Che cos'è l'elettrodinamica quantistica (QED)?
L'elettrodinamica quantistica (QED) è la teoria dei campi quantistici che spiega come le particelle cariche elettricamente interagiscono tra loro attraverso lo scambio di fotoni ("quanti" di luce o piccoli pacchetti di luce). I fotoni, e quindi le interazioni in un QED, si propagano alla velocità della luce. Il QED è indicato come teoria di gauge, con un campo di gauge matematicamente specificato che rappresenta la forza elettromagnetica. La teoria spiega anche il magnetismo, in quanto 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, a volte fornisce risultati precisi con dieci decimali, ed è stata la prima teoria dei campi quantici ad essere definita coerente e completa. Una previsione fatta da QED è risultata accurata fino a 0,0038 parti per milione, probabilmente la previsione fisica più precisa e accurata mai fatta. Il calcolo di soluzioni corrette al comportamento dei sistemi con parti interagenti o orbitali elettronici più grandi diventa esponenzialmente più difficile con l'aumentare del numero di componenti, con alcuni calcoli che richiedono letteralmente decenni di lavoro per il calcolo e la verifica.
Delle quattro forze della natura - elettromagnetismo, debole forza nucleare, forte forza nucleare e gravità - l'elettromagnetismo è probabilmente il più facile da spiegare rigorosamente, sebbene spiegarlo abbia impiegato centinaia di scienziati decenni di lavoro. 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. Per il loro impegno ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 1965.
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 dei campi quantistici che integri tutte e quattro le forze. Inoltre, risolvere equazioni in QED è molto difficile, più difficile dei tradizionali problemi di meccanica quantistica, in quanto QED è una generalizzazione della meccanica quantistica in relatività speciale. Le immagini più famose associate al QED sono i diagrammi di Feynman di Richard Feynman, che usano linee rette e ondulate per analizzare i diversi modi in cui le particelle scambiano i 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. Algoritmi di rinormalizzazione ad hoc sono stati sviluppati per appianare queste imperfezioni teoriche. Questi infiniti suggeriscono che la QED non è affatto una teoria finale, lasciando il futuro aperto alla scoperta di una teoria più accurata, che vede l'elettromagnetismo nel contesto delle altre tre forze della natura.