Cómo nació la electrodinámica cuántica, la teoría de la luz y la materia
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Cómo nació la electrodinámica cuántica, la teoría de la luz y la materia
La Mirada del Lector
Su historia comienza con una pregunta aparentemente sencilla cuya respuesta no llegó de una sola vez
Freeman Dyson, en octubre del 2005.
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Juan Miguel Ibáñez de Aldecoa Quintana
Madrid
15/10/2026 05:50 Síguenos en Google
* El autor forma parte de la comunidad de lectores de La Vanguardia
La electrodinámica cuántica, conocida como QED, es la teoría que explica cómo interactúan la luz y la materia a escala microscópica. Su historia comienza con una pregunta aparentemente sencilla: ¿cómo describir un electrón de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica cuando, además, debemos tener en cuenta la relatividad y el electromagnetismo? La respuesta no llegó de una sola vez ni fue obra de un único científico. Fue el resultado de varias décadas de trabajo en las que participaron, entre otros, Paul Dirac, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman y Freeman Dyson.
El primer paso importante lo dio Paul Dirac. En 1928 formuló una ecuación que permitía describir el electrón combinando mecánica cuántica y relatividad especial. Para entender su papel en la historia de la QED no es necesario entrar en sus detalles matemáticos.
Lo esencial es que Dirac proporcionó una descripción cuántica y relativista del electrón y mostró que el problema de la materia y el electromagnetismo debía abordarse de una manera nueva. De hecho, posteriormente trabajó también en la interacción entre electrones y campos electromagnéticos.
Lo esencial es que Dirac proporcionó una descripción cuántica y relativista del electrón
El problema era que una primera teoría cuántica del electromagnetismo producía resultados absurdos cuando se intentaban realizar cálculos más precisos. Aparecían cantidades infinitas que no podían compararse con los experimentos. La dificultad no era un pequeño defecto matemático: significaba que la teoría, tal como estaba formulada, no permitía obtener de manera directa predicciones físicas sensatas.
La situación se hizo especialmente urgente gracias a los experimentos. En 1947, Polykarp Kusch midió con gran precisión el momento magnético del electrón y descubrió que era ligeramente diferente del valor previsto por la teoría de Dirac.
Al mismo tiempo, Willis Lamb y Robert Retherford habían medido una pequeña diferencia entre niveles de energía del hidrógeno, conocida como desplazamiento de Lamb. Estos resultados demostraban que hacía falta algo más que la teoría relativista de Dirac.
Aquí comienza propiamente la construcción de la electrodinámica cuántica moderna. La idea fundamental consiste en tratar el electromagnetismo como un fenómeno cuántico. En la física clásica, Maxwell había descrito la luz como una onda electromagnética. En la física cuántica, el campo electromagnético puede tener excitaciones discretas: los fotones. Un fotón no debe imaginarse simplemente como una pequeña esfera de luz, sino como un cuanto, una excitación del campo electromagnético.
La idea fundamental consiste en tratar el electromagnetismo como un fenómeno cuántico
Esta idea cambia completamente la manera de entender la interacción. Un electrón no se limita a moverse dentro de un campo electromagnético clásico. En la QED, tanto el electrón como el campo electromagnético forman parte de una descripción cuántica. Los electrones son excitaciones del campo de materia y los fotones son excitaciones del campo electromagnético. La teoría establece las reglas que permiten calcular cómo interactúan unos con otros.
Pero convertir esta idea en una teoría capaz de hacer predicciones precisas fue extraordinariamente difícil. Después de la Segunda Guerra Mundial, tres físicos trabajaron de manera independiente en distintas formulaciones que acabarían convergiendo: Sin-Itiro Tomonaga en Japón, Julian Schwinger en Estados Unidos y Richard Feynman también en Estados Unidos. Los tres recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física de 1965 por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica.
Tomonaga desarrolló una formulación relativista de la teoría que permitía tratar de manera consistente la interacción entre los campos. Su trabajo fue especialmente importante para comprender cómo formular la teoría respetando la relatividad. En sus recuerdos sobre el desarrollo de la QED, el propio Tomonaga explicó que Dirac había intentado ya construir una teoría relativista de los electrones que interactúan con el campo electromagnético, pero que todavía quedaban problemas fundamentales por resolver.
