze della natura.