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'''量子電磁力学'''（りょうしでんじりきがく、{{Lang-en|''Quantum electrodynamics''}}, QED）とは、[[電子]]を始めとする[[荷電粒子]]間の[[電磁相互作用]]を[[量子論]]的に記述する[[場の量子論]]である。量子電気力学と訳される場合もある。

== 概要 ==
量子電磁力学では、荷電粒子間に働く電磁相互作用を[[光子]]という粒子の受け渡しによるものと考える。荷電粒子と光子は量子的な場（[[場の演算子]]）として扱われる。電子の場は4成分の[[ディラック場]]、光子の場は[[ベクトル場]]である。

電子は電荷をもっており、この電荷が時空の各点で（つまり、常に連続的に）保存することを理論に要請すると、光子を表す場が自然に定義される。この要請は[[ゲージ理論|ゲージ変換]]と呼ばれる場の量の変換に対して理論が持つべき対称性（[[ゲージ不変性]]）
として表され、それを保証する場（光子場）を[[ゲージ場]]と呼ぶ。ゲージ場は厳密に質量が0である。光子の質量が0という事実（[[光速度不変の原理]]）は、このように、電子の電荷の保存と結びついている。

量子電磁力学のゲージ変換にまつわる理論の構造は、まず[[粒子場]]を用意し、理論にゲージ不変性を要求することによって粒子間の相互作用を導くという[[ゲージ原理]]の考え方を導き、電磁相互作用以外の相互作用においても、[[場の理論]]の構築の際の基礎とされている。

量子電磁力学は[[特殊相対性理論]]と[[量子力学]]を結びつけた[[ポール・ディラック]]の電子論（[[ディラック方程式]]）では説明できない[[水素原子]]の 2s と 2p [[エネルギー準位|準位]]のずれ（[[ラムシフト]]）などを説明できるとされる。

== 歴史 ==
1927年、[[ポール・ディラック]]は粒子の[[生成消滅演算子]]という概念を導入することで[[電磁場の量子化]]に初めて成功し<ref name=dirac>{{cite journal | author=P.A.M. Dirac | year=1927 | title=The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation | journal=[[Proceedings of the Royal Society of London A]] | volume=114 | pages=243-265 | doi=10.1098/rspa.1927.0039}}</ref>、これが量子電磁力学の創始となった。ただし、生成消滅演算子は別の人間が創りだしたものである。その後、[[ヴォルフガング・パウリ]]、[[ユージン・ウィグナー]]、[[パスクアル・ヨルダン]]、[[ヴェルナー・ハイゼンベルク]]らの尽力により量子電磁力学の定式化が始まり、1932年の[[エンリコ・フェルミ]]の論文<ref name=fermi>{{cite journal | author=E. Fermi | year=1932 | title=Quantum Theory of Radiation | journal=[[Reviews of Modern Physics]] | volume=4 | pages=87-132 | doi=10.1103/RevModPhys.4.87}}</ref>によりエレガントな定式化がほぼ完成した。しかし、量子電磁力学の根幹には重大な問題が残っていた。

