양자장론의 의미와 파생 분야

양자장론의 의미와 파생 분야

양자장론의 의미

양자장론(Quantum field theory)은 힘의 작용이 미치는 범위, 즉 다양한 역장(Field of force)을 통한 아원자 입자의 행동과 그들의 상호작용을 설명하기 위해 양자역학의 요소들과 상대성의 요소를 결합한 물리 원리의 본체입니다. 영국의 물리학자인 폴 디랙이 1920년대 후반에 상대론적 전자와 다른 대부분의 물질 입자들이 어떻게 움직이는지를 설명하는 방정식을 발표하면서 시작되었습니다. 입자물리학 표준모형의 핵심에는 두 가지 양자장론이 있습니다. 이 이론들은 힘을 전달하는 보손 입자와 물질을 생성하는 페르미온의 상호작용을 통해 자연의 네 가지 힘 중 세 가지 힘에 대해 언급합니다. 그중 하나는 양자 색역학(quantum chromodynamic)입니다. 머리 겔만은 1960년대에 중입자와 중간자가 쿼크라는 기본입자로 이뤄졌다는 이론을 제안했으며 1970년대에 양자 색역학을 개발해냈습니다. 이는 강한 핵력에 대한 이론으로, 글루온이라고 불리는 보손에 의해 전달되는 이 강하고 매우 짧은 힘은 쿼크를 결합하여 양성자와 중성자와 같은 입자를 만듭니다. 그리고 다른 하나는 양자 전기역학(quantum electrodynamics)인데 이는 리처드 파인만과 줄리안 슈윙거, 도모나가 신이치로가 각각 완성해 1965년에 노벨 물리학상을 공동수상 했는데, 이 양자 전기역학은 전자기력과 약한 핵력의 통합 이론으로 고전 전자기학을 양자화하여 얻는 이론이며 빛의 현상을 역학적으로 계산한 것입니다. 모든 에너지 수준에서 전자기력이 전하 물질에 미치는 영향을 예측하고 이해하기 위한 포괄적인 수학적 틀을 제공해줍니다. 전력과 자력은 광자라고 불리는 교환 입자의 방출과 흡수에 의해 발생하는 것으로 알려져 있으며 전자기장의 교란으로 표현될 수 있습니다. 적절한 조건에서 광자는 전하 입자가 완전히 없어질 수 있으며 빛과 다른 형태의 전자기 복사로 탐지될 수 있습니다.

양자장론의 파생 분야

이렇게 양자장론은 입자 물리학 현상을 설명하기 위해 고안된 이론이지만 물리학의 다른 분야에서도 많이 응용되고 있습니다. 그리고 물리학자들 사이에서는 방사성 붕괴 중 베타 붕괴를 일으키는 약한 힘과 원자핵의 구성 요소를 결합시켜주는 강한 힘, 그리고 중력 등의 자연의 다른 힘들을 양자 전기역학 혹은 그와 유사한 게이지 이론이라고 부르는 다른 이론들로 설명할 수 있다는 믿음이 널리 퍼져 있습니다. 각각의 힘은 자신의 교환 입자에 의해 매개되며, 힘 사이의 차이 또한 이러한 입자의 특성에 반영됩니다. 예를 든다면 전자기력과 중력은 먼 거리에 걸쳐 작용하며, 그들의 교환 입자에는 질량이 존재하지 않습니다. 그리고 그와는 반대로 강력과 약력은 원자핵 크기보다 짧은 거리에서만 작용합니다. 쿼크 사이의 강력의 효과를 설명하는 현대 양자장론인 양자 색역학은 위에서도 얘기했듯이 글루온이라고 불리는 교환 입자의 존재를 예측합니다. 그리고 글루온 역시 양자 전기역학과 비슷하게 질량은 적지만 이는 쿼크를 본질적으로 양성자와 중성자와 같은 결합 입자와 결합하는 방식으로 상호작용이 발생합니다. 약력은 거대한 교환 입자에 의해 전달되기 때문에 일반적인 원자핵 지름의 약 1% 수준인 극히 짧은 범위로 제한됩니다. 현재 물질 간의 근본적인 상호작용에 대한 이론적인 이해를 위해서는 이러한 힘의 양자론을 알아야 할 필요가 있습니다.