自然放出
自然放出は、電磁場を量子化しない、半古典的な量子論の枠組みでは説明することができない。 実際、量子力学の中で定常状態から他の定常状態へ遷移する確率を計算すると、その確率はゼロであることが示される。 そのため、自然放出を説明するには、量子力学を場の量子論へ拡張し、電磁場を空間の各点について量子化して取り扱わなければならない。この電子と電磁場に関する場の量子論は、量子電磁力学として知られる。
量子電磁力学 (QED) では、電磁場には基底状態すなわち真空状態があって、系全体の状態は励起原子と電磁場を合わせた形で記述される(詳細には文献 [2] を参照)。電磁場と原子との相互作用を考えることで、通常の量子力学において「定常状態」であった原子は固有状態ではなくなり、安定に存在できなくなる。特に、電子が励起状態から基底状態へと遷移すると、電磁場が基底状態から励起状態へと遷移し、一つの光子が場に生成される。自由空間における自然放出は真空のゆらぎ (vacuum fluctuations) から生じる。