Schwinger abordó el problema desde una perspectiva matemática extremadamente sofisticada. En 1948 publicó su formulación covariante de la electrodinámica cuántica y desarrolló el procedimiento de renormalización, que permite transformar los infinitos que aparecen en los cálculos intermedios en predicciones físicas finitas. Gracias a este procedimiento fue posible calcular con enorme precisión cantidades observables, como las correcciones al momento magnético del electrón.
Feynman llegó a una formulación diferente y mucho más visual. Su gran aportación fue desarrollar una manera de representar los procesos cuánticos mediante los famosos diagramas de Feynman. En ellos aparecen líneas que representan electrones y fotones y vértices que representan sus interacciones. Estos dibujos no son fotografías de lo que ocurre realmente en el espacio, sino una herramienta para organizar los cálculos matemáticos. Su importancia fue enorme porque permitieron hacer mucho más manejable una teoría que, de otro modo, resultaba extraordinariamente complicada.
Podemos imaginar, por ejemplo, dos electrones que se repelen. En la descripción clásica decimos que cada electrón produce un campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre el otro. En QED, la interacción electromagnética se describe cuánticamente y puede representarse mediante el intercambio de fotones virtuales. Estos fotones virtuales no son partículas de luz que se puedan detectar directamente; son elementos matemáticos de los cálculos perturbativos que permiten representar la interacción.
Pero todavía faltaba una pieza. ¿Cómo podían ser correctos los cálculos si aparecían infinitos? Aquí entra Freeman Dyson. En 1949 mostró la relación entre las formulaciones de Feynman y Schwinger y desarrolló una formulación unificada que hizo mucho más sistemático el tratamiento de la teoría. Su trabajo ayudó a demostrar que las diferentes aproximaciones estaban describiendo la misma QED y que el procedimiento de renormalización podía organizarse de forma consistente.
Freeman Dyson, en 1949, mostró la relación entre las formulaciones de Feynman y Schwinger y desarrolló una unificada
La palabra renormalización puede resultar intimidante, pero la idea física puede explicarse de manera sencilla. Cuando se estudia un electrón en QED, no se puede considerar completamente aislado. El vacío cuántico está sujeto a fluctuaciones y el electrón interactúa con el campo electromagnético. Las cantidades que aparecen en determinados cálculos pueden resultar infinitas, pero esas cantidades no son directamente las que se miden. Lo que se mide son propiedades físicas del electrón, como su masa o su carga. La renormalización permite relacionar los parámetros matemáticos de la teoría con esas cantidades observables y obtener predicciones finitas.
El éxito de este procedimiento fue extraordinario. La QED consiguió explicar las pequeñas diferencias observadas experimentalmente y hacer predicciones de una precisión excepcional. Los trabajos de Tomonaga, Schwinger y Feynman transformaron así una teoría llena de dificultades en una herramienta predictiva de enorme poder. El Premio Nobel de 1965 reconoció precisamente este desarrollo.
Por eso conviene entender la relación entre Dirac y la QED como una evolución, no como un salto automático. Dirac proporcionó una base relativista para describir al electrón. Después, los físicos tuvieron que aprender a tratar el campo electromagnético como un campo cuántico, comprender las interacciones entre materia y radiación y resolver los infinitos que aparecían en los cálculos.
El resultado fue una teoría en la que luz y materia forman parte de una misma estructura cuántica. Los electrones y los fotones no son simplemente objetos clásicos diminutos: son excitaciones de campos cuánticos que interactúan siguiendo reglas matemáticas extraordinariamente precisas.
Y esa es la verdadera importancia histórica de la electrodinámica cuántica. La ecuación de Dirac abrió la puerta al describir correctamente el electrón en un marco cuántico y relativista. Tomonaga, Schwinger y Feynman encontraron caminos diferentes para construir una teoría coherente de la interacción electromagnética, mientras Dyson ayudó a demostrar la equivalencia y consistencia de esas formulaciones. De ese esfuerzo colectivo nació la QED moderna, una teoría que no solo explica cómo la luz interactúa con la materia, sino que lo hace con una precisión que la ha convertido en una de las teorías físicas más exitosas jamás construidas.
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