전자기적 상호작용

요약 하전을 가지는 입자와 광자의 상호작용을 말하며 중력상호작용·강한상호작용·약한상호작용과 함께 자연계의 기본상호작용 중 하나이다. 전자기적 상호작용을 기하학적 성질에 환원시키려고 하는 시도가 통일장이론으로서 전개되고 있지만, 확정적인 성과는 아직 얻어지지 않았다.

중력상호작용·강한상호작용·약한상호작용과 함께 자연계의 기본상호작용 중 하나이다. 하전의 크기는 이 상호작용의 세기를 나타내는 것이며, 그 기준으로서는 전자하전(電子荷電) e에서 만들어지는 무차원량(無次元量)인 미세구조상수 e²/cħ~1/137(ħ는 플랑크상수 h의 1/2π배, c는 광속)이 사용된다.

상대적인 세기는 강한상호작용의 1/10 정도이다. 전자기적 상호작용에 의해서 하전과 하전 사이에는 원거리력이 작용한다. 이런 뜻에서 중력과 마찬가지로 전자기력은 경험적으로 가장 오래 전부터 알려져 있었다.

다만, 초기에는 전기현상과 자기현상을 전혀 관계가 없는 본성이 다른 것으로 간주했었다. 이러한 입장은 전류의 자기작용에 관한 외르스테드의 발견(1820)까지 계속되었다. 이 발견으로 전기력은 하전에, 자기력은 하전의 운동에 의하는 것으로서 상관관계가 확립되었는데, 이런 종류의 힘은 모두 뉴턴역학에서의 중력과 같은 원격작용력(쿨롱힘, 비오사바르힘)으로 간주되었다.

사실 A.M.앙페르는 I.뉴턴을 본떠 원격작용으로서의 전자기역학을 체계화하는 데 힘썼다. M.패러데이는 전자기력에 대해서 비(非)뉴턴적 입장을 처음 도입했는데, 그의 역선(力線)의 아이디어나 그가 발견한 전자기적 유도현상(1831)은 J.C.맥스웰에 의해서 전자기장의 이론(1864)으로서 집대성되었다.

이 이론에 의해서, 대전물체(帶電物體)에 의해 주위의 매질(媒質)에 만들어져서 전달되어 가는 근접작용으로서의 전자기작용의 성격이 확립되었다. 19세기 말 물질의 원자구조에 대한 연구가 진전됨에 따라 맥스웰방정식을 미시적 입장에서 재정립시키려는 시도가 H.A.로런츠에 의해서 이루어졌다.

이것이 로런츠의 전자론의 입장인데, 이 이론에서 입자라 불리는 것은 물질 내의 미소한 하전입자 전반을 가리킨다. 그의 입장은 당시의 소립자론과 같은 입장인데, 이것은 동시에 전자기력의 기본적 상호작용으로서의 성격을 확립하는 것이었다.

한편, 유도현상에 나타나 있던 상관관계는 보다 일반적으로는 전자기장의 성질이 관측자에 따라 변화한다는 것을 의미한다. 이것은 운동물체의 전기역학을 통해서 특수상대성이론을 탄생시키게 되었다. 그 결과 어떤 관측자가 본 자기장은 다른 관측자에게는 전기장으로 간주되는 등의 상관관계와 통일성이 완전한 형태로 주어지게 되었다.

전자기적 상호작용에 입각한 맥스웰-로런츠의 전기역학은 상대론적 역학의 전형으로서 뉴턴역학의 한계를 분명히 하는 한편, 전자기장의 양자(量子)로서의 광자의 개념은 미소한 입자의 역학으로서의 비상대론적 양자역학을 형성하는 계기가 되었을 뿐 아니라 상대론적 양자역학 또는 양자화된 장(소립자)의 상호작용에 관한 이론에서도 그 전형으로 간주된다.

이런 뜻에서 전자기적 상호작용은 전자장(電子場)과 광자장(光子場) 사이의 상대론적 불변인 국소적 상호작용으로서 기술되며, 게이지불변성과 하전공간(아이소스핀공간)의 회전에 대한 불변성에 그 특징이 있다. 이런 종류의 불변성의 결과, 입자의 하전 및 스트레인지니스는 이 상호작용을 통해서 보존된다. 또 상대론적 불변성은 공간반전(空間反轉)·시간반전·하전켤레변환[荷電共軛變換] 각각에 대한 독립적인 불변성의 결과라고 예상된다.

이런 종류의 불변성을 만족시키는 것은 일단 전자기적 상호작용으로서 허용되는 것으로 생각되는데, 전자기적 상호작용의 도입은 보통 다음과 같은 형식이 취해진다. 즉, 4차원적인 공간의 1점 x_μ(μ＝1,2,3,4)에서의 전자기장의 4원 벡터 A_μ(x_μ)와 하전 e와의 상호작용은 자유입자의 미분연산자(微分演算子) ∂/∂x_μ를 ∂/∂x_μ－i(e/cħ)A_μ로 바꾸어 놓는다(단, ħ는 플랑크상수 h의 1/2π배, c는 광속, i는 허수단위). 이 형식에 의하는 것은 극소의 전자상호작용이라고 불린다.

일반상대성이론에 의해 중력상호작용이 시공의 기하학적 성질(리만의 곡률)로서 표현된 데 대하여, 전자기적 상호작용도 기하학적 성질에 환원시키려고 하는 시도가 통일장이론으로서 전개되고 있지만, 확정적인 성과는 아직 얻어지지 않았다.