# 光子や荷電粒子を計算すると無限大に発散する。この問題は1930年代初頭に[[ロバート・オッペンハイマー]]<ref name=oppenheimer>{{cite journal | author=R. Oppenheimer | year=1930 | title=Note on the Theory of the Interaction of Field and Matter | journal=[[Physical Review]] | volume=35 | pages=461-477 | doi=10.1103/PhysRev.35.461}}</ref>や他の多くの物理学者によって初めて認識された。[[フェリックス・ブロッホ]]と{{仮リンク|アーノルド・ノルドジーク|en|Arnold Nordsieck}}の研究<ref name=bloch>{{cite journal
 | author=F. Bloch, A. Nordsieck | year=1937 | title=Note on the Radiation Field of the Electron | journal=[[Physical Review]] | volume=52 | pages=54-59 | doi=10.1103/PhysRev.52.54}}</ref>（1937年）や[[ヴィクター・ワイスコフ]]の研究<ref name=weisskopf>{{cite journal | author=V. F. Weisskopf | year=1939 | title=On the Self-Energy and the Electromagnetic Field of the Electron | journal=[[Physical Review]] | volume=56 | pages=72-85 | doi=10.1103/PhysRev.56.72}}</ref>（1939年）では、この計算が摂動展開の1次においては成功するが、高次の級数において無限大が現れることが指摘された。計算結果に無限大が現れることは物理法則として致命的である。
# 時間の順序関係が成り立たないという因果律の破れが湯川やディラックにより指摘された。これも深刻な話である。
# 量子電磁力学は場の理論で記述され相対論を満たすが、相対論的な変換を行うと形式が保持されず、美しくなく見通しが悪い。これを相対論的な共変性がないという。
# 計算形式（ハイゼンベルク、シュレディンガー）は相互作用を含み、計算が複雑になる。無限大の発生を解決する上で障害となった。

このような問題で当時の物理学は混乱を極めたが、1943年、朝永は相対論的な共変性を満たす超多時間論を見出し、湯川らが指摘した因果律の破れを無限大の補正を加えて回避した。
同論文で、くりこみで本質的な役割を果たす相互作用表示を提示したことも重要である<ref>{{Cite journal|和書|author=田地隆夫 |title=超多時間理論(<特集>朝永振一郎博士の業績をふりかえって) |journal=日本物理学会誌 |ISSN=0029-0181 |publisher=日本物理学会 |year=1980 |volume=35 |issue=1 |pages=65-67 |naid=130004067090 |doi=10.11316/butsuri1946.35.65 |url=https://doi.org/10.11316/butsuri1946.35.65}}</ref>。（戦後、シュウィンガーも相互作用表示を朝永と独立に見出す）。[[朝永振一郎]]は、超多時間論や相互作用表示を基に、「くりこみ原理」の厳密な式を求めていく<ref>{{Cite journal|和書|author=伊藤大介 |title=くりこみ理論の建設(<特集>朝永振一郎博士の業績をふりかえって) |journal=日本物理学会誌 |ISSN=0029-0181 |publisher=日本物理学会 |year=1980 |volume=35 |issue=1 |pages=67-71 |naid=130004067091 |doi=10.11316/butsuri1946.35.67 |url=https://doi.org/10.11316/butsuri1946.35.67 |ref=harv}}</ref>。

{{see|朝永振一郎}}

第二次世界大戦を経て[[マイクロ波]]技術の進歩により水素原子のエネルギー準位の縮退からのずれ（[[ラムシフト]]）
<ref name=lamb>{{cite journal
 | author=W. E. Lamb, R. C. Retherford
 | year=1947
 | title=Fine Structure of the Hydrogen Atom by a Microwave Method,
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=72 | pages= 241-243
 | doi=10.1103/PhysRev.72.241
}}</ref>や電子の[[異常磁気モーメント]]<ref name=foley>
{{cite journal
 | author=P. Kusch, H. M. Foley
 | year=1948
 | title=On the Intrinsic Momement of the Electron,
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=73 | pages=412
 | doi=10.1103/PhysRev.74.250
}}
</ref>をより精密に測定することが可能になると、これらの実験により既存の理論では説明することのできない現象の存在が明らかとなった。1947年、[[ハンス・ベーテ]]は、質量と電荷に無限大の補正を加えることで、無限大がうまく相殺し最終的に有限の物理量が導出されることを示す論文を提出したが<ref>ベーテは、シェルターアイランド会議に出席した帰りにスケネクタディからニューヨークへ向かう汽車の中で、水素原子の非相対論的なエネルギー準位について矛盾の無い計算方法を思いつき、論文を提出した。</ref><ref name=schweber>{{cite book
|last=Schweber
|first=Silvan
|year=1994
|isbn=978-0691033273
|title=QED and the Men Who Did it: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga
|chapter=Chapter 5
|page=230 |publisher=Princeton University Press}}</ref>
<ref name=bethe>
{{cite journal
 | author=H. Bethe
 | year=1947
 | title=The Electromagnetic Shift of Energy Levels
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=72 | pages=339-341
 | doi=10.1103/PhysRev.72.339
}}
</ref>、非相対論での簡易計算であった。朝永の超多時間論や、朝永表示（相互作用のない表示）は戦争のためアメリカには伝わっていず、また、ファインマンの経路積分がない当時、この問題の解決は困難であった。

