Лэ́мбовский сдвиг у́ровней, смещение уровней энергии связанных состояний атомов, ионов, а также подобных им искусственных систем заряженных частиц типа мюонных атомов и мюония, обусловленное радиационными поправками. Наиболее простой квантовой системой, в которой впервые был обнаружен и измерен лэмбовский сдвиг, является атом водорода. Уравнение Дирака для электрона в кулоновском поле точечного ядра предсказывает вырождение уровней энергии связанных состояний, обладающих одними и теми же главным квантовым числом $n$ и квантовым числом $j$ полного момента количества движения, но двумя возможными значениями орбитального квантового числа $l=j±½ (n>1).$ Поэтому, например, состояния $2S\ 1/2 \ (n=2, j=½, l=0) \varkappa$ и $2P\ 1/2\ (n=2, j= ½, l=1)$ должны иметь одинаковую энергию. При спектроскопических исследованиях линий серии Бальмера в 1934–1939 гг. было обнаружено, что величина тонкого расщепления первого возбуждённого состояния меньше, чем это следовало из теории Дирака. Это несовпадение можно было объяснить тем, что уровень $2S_{1/2}$ расположен выше уровня $2P_{1/2}$ приблизительно на 1000 МГц. Однако невысокая точность экспериментов вызвала сомнение в реальности такого сдвига.

В 1947 г. У. Лэмб и Р. Ризерфорд (США) с помощью разработанного ими радиоспектроскопического метода показали, что уровень $2S_{1/2}$ действительно смещён на 1000 МГц вверх относительно уровня $2P_{1/2}$. Это открытие (Нобелевская премия, 1955), а также первые теоретические расчёты (Х. Бете, 1947) радиационных сдвигов водородных уровней послужили толчком для последующего развития квантовой электродинамики.

Причиной лэмбовского сдвига являются квантовые флуктуации вакуума электромагнитного и электрон-позитронного полей (физического вакуума), которые меняют потенциальную энергию взаимодействия электрона с ядром. Взаимодействие электрона с нулевыми колебаниями электромагнитного поля описывается диаграммой Фейнмана и включает процессы виртуального испускания и поглощения фотонов связанным электроном. Вызванное этими процессами «дрожание» электрона с некоторой малой амплитудой приводит к положительной добавке к потенциалу взаимодействия и соответственно к сдвигу атомного уровня вверх. Величина сдвига пропорциональна вероятности нахождения электрона вблизи ядра и поэтому максимальна для сферически-симметричных состояний с $l = 0.$ Оценка относительной величины радиационного сдвига $α(Zα)^2ln(1/Zα)$ составляет 10^–6 (здесь $α ≈ ^1/_{137}$ – постоянная тонкой структуры и $Z =1$ для водорода).

Другим радиационным эффектом является поляризация вакуума вокруг точечного заряда ядра из-за виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар, которая искажает кулоновский потенциал на расстояниях порядка комптоновской длины волны электрона, увеличивая эффективный заряд ядра и понижая тем самым энергию уровня. Для водородоподобных атомов эти расстояния существенно меньше радиуса боровской орбиты электрона и поправка мала по сравнению с поправкой за счёт квантовых флуктуаций электромагнитного поля, так что результирующий сдвиг уровня положителен. В мюонных атомах, наоборот, основной вклад в лэмбовский сдвиг определяется поляризацией электрон-позитронного вакуума, поскольку радиус боровской орбиты мюона приблизительно в 200 раз меньше, чем для электрона. В результате, например, в мюонном атоме водорода уровень $2S_{1/2}$ лежит ниже уровня $2P_{1/2}.$

Экспериментальные измерения лэмбовского сдвига (прежде всего частотного интервала $δ_Н$ между состояниями $2S_{1/2}$ и $2P_{1/2}$ в водороде и водородоподобных атомах) проводились в течение многих лет радиоспектроскопическим методом (погрешность этих измерений составляла около 100 кГц), а также c помощью атомного интерферометра, при этом была достигнута наименьшая погрешность около 2 кГц (1981). Новейшие измерения на основе двухфотонной лазерной спектроскопии дают значение $δ_Н = 1057,8447(34) МГц.$

В современной теории лэмбовского сдвига учтены ведущие поправки высших порядков по константе связи $Zα,$ поправки второго порядка по $α$ в собственной энергии, аномальном магнитном моменте и поляризации вакуума, а также учтены эффекты, связанные с конечностью массы и радиуса протона. В пределах достигнутой точности вычислений теоретические результаты согласуются с экспериментальными. Прецизионные расчёты и измерения радиационных сдвигов дают возможность извлечь независимую информацию о радиусе протона.