Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähkömagneettinen vuorovaikutus (sähkövoima) on yksi standardimallin neljästä perusvuorovaikutuksesta. Se saa aikaan sähköiset ja magneettiset ilmiöt. Sen välittäjähiukkasia ovat fotonit. 
Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen tuntevat kaikki varatut hiukkaset. Jos niiden varaukset ovat keskenään samanmerkkiset, ne hylkivät toisiaan, mutta jos ne ovat erimerkkiset, hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa. Jos sähköisesti varatut hiukkaset ovat liikkeessä toisiinsa nähden, niiden välillä vaikuttavat myös magneettiset voimat.

Vaikutuksia

Aineen perushiukkasista protonilla on positiivinen, elektronilla negatiivinen varaus. Niiden välinen sähköinen vetovoima pitää atomia koossa. Sähkömagneettinen vuorovaikutus saa eri tavoin aikaan myös kaikki atomien välillä vallitsevat kemialliset sidosvoimat, ja ne pitävät koossa myös molekyylejä ja kaikkia tunnettuja aineita.
Protonin ja elektronin välinen sähkö­magneettinen vuoro­vaikutus on noin 10³⁹ kertaa voimakkaampi kuin niiden välinen gravitaatiovuorovaikutus. Mutta makro­skooppisissa kappaleissa ei yleensä ole netto­sähkö­varausta tai se on hyvin pieni. Sen vuoksi suurilla etäisyyksillä kappaleiden väliset sähköiset veto- ja poisto­voimat kumoavat toisensa, ja esimerkiksi taivaankappaleiden liikkeisiin vaikuttaakin käytännössä yksinomaan gravitaatio. Kaksi muuta perus­vuoro­vaikutusta, vahva ja heikko vuorovaikutus taas vaikuttavat vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä, käytännössä vain atomi­ytimen sisällä.

Maxwellin yhtälöt

Klassisessa fysiikassa sähkömagneettiset ilmiöt kuvataan Maxwellin yhtälöiden avulla. Ne kuvaavat varausten ja sähkövirtojen aikaansaamia sähkö- ja magneetti­kenttiä ja sitä, miten ne liittyvät toisiinsa. Niistä seuraa myös sähkö­magneettisten aaltojen mahdollisuus. On osoittautunut, että valokin muodostuu sähkö­magneettisista aalloista, joiden aallonpituus on tietyllä välillä.

Kvanttikenttäteoria

Sähkömagneettisia vuorovaikutuksia kuvaava kvanttikenttäteoria on nimeltään kvanttielektrodynamiikka eli QED. Se on tarkin tunnettu fysikaalinen teoria. Sen ennuste elektronin magneettiselle momentille pitää paikkansa kymmenen numeron tarkkuudella. Klassisessa fysiikassa sähkömagneettiset ilmiöt kuvataan Maxwellin yhtälöiden avulla.
Kvanttielektrodynamiikka on muodoltaan kenttäteoria, joka on esikuvana monille muille kenttäteorioille, kuten kvanttiväridynamiikalle. QED:n suurin ansio on erään sen kehittäjän, Richard Feynmanin, mukaan nimetyt Feynmanin graafit. Ne antavat uuden tavan kuvata fysiikan ilmiöitä, nimittäin piirtämällä tutkittava reaktio saadaan sen vaikutusmatriisi muodostettua. Feynmanin graafit muodostuvat vertekseistä ja propagaattoreista, joihin jokaiseen liittyy tietty termi, ja seuraamalla kuvaajaa voidaan termejä asetella perättäin ja laskea vaikutusala eri reaktioille.
Toisen tai korkeamman kertaluvun graafien vaikutusala on suoraan laskettuna ääretön. Tämä ongelma on ratkaistu renormalisaatiolla. Renormalisaatiossa tulee laskea yhteen kaikki samaa kertalukua olevat graafit. Lisäksi teoreettisiin (paljaisiin) massoihin ja varauksiin täytyy lisätä korjaustermit, joilla säteilykorjauksia sisältävät fysikaaliset massat ja varaukset saavat mitatut arvonsa.