Quantenelektrodynamik (QED) ist die Quantenfeldtheorie, die erklärt, wie elektrisch geladene Teilchen durch den Austausch von Photonen (Lichtquanten oder kleine Lichtpakete) miteinander wechselwirken. Photonen und damit Wechselwirkungen in einer QED breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. QED wird als Eichtheorie bezeichnet, wobei ein mathematisch spezifiziertes Eichfeld die elektromagnetische Kraft darstellt. Die Theorie erklärt auch den Magnetismus, da Magnetismus und Elektrizität zwei Manifestationen derselben zugrunde liegenden Kraft sind, des Elektromagnetismus.
Die Theorie der QED ist eine der am besten verifizierten Theorien auf der Erde, die manchmal genaue Ergebnisse auf zehn Dezimalstellen liefert, und war die erste Quantenfeldtheorie, die als konsistent und vollständig bezeichnet wurde. Eine von QED gemachte Vorhersage erwies sich als genau bis zu 0038 Teile pro Million, wahrscheinlich die genaueste und genaueste physikalische Vorhersage, die jemals gemacht wurde. Die Berechnung korrekter Lösungen für das Verhalten von Systemen mit wechselwirkenden Teilen oder größeren Elektronenorbitalen wird mit zunehmender Anzahl von Komponenten exponentiell schwieriger, wobei einige Berechnungen buchstäblich jahrzehntelange Arbeit erfordern, um sie zu berechnen und zu überprüfen.
Von den vier Naturkräften – Elektromagnetismus, schwache Kernkraft, starke Kernkraft und Schwerkraft – lässt sich der Elektromagnetismus wahrscheinlich am einfachsten rigoros erklären, obwohl viele Hunderte von Wissenschaftlern jahrzehntelange Arbeit in Anspruch nahmen, um ihn vollständig zu erklären. Die Theorie wurde Ende der vierziger Jahre dank der unabhängigen Arbeit von Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger und Richard Feynman zur Zufriedenheit entwickelt. Für ihren Einsatz erhielten sie 1965 den Nobelpreis für Physik.
Wäre der Elektromagnetismus die einzige Naturkraft, die im Universum wirkt, würde die QED eine vollständige Darstellung seiner genauen Natur bieten. Das ist es jedoch nicht, und die Suche nach einer Quantenfeldtheorie, die alle vier Kräfte integriert, geht weiter. Darüber hinaus ist das Lösen von Gleichungen in der QED sehr schwierig, schwieriger als herkömmliche quantenmechanische Probleme, da QED eine Verallgemeinerung der Quantenmechanik auf die spezielle Relativitätstheorie ist. Die Bilder, die am bekanntesten mit QED in Verbindung gebracht werden, sind die Feynman-Diagramme von Richard Feynman, die gerade und verschnörkelte Linien verwenden, um die verschiedenen Arten zu analysieren, wie Teilchen Photonen austauschen, um physikalisch zu interagieren.
Die Theorie der QED erzeugt in bestimmten Kontexten immer noch mathematische Unendlichkeiten, und obwohl viele dieser Probleme gelöst wurden, bleiben sie auf einem bestimmten Niveau bestehen. Ad-hoc-Renormierungsalgorithmen wurden entwickelt, um diese theoretischen Unvollkommenheiten zu glätten. Diese Unendlichkeiten legen nahe, dass QED keineswegs eine endgültige Theorie ist, sondern lässt die Zukunft offen für die Entdeckung einer genaueren Theorie, die den Elektromagnetismus im Kontext der anderen drei Naturkräfte betrachtet.