양자 전기역학의 정의

양자 전기역학의 정의

양자 전기역학(quantum electrodynamics)은 흔히 QED라고도 불리는데 이는 전하 입자와 전자기장의 상호작용에 관한 양자장 이론입니다. 1928년에 영국의 물리학자인 폴 에이드리언 모리스 디랙(Paul Adrien Maurice Dirac)은 전자의 운동과 스핀을 설명하고 양자 역학과 특수 상대성 이론을 통합한 파동 방정식의 발견으로 양자 전기역학의 기초를 만들었습니다. 그리고 이 이론은 1940년대 후반에 리처드 파인만(Richard P. Feynma)에 의해 다듬어지고 완전히 발전되었습니다. 후에 리처드 파인만과 도모나가 신이치로, 줄리언 슈윙거 이 3명은 각각 독자적으로 양자 전기역학을 개발한 공로로 1965년에 노벨 물리학상을 공동 수상하였습니다. 양자 전기역학은 전자기력을 전달하는 입자인 광자를 방출하고 흡수함으로써 전자와 양전자 같은 하전 입자(charged particle)가 상호 작용한다는 생각에 기초하며 이는 수학적으로 빛과 물질의 모든 상호작용뿐만 아니라 하전입자가 서로 상호작용하는 것을 설명해줍니다. 이는 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 각각의 방정식에 내재되어 있다는 점에서 상대론적인 이론이며 원자와 분자의 거동이 본질적으로 전자기적이기 때문에, 모든 원자 물리학은 이론의 실험실로 간주될 수 있습니다. 양자 전기역학의 가장 정확한 테스트 중 일부는 뮤온으로 알려진 아원자 입자의 특성을 다루는 실험이었습니다. 이러한 유형의 입자의 자기 모멘트는 9개의 유효 자릿수까지 이론과 일치하는 것으로 나타났습니다. 그러한 높은 정확도의 동의는 양자 전기역학을 지금까지 고안된 가장 성공적인 물리 이론 중 하나로 만듭니다. 이 광자들은 가상의 물건이므로 에너지와 운동량의 보존을 위반하기 때문에 어떤 방식으로도 보이거나 탐지될 수 없습니다. 상호 작용하는 입자들이 광자의 에너지를 방출하거나 흡수하면서 이동 속도와 방향을 바꾸기 때문에 광자 교환은 상호 작용의 힘일 뿐입니다. 또한 광자는 자유 상태에서 방출될 수 있으며, 이 경우 빛이나 다른 형태의 전자기파로 관찰될 수가 있습니다. 두 전자 사이의 힘의 예를 들어보면, 고전적인 전자기 이론은 각 전자가 다른 전자 위치에 있는 전기장에서 발생하는 것으로 설명할 수 있으며 이 힘은 쿨롱의 법칙을 이용하면 계산할 수 있습니다. 두 하전 입자의 상호작용은 복잡성이 증가하는 일련의 과정에서 일어나며 가장 간단한 과정에서는 하나의 가상 광자만 관여하고, 2차 과정에서는 두 개의 광자가 관여합니다. 이 과정은 입자들이 가상 광자의 교환에 의해 상호작용할 수 있는 가능한 모든 방법에 해당합니다. 즉 양자장론 접근법은 전자들 사이의 힘을 가상 광자의 교환에서 발생하는 교환력으로 시각화시킵니다. 그리고 이는 파인만의 도표로 표현하는 것이 가능합니다. 파인만의 도표는 양자장에서 전이 진폭이나 상관 함수의 계산에서 나타나는 항들을 도형으로 나타낸 것으로 이는 입자 물리학의 언어이며 중추적인 역할을 하고 있습니다. 그리고 파인만의 적분으로 알려진 수학적 접근을 이용해서 힘의 세기를 계산할 수 있습니다. 이는 과정에 대한 직관적인 그림을 제공할 뿐만 아니라, 이 유형의 다이어그램은 관련된 변수를 계산하는 방법을 정확하게 규정합니다. 각각의 아원자 과정은 이전의 것보다 계산적으로 더 어려워지고, 무한한 수의 프로세스가 있습니다. 그러나 양자 전기역학 이론은 교환되는 가상 광자의 수가 많을수록, 즉 프로세스가 복잡할수록 발생 확률은 더 작아진다고 말합니다. 양자 전기역학은 전자와 양전자와 같은 대전된 기본 입자와 관련된 모든 전자기 현상과 쌍 생성, 전자와 양전자 소멸, 콤프턴 산란 등과 같은 관련 현상에 적용되며 이는 램 시프트와 전자의 변칙적인 자기 모멘트와 같이 고전적인 유사성이 없는 몇몇 양자 현상을 정밀하게 모델링하는 데 사용되었습니다. 양자 전기역학은 입자 생성과 소멸과 같은 아이디어를 자기 일관성 있는 프레임워크에 통합한 최초의 성공적인 양자장 이론이었습니다. 양자 전기역학은 미세 구조 상수의 작음과 결과적으로 고차 기여의 크기가 감소하기 때문에 종종 섭동 이론이라고도 불립니다. 이러한 상대적 단순성과 양자 전기역학의 성공 덕에 이는 다른 양자장 이론의 모델이 되었으며 가상 입자의 교환으로서의 전자기적 상호작용의 그림은 물질의 다른 기본적인 상호작용인 강력과 약력, 그리고 중력에 대한 이론으로 이어지게 되었습니다.