La electrodinámica cuántica (QED acrónimo en inglés de
Quantum Electrodynamics) es la teoría cuántica del campo electromagnético. QED
describe los fenómenos que implican las partículas eléctricamente cargadas que
obran recíprocamente por medio de la fuerza electromagnética.
Historia y predicciones
La QED es una de las teorías más precisas de cuantos que se
crearon en el siglo XX. Es capaz de hacer predicciones de ciertas magnitudes
físicas con hasta veinte cifras decimales de precisión, un resultado poco
frecuente en las teorías físicas anteriores. Por esa razón la teoría fue
llamada "la joya de la física". Entre sus predicciones más exactas
están:
El momento magnético anómalo del electrón y del muon, para
el cual la ecuación de Dirac predecía un valor de exactamente el doble del
valor clásico. Para el electrón la QED predice un valor:
Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman recibieron
los premios Nobel de Física de 1965 por su desarrollo, sus contribuciones que
implicaban una prescripción covariante y gauge invariante para el cálculo de
cantidades observables.
La técnica matemática de Feynman, basada en sus
diagramas, parecía inicialmente muy diferente del enfoque teórico de campos,
basado en operadores de Schwinger y Tomonaga, pero más adelante se demostró su
equivalencia.
El procedimiento de renormalización para dar sentido a algunas de
las predicciones infinitas de la teoría cuántica del campo también encontró su
primera puesta en práctica acertada en electrodinámica cuántica.
Descripción de la teoría
La electrodinámica cuántica es una descripción detallada de
la interacción entre fotones y partículas cargadas de tipo fermiónico. La
teoría cuántica comparte ciertos rasgos con la descripción clásica. De acuerdo
con la descripción de la óptica clásica la luz viaja sobre todos los caminos
permitidos, y su interferencia determina los frentes de onda que se propagan de
acuerdo con el principio de Fermat. Similarmente, en la descripción cuántica de
los fotones (y los fermiones), estos pasan por cada camino posible permitido
por aberturas o sistemas ópticos.
En ambos casos el observador detecta
simplemente el resultado matemático de la superposición de todas las ondas
consideradas a lo largo de integrales de línea. Una diferencia es que en la
electrodinámica la velocidad efectiva de un fotón puede superar la velocidad de
la luz en promedio.1
Además QED fue la primera teoría cuántica del campo en la
cual las dificultades para construir una descripción completa de campos y de
creación y aniquilación de partículas cuánticas, fueron resueltas
satisfactoriamente.
Formalismo
Matemáticamente, podemos decir que la electrodinámica
cuántica tiene la estructura de una teoría de gauge abeliana, siendo el grupo
de gauge asociado en grupo unitario El campo de gauge que media
la interacción entre campos de espín -1/2 con carga es el campo
electromagnético.
La evolución temporal de un sistema de partículas cargadas y
fotones puede ser calculada mediante un cálculo perturbativo. En concreto la
comparación con los experimentos realizables frecuentemente requiere el cálculo
de los elementos de la matriz S que permiten encontrar las secciones eficaces
de dispersión para partícula que puede ser comparada con los resultados de los
experimentos.
La electrodinámica cuántica reduce este tipo de cálculos a
un desarrollo perturbativo en serie de potencias que permite encontrar con la
precisión deseada esas secciones eficaces.
Cada uno de los términos
perturbativos admite una representación gráfica conocida como diagrama de
Feynman. De hecho, la electrodinámica cuántica fue históricamente la primera
teoría donde se usaron diagramas de Feynman como ayuda en el cálculo
perturbativo.
La forma de cada uno de los términos perturbativos y, por tanto,
la representación gráfica asociada depende de la forma del lagrangiano que
caracteriza dicha teoría .
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