朝永グループを率い、繰り込みを完成しようとしていた[[朝永振一郎]]は、ラムシフト発見に驚くとともに、ベーテの1947年の非相対論的な計算が、朝永のP-F変換の延長上にあることを見出し、みずからの試みが正しいことを確信し、相対論的なくりこみ理論の完成を急いだ<ref>{{Cite journal|和書|author=長島順清 |title=素粒子の物理 : 先駆と展開の鳥瞰(<シリーズ>「日本の物理学100年とこれから」) |journal=日本物理学会誌 |ISSN=0029-0181 |publisher=日本物理学会 |year=2005 |volume=60 |issue=3 |pages=171-179 |naid=130004181306 |doi=10.11316/butsuri1946.60.171 |url=https://doi.org/10.11316/butsuri1946.60.171}}</ref>{{sfn|伊藤大介|1980}}。また、ファインマン、シュウィンガー、ダイソンは、ラムシフトを契機に繰り込みに向かい、経路積分や相互作用表示（1943年の朝永と同じもの）を見出し、これらを元に繰り込みを目指した。そして、[[朝永振一郎]]<ref name=tomonaga>
{{cite journal
 | author=S. Tomonaga
 | year=1946
 | title=On a Relativistically Invariant Formulation of the Quantum Theory of Wave Fields
 | journal=[[Progress of Theoretical Physics]]
 | volume=1 | pages= 27-42
 | doi=10.1143/PTP.1.27
}}
</ref>、[[ジュリアン・シュウィンガー]]<ref name=schwinger1>
{{cite journal
 | author=J. Schwinger
 | year=1948
 | title=On Quantum-Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=73 | pages= 416-417
 | doi=10.1103/PhysRev.73.416
}}
</ref><ref name=schwinger2>
{{cite journal
 | author=J. Schwinger
 | year=1948
 | title=Quantum Electrodynamics. I. A Covariant Formulation
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=74 | pages= 1439-1461
 | doi=10.1103/PhysRev.74.1439
}}
</ref>、[[リチャード・ファインマン]]<ref name=feynman1>
{{cite journal
 | author=R. P. Feynman
 | year=1949
 | title=Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=76 | pages= 769-789
 | doi=10.1103/PhysRev.76.769
}}
</ref><ref name=feynman2>
{{cite journal
 | author=R. P. Feynman
 | year=1949
 | title=The Theory of Positrons
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=76 | pages= 749-759
 | doi=10.1103/PhysRev.76.749
}}
</ref><ref name=feynman3>
{{cite journal
 | author=R. P. Feynman
 | year=1950
 | title=Mathematical Formulation of the Quantum Theory of Electromagnetic Interaction
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=80 | pages= 440-457
 | doi=10.1103/PhysRev.80.440
}}
</ref>、[[フリーマン・ダイソン]]<ref name=dyson1>
{{cite journal
 | author=F. Dyson
 | year=1949
 | title=The Radiation Theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=75 | pages= 486-502
 | doi=10.1103/PhysRev.75.486
}}
</ref><ref name=dyson2>
{{cite journal
 | author=F. Dyson
 | year=1949
 | title=The S Matrix in Quantum Electrodynamics
 | journal=[[Physical Review]]
 | volume=75 | pages= 1736-1755
 | doi=10.1103/PhysRev.75.1736
}}
</ref>らが摂動展開の全てのオーダーにおいて観測される物理量が有限となるような定式化を完成させた。問題発生から繰り込みによる解決までの20年、超多時間論・相互作用表示・経路積分を経て、繰り込みは建設された<ref>今もこれらの手法は標準的な手法として使われている</ref>。これらの業績により朝永、シュウィンガー、ファインマンの3人は1965年に[[ノーベル物理学賞]]を受賞した。ファインマンによる[[ファインマン・ダイアグラム]]を用いた数学的なテクニックは朝永、シュウィンガーの演算子を用いる計算方法とはかなり異なるように見えたが、後にダイソンはこの二つのアプローチが数学的に等価であることを証明した。

