양자전기역학

이 이론은 빛과 물질 사이의 모든 상호작용뿐만 아니라 하전입자끼리의 상호작용을 수학적으로 기술한다.

아인슈타인의 특수상대성이론의 모든 수식이 여기서 만들어진다는 점에서 QED는 상대론적인 이론이다. 원자와 분자의 행동이 본질적으로 대개 전자기적이기 때문에 원자물리의 모든 분야는 QED를 검증하는 실험실로 생각할 수 있다. QED에 대한 가장 정밀한 실험 중의 몇몇은 뮤 중간자라고도 불리는 뮤온의 성질을 다루는 실험인데, 이 원자구성입자의 자기 모멘트가 유효숫자 6개까지 이론치와 일치함이 보여졌다(뮤온). 이와 같은 고정도(高精度)의 일치 때문에 QED는 지금까지 고안된 이론 중 가장 성공적인 이론 중 하나가 되었다(전자기장). 1931년에 P. A. M. 디랙이 양자론과 특수 상대성이론을 결합하여 전자의 운동과 스핀을 기술하는 방정식을 발견하여 QED에 대한 기초를 닦았으며 1940년대 후반기에 QED 이론은 리처드 파인먼, 줄리언 슈윙거와 도모나가 신이치로[朝永振一郞] 등에 의해 독립적으로 다듬어지고 완벽하게 발전되었다(파인먼). 영향력이 가장 크다고 밝혀진 파인먼의 접근방법은 하전입자의 상호작용이 전자기력을 전해주는 빛의 입자, 즉 광자를 흡수하거나 방출하면서 이루어진다는 생각에 입각해 있다.

이때 광자는 가상적인데, 이 말은 광자가 존재하면 에너지 보존법칙에 위배되므로 어떤 방법에 의해서도 이들을 보거나 검출할 수 없다는 것이다. 입자가 서로 작용할 때 광자의 에너지를 방출하거나 흡수하여 움직이는 방향과 속력을 변경하기 때문에 광자의 교환은 단지 상호작용의 '힘'일 뿐이다. 광자는 자유 상태로 방출될 수도 있으며 이때는 검출될 수가 있다. 두 하전입자의 상호작용은 복잡도가 점차 증가하는 일련의 과정으로 일어난다. 가장 간단한 경우에는 1개의 광자, 2차(2nd-order)의 경우에는 2개의 광자 등이다.

이러한 과정은 입자들이 가상 광자를 교환함으로써 상호작용하는 가능한 모든 방법에 해당하며 각 과정은 파인먼 도형을 사용하여 도식적으로 나타낼 수 있다. 이와 같은 그림은 고려하고 있는 특정한 과정에 대한 직관적인 모습을 제공해줄 뿐만 아니라 관련된 변수들을 어떻게 계산해야 하는지도 세밀하게 가르쳐준다. 각각의 원자구성 과정은 앞 과정보다 점차 계산하기가 어려워지며 더구나 무한 개의 원자구성 과정이 있다. QED 이론에 따르면 과정이 복잡해질수록(즉 가상 광자가 더해질수록) 이 과정이 일어날 확률이 줄어든다.

즉 복잡도의 각 단계마다 (1/137)²의 비율로 그 과정의 기여도가 줄어든다. 따라서 몇 단계를 지나면 기여도는 거의 무시할 정도가 된다. 이 비율은 a로 표기하는데 미세구조 상수라고 하며 전자기적 상호작용력의 척도로 쓰여진다. 이 값은 e²/ħc인데 e는 전자의 전하량이고 ħ는 플랑크 상수 나누기 2π이며, c는 빛의 속도이다.

미세구조 상수의 크기가 작고 따라서 고차(higher order)의 기여도가 작기 때문에 QED는 섭동론이라 불리기도 한다. QED는 재규격화도 가능한데, 이는 무한의 질량이나 무한의 전하를 가진 입자 또는 이외의 비물리적인 거동을 보이는 입자들을 이 이론이 예언하지 않는다는 것을 뜻한다. QED가 이와 같이 비교적 간결하고 성공적이어서 다른 양자장론의 모델이 되었으며 전자기적 상호작용을 가상 광량자의 상호교환으로 보는 것은 강력, 약력과 중력 이론에 전해졌다.→ 게이지 이론, 양자역학, 원자구성입자