L’électrodynamique quantique (QED) est la théorie quantique des champs expliquant comment les particules chargées électriquement interagissent les unes avec les autres par l’échange de photons (lumière quanta, ou petits paquets de lumière). Les photons, et donc les interactions dans un QED, se propagent à la vitesse de la lumière. La QED est appelée théorie de jauge, avec un champ de jauge mathématiquement spécifié représentant la force électromagnétique. La théorie explique également le magnétisme, car le magnétisme et l’électricité sont deux manifestations de la même force sous-jacente, l’électromagnétisme.
La théorie de la QED est l’une des théories les mieux vérifiées sur Terre, donnant parfois des résultats précis à dix décimales près, et a été la première théorie quantique des champs à être qualifiée de cohérente et complète. Une prédiction faite par QED s’est avérée exacte jusqu’à 0038 partie par million, probablement la prédiction physique la plus précise et la plus exacte jamais faite. Le calcul de solutions correctes au comportement de systèmes avec des pièces en interaction ou des orbitales électroniques plus grandes devient exponentiellement plus difficile à mesure que le nombre de composants augmente, certains calculs nécessitant littéralement des décennies de travail pour calculer et vérifier.
Parmi les quatre forces de la nature – l’électromagnétisme, la force nucléaire faible, la force nucléaire forte et la gravité – l’électromagnétisme est probablement la plus facile à expliquer de manière rigoureuse, bien que son explication complète ait pris plusieurs centaines de scientifiques pendant des décennies. La théorie a été développée avec satisfaction à la fin des années quarante, grâce aux travaux indépendants de Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard Feynman. Ils ont reçu le prix Nobel de physique 1965 pour leurs efforts.
Si l’électromagnétisme était la seule force de la nature opérant dans l’univers, QED offrirait un compte rendu complet de sa nature exacte. Cependant, ce n’est pas le cas, et la recherche se poursuit pour une théorie quantique des champs qui intègre les quatre forces. De plus, résoudre des équations en QED est très difficile, plus difficile que les problèmes de mécanique quantique conventionnels, car QED est une généralisation de la mécanique quantique à la relativité restreinte. Les images les plus célèbres associées à QED sont les diagrammes de Feynman de Richard Feynman, qui utilisent des lignes droites et ondulées pour analyser les différentes manières dont les particules échangent des photons pour interagir physiquement.
La théorie de la QED produit encore des infinis mathématiques dans certains contextes, et bien que nombre de ces problèmes aient été résolus, ils persistent à un certain niveau. Des algorithmes de renormalisation ad hoc ont été développés pour lisser ces imperfections théoriques. Ces infinis suggèrent que QED n’est en aucun cas une théorie finale, laissant l’avenir ouvert à la découverte d’une théorie plus précise, qui considère l’électromagnétisme dans le contexte des trois autres forces de la nature.