{{see|ジュリアン・シュウィンガー|リチャード・P・ファインマン|フリーマン・ダイソン}}

繰り込みは場の量子論における基本的な概念の一つであり、理論の妥当性を保証するために必要不可欠な操作である。繰り込みの導入によって物理的な矛盾は解消できたが、ファインマン自身はその数学的な妥当性については最後まで満足せずに、"shell game"（「いんちき」）、"hocus pocus"（「奇術」）のようだと自著で述べている<ref name=feynbook2>{{cite book
|last=Feynman
|first=Richard
|year=1985 |isbn=978-0691125756
|title=QED: The Strange Theory of Light and Matter
|chapter=
|page=128
|publisher=Princeton University Press}}</ref>。
また、超多時間論で「湯川-ディラックの因果律の破れ」の問題は回避されたが、超対称性を世界で最初に提起した[[宮沢弘成]]は、場の量子論における因果律の破れは最終的な解決にいたっていないと主張している。

{{see|湯川秀樹|宮沢弘成}}

=== 基本モデルとして ===
量子電磁力学はその後に発展する場の量子論に関する数々の理論の基礎的なモデルとして採用されている。1964年に[[フランソワ・アングレール]]、[[ロベール・ブルー]]<ref>{{Cite journal
| author=Englert, François; Brout, Robert
 |year=1964
 |title=Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons
 |journal=[[Physical Review Letters]]
 |volume=13 |pages=321-23
 |doi=10.1103/PhysRevLett.13.321
 |postscript=<!--None-->
}}</ref>、[[ゲラルド・グラルニク]]、[[C・R・ヘイガン]]、[[トマス・キブル]]<ref>
{{cite journal
 | author=G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble
 | year=1964
 | title=Global Conservation Laws and Massless Particles
 | journal=[[Physical Review Letters]]
 | volume=13 | pages=585-587
 | doi=10.1103/PhysRevLett.13.585
}}</ref><ref>
{{cite journal
 | author=G.S. Guralnik
 | year=2009
 | title=The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles
 | journal=[[International Journal of Modern Physics A]]
 | volume=24 | pages=2601-2627
 | doi=10.1142/S0217751X09045431
 | id={{arxiv|0907.3466}}
}}</ref>、[[ピーター・ヒッグス]]によって[[ヒッグス機構]]が考案された。さらに、1961年に[[シェルドン・グラショウ]]が電弱統一理論の基礎を構築し、これらの理論と[[自発的対称性の破れ]]、[[南部＝ゴールドストーンの定理]]などを組み合わせることで1967年、[[スティーヴン・ワインバーグ]]と[[アブドゥッサラーム]]がそれぞれ独立の研究で[[電磁相互作用]]と[[弱い相互作用]]を一つの相互作用へと統一することに成功し、[[電弱統一理論]]が初めて完成した。一方、[[強い相互作用]]を記述する[[量子色力学]]は、1971年の[[ヘーラルト・トホーフト]]による[[ヤン＝ミルズ理論|非可換ゲージ場]]のくり込み可能性の証明や1973年の[[H. デビッド・ポリツァー]]、[[デイビッド・グロス]]、[[フランク・ウィルチェック]] による[[漸近的自由性]]の研究によって強い相互作用の基礎理論としての地位を固めた。

