A eletrodinâmica quântica (às vezes chamada de relativística) é uma teoria física que visa conciliar o eletromagnetismo com a mecânica quântica utilizando um formalismo relativístico lagrangeano . De acordo com essa teoria, as cargas elétricas interagem trocando fótons virtuais .
O estudo estático (ausência de evolução ao longo do tempo) do campo elétrico é denominado eletrostático, o do campo magnético magnetostático. Na dinâmica, os dois campos se acoplam, formando uma única disciplina, a eletromagneto-dinâmica. Em francês, falamos de eletromagnetismo, insistindo no acoplamento, enquanto em inglês falamos de eletrodinâmica para enfatizar a oposição à estática. O termo eletrodinâmica quântica é a tradução literal da eletrodinâmica quântica em inglês (QED), que é a generalização da eletrodinâmica . Em francês, teria sido mais intuitivo falar de eletromagnetismo quântico .
A primeira formulação quântica da interação da radiação e da matéria remonta ao trabalho do físico britânico Paul Dirac que, durante a década de 1920, foi o primeiro a estabelecer o coeficiente de emissão espontânea de um átomo . Dirac modela o campo eletromagnético usando um conjunto de osciladores harmônicos discretos (quantização) e associando operadores de escala às partículas. Posteriormente, graças ao trabalho de Wolfgang Pauli , Eugene Wigner , Pascual Jordan , Werner Heisenberg e Enrico Fermi - que introduziram uma elegante formulação da eletrodinâmica quântica - os físicos são levados a acreditar que, em teoria, é possível calcular qualquer processo que envolva fótons e partículas carregadas. No entanto, estudos posteriores, feitos por Félix Bloch , Arnold Nordsieck e Victor Weisskopf em 1937 e 1939, revelaram que tais cálculos são acurados apenas de primeira ordem na teoria das perturbações , um problema já conhecido graças ao trabalho de Robert Oppenheimer .
É o cálculo do valor teórico do desvio de Lamb de Hans Bethe que realmente inicia o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica: usando as ferramentas dessa teoria, ele estima esse desvio em 1000 MHz enquanto a equação de Dirac não encontrou diferença. Richard Feynman, que aprimorou o cálculo de Bethe, disse mais tarde que essa descoberta foi a mais importante na história da eletrodinâmica quântica.
A eletrodinâmica quântica é uma das áreas mais conhecidas da física. Abrange todos os fenômenos , exceto gravitação e radioatividade . Serviu de modelo para o desenvolvimento da teoria quântica de campos que se aplica a todas as partículas elementares.
Precisamente, é uma teoria de campo para o eletromagnetismo. Ela descreve a interação eletromagnética de partículas carregadas e luz, e tem sido chamada de "pérola da física" por suas previsões extraordinariamente precisas na determinação teórica de quantidades (medidas de outra forma), como a anomalia do momento magnético dos léptons ou o deslocamento de níveis de energia do hidrogênio .
A eletrodinâmica quântica é baseada em equações relativamente simples, as de Maxwell e a de Dirac , todas baseadas na invariância de Lorentz .
Matematicamente, esta teoria tem a estrutura de um grupo abeliano com um grupo de calibre U (1) . O campo de medida que intervém na interação entre duas cargas representadas por campos de spin 1/2 é o campo eletromagnético . Fisicamente, isso se traduz em dizer que as partículas carregadas interagem trocando fótons .
A eletrodinâmica quântica foi a primeira teoria quântica de campos em que as dificuldades de desenvolver um formalismo puramente quântico que permitisse a criação e aniquilação de partículas foram resolvidas de forma satisfatória.
Tomonaga , Schwinger e Feynman receberam o Prêmio Nobel de Física em 1965 por sua contribuição para esta teoria, em particular pelo desenvolvimento do cálculo de grandezas observáveis usando covariância e invariância de calibre.
O procedimento de renormalização para superar quantidades infinitas indesejadas encontradas na teoria quântica de campos encontrou seu primeiro sucesso na eletrodinâmica quântica.
O Lagrangiano relativístico da interação entre elétrons e pósitrons pela troca de fótons é:
e são campos que representam partículas eletricamente carregadas, elétrons e pósitrons são representados por campos de Dirac .
são as matrizes de Dirac , que são construídas com matrizes de Pauli .
é a derivada covariante de calibre,
com a constante de acoplamento (igual à carga elementar ),
é o quadrivetor potencial do eletromagnetismo .
E é o tensor eletromagnético aparecendo na relatividade especial.
Esta parte do Lagrangiano descreve a propagação livre do campo eletromagnético , enquanto a parte semelhante à equação de Dirac descreve a evolução do elétron e do pósitron em sua interação através do quadrivetor potencial .