양자 전기역학

양자 전기역학 (Quantum Electrodynamics, QED)은 전자기력, 즉 빛과 물질의 상호작용을 기술하는 양자장론이다. 이는 전자기장을 양자화하여 광자라는 입자를 통해 전자기력이 전달된다고 설명하며, 물질과의 상호작용은 하전 입자 (예: 전자, 양전자)와 광자 사이의 교환으로 이루어진다고 본다.

양자 전기역학은 물리학 역사상 가장 정확한 이론 중 하나로 여겨지며, 실험 결과와 놀라운 수준으로 일치한다. 예를 들어, 전자의 자기 모멘트 (g-인자)를 매우 높은 정확도로 예측하며, 이러한 예측은 실험적으로 검증되었다.

주요 특징:

• 게이지 이론: 양자 전기역학은 U(1) 게이지 대칭성을 가지는 아벨 게이지 이론이다. 이 대칭성은 전자기장의 불변성을 의미하며, 광자의 존재를 자연스럽게 예측한다.

• 섭동 이론: 복잡한 계산은 섭동 이론을 통해 근사적으로 수행된다. 섭동 이론은 상호작용을 작은 섭동으로 취급하여, 복잡한 방정식을 점진적으로 풀어낸다. 파인만 다이어그램은 섭동 이론 계산을 시각적으로 표현하는 강력한 도구이다.

• 재규격화: 양자 전기역학 계산에서 발생하는 무한대 발산 문제를 해결하기 위해 재규격화 과정을 거친다. 재규격화는 물리적으로 관측 가능한 양으로 무한대를 흡수하여 유한한 결과를 얻도록 한다.

응용 분야:

양자 전기역학은 다양한 분야에서 활용된다.

• 원자 물리학: 원자의 구조와 스펙트럼을 정밀하게 계산하는 데 사용된다.
• 고체 물리학: 고체 내 전자들의 행동을 이해하는 데 기여한다.
• 입자 물리학: 기본 입자들의 상호작용을 기술하는 표준 모형의 기초가 된다.

역사:

폴 디랙, 볼프강 파울리, 베르너 하이젠베르크, 톰마나가 등의 선구자적인 연구를 바탕으로 1940년대 후반 리처드 파인만, 줄리안 슈윙거, 도모나가 신이치로에 의해 현대적인 형태의 양자 전기역학이 완성되었다. 이들은 양자 전기역학의 재규격화 이론을 개발한 공로로 1965년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.