Quantenelektrodynamik

Quanten-Elektrodynamik (QED) ist die relativistische Quantenfeldtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie beschreibt, wie Photonen mit elektrisch geladenen Teilchen wie Elektronen und Positronen wechselwirken. QED basiert auf der Eichinvarianz der elektromagnetischen Feldtheorie und quantisiert das elektromagnetische Feld; Photonen sind die Quanten dieses Feldes.

Die Theorie verwendet den Lagrange-Formalismus und eine Kopplungskonstante e, aus der sich die Feinstrukturkonstante α ableitet (α ≈ 1/137). Wechselwirkungen werden meist durch Störungstheorie und Feynman-Diagramme beschrieben; QED ist renormalisierbar und der effektive Kopplungswert läuft mit der Energie.

Zu den zentralen Vorhersagen gehören der anomale magnetische Moment des Elektrons und des Muons (g-2) sowie die Lamb-Verschiebung. Die QED-Berechnungen stimmen mit Experimenten bis in viele Stellen hinter dem Komma überein; dies gilt als einer der größten Erfolge der Physik und dient als Maßstab für theoretische Präzision.

QED ist eine der Eckpfeiler des Standardmodells der Teilchenphysik und bildet die Grundlage für weitere Theorien wie die Elektroschwache Theorie und die Quantenchromodynamik. Anwendungen reichen von der Quantenoptik bis zu Hochenergieexperimenten, wobei QED die präzisen Berechnungen liefert, auf denen das Verständnis elektromagnetischer Prozesse basiert.

Historisch entwickelten sich die Grundlagen in den 1940er- und 1950er-Jahren durch die Arbeiten von Feynman, Schwinger und Tomonaga; ihnen wurde der Nobelpreis verliehen. Feynman-Diagramme und Pfadintegrale haben die Berechnungen in QED maßgeblich erleichtert.