Com va néixer l'electrodinàmica quàntica, la teoria de la llum i la matèria

* L'autor forma part de la comunitat de lectors de La Vanguardia L'electrodinàmica quàntica, coneguda com QED, és la teoria que explica com interactuen la llum i la matèria a escala microscòpica. La seva història comença amb una pregunta aparentment senzilla: com descriure un electró d'acord amb les regles de la mecànica quàntica quan, a més, hem de tenir en compte la relativitat i l'electromagnetisme? La resposta no va arribar d'una sola vegada ni va ser obra d'un únic científic. Va ser el resultat de diverses dècades de treball en les quals van participar, entre altres, Paul Dirac, Sense-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman i Freeman Dyson. El primer pas important el va donar Paul Dirac. En 1928 va formular una equació que permetia descriure l'electró combinant mecànica quàntica i relativitat especial. Per a entendre el seu paper en la història de la QED no és necessari entrar en els seus detalls matemàtics. L'essencial és que Dirac va proporcionar una descripció quàntica i relativista de l'electró i va mostrar que el problema de la matèria i l'electromagnetisme havia de #abordar d'una manera nova. De fet, posteriorment va treballar també en la interacció entre electrons i camps electromagnètics. El problema era que una primera teoria quàntica de l'electromagnetisme produïa resultats absurds quan s'intentaven realitzar càlculs més precisos. Apareixien quantitats infinites que no podien #comparar amb els experiments. La dificultat no era un petit defecte matemàtic: significava que la teoria, tal com estava formulada, no permetia obtenir de manera directa prediccions físiques assenyades. La situació es va fer especialment urgent gràcies als experiments. En 1947, Polykarp Kusch va mesurar amb gran precisió el moment magnètic de l'electró i va descobrir que era lleugerament diferent del valor previst per la teoria de Dirac. Al mateix temps, Willis Lamb i Robert Retherford havien mesurat una petita diferència entre nivells d'energia de l'hidrogen, coneguda com a desplaçament de Lamb. Aquests resultats demostraven que feia falta una mica més que la teoria relativista de Dirac. Aquí comença pròpiament la construcció de l'electrodinàmica quàntica moderna. La idea fonamental consisteix a tractar l'electromagnetisme com un fenomen quàntic. En la física clàssica, Maxwell havia descrit la llum com una ona electromagnètica. En la física quàntica, el camp electromagnètic pot tenir excitacions discretes: els fotons. Un fotó no ha de #imaginar simplement com una petita esfera de llum, sinó com un quant, una excitació del camp electromagnètic. Aquesta idea canvia completament la manera d'entendre la interacció. Un electró no es limita a #moure dins d'un camp electromagnètic clàssic. En la QED, tant l'electró com el camp electromagnètic formen part d'una descripció quàntica. Els electrons són excitacions del camp de matèria i els fotons són excitacions del camp electromagnètic.