== 定式化 ==
数学的には、量子電磁力学（以下、QEDと表記）は[[U(1)]]対称性を持つ[[アーベル群|可換]][[ゲージ理論]]である。電荷を持つ物質場同士の相互作用を媒介するゲージ場は[[電磁場]]である。

電磁場 A と相互作用する物質場 &psi; についてのQED[[作用積分]]は以下のように表される。
{{Indent|
<math>S_\mathrm{QED}[\psi,A]
 =\int d^4x\, \mathcal{L}_\mathrm{matter}(\psi,\mathcal{D}\psi)
 +\int d^4x\, \mathcal{L}_A(\partial A)</math>
}}
ここで、<math>\mathcal{L}_\mathrm{matter}</math> は物質場の[[ラグランジアン密度]]であり、微分は <math>\mathcal{D}\psi</math> は[[ヤン＝ミルズ理論#共変微分|共変微分]]
{{Indent|
<math>\mathcal{D}_\mu\psi_j(x) = \partial_\mu\psi_j(x) -ieA_\mu(x)Q_j\psi_j(x)</math>
}}
に置き換えられる。e は電磁相互作用の[[結合定数 (物理学)|結合定数]]で[[素電荷]]である。
Q<sub>j</sub> は物質 &psi;<sub>j</sub> の U(1) [[チャージ (物理学)|チャージ]]である。
<math>\mathcal{L}_A(\partial A)</math> は電磁場の運動項であり、
{{Indent|
<math>\mathcal{L}_A(\partial A)
 =-\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}</math>
}}
である。<math>F_{\mu\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu</math> は[[電磁場テンソル]]である。

=== ディラック場 ===
物質場が質量 m の[[ディラック場]]の場合は
{{Indent|
<math> \begin{align}
\mathcal{L}_\mathrm{matter}(\psi,\mathcal{D}\psi)
 &= \sum_j \left( i\bar\psi_j\gamma^\mu\mathcal{D}_\mu\psi_j -m_j\bar\psi_j\psi_j \right) \\
 &= \sum_j \left( i\bar\psi_j\gamma^\mu\partial_\mu\psi_j -m_j\bar\psi_j\psi_j
 +eA_\mu Q_j\bar\psi_j\gamma^\mu\psi_j \right)
\end{align} </math>
}}
となる。<math>\bar\psi = \psi^\dagger\gamma_0</math> はディラック場の共役場で、<math>\gamma^\mu</math> は[[ガンマ行列]]である。

ディラック場についての[[ラグランジュの運動方程式]]を計算すると
{{Indent|
<math>i\gamma^\mu\partial_\mu\psi_i -m\psi_i -eA_\mu Q_i\gamma^\mu\psi_i =0</math>
}}
となる。第3項を右辺へ移行して
{{Indent|
<math>i\gamma^\mu\partial_\mu\psi_i -m\psi_i =eA_\mu Q_i\gamma^\mu\psi_i</math>
}}
とすれば、左辺が通常の[[ディラック方程式]]、右辺がディラック場と電磁場との相互作用項となる。

また[[4元電流密度]]は
{{Indent|
<math>j^\mu(x) = -\frac{\delta S_\mathrm{matter}[\psi,A]}{\delta A_\mu(x)}
 = \sum_j eQ_j\bar\psi_j\gamma^\mu\psi_j</math>
}}
である。

== 脚注 ==
{{Reflist|30em}}

== 関連項目 ==
* [[繰り込み理論]]
* [[ファインマンダイアグラム]]
* [[ヤン＝ミルズ理論]]
* [[木下東一郎]]

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:りようしてんしりきかく}}
[[Category:素粒子物理学]]
[[Category:場の量子論]]