양자전기역학

양자전기역학(quantum electrodynamics, QED)은 전하가 있는 입자와 빛의 상호작용을 기술하는 양자장론이다. 이 이론의 고전물리학적 이론은 맥스웰(J. Maxwell, 1831-1879)의 전자기이론이다. 즉, 맥스웰의 전자기이론은 고전장론이며 이 이론을 양자화하면 양자전기역학이 된다. 우리 우주의 네 가지 근본적인 힘 중에서 전자기력을 설명하는 근본 이론이라고 할 수 있다. 수학적으로는 U(1) 게이지 대칭성을 가지는 게이지 이론이다. 입자물리학의 표준 모형에서 약력과 통합되어 전자약력 이론의 일부로 들어가 있다. 현재 알려진 물리 이론 중에서 가장 정밀하게 실험으로 검증된 이론이다.

양자역학의 완성과 함께 1920년대 중반부터 빛에 대한 양자역학적 이론을 완성하는 작업이 여러 학자에 의해 진행되었다. 이는 결국 맥스웰의 전자기 이론을 양자화하는 것이다. 또한 디랙(P. Dirac, 1902-1984)은 1928년에 양자역학과 특수상대성이론을 결합하여 전자에 대한 상대론적 양자역학을 만들었다. 그리고 이를 바탕으로 반물질이 존재함을 예언하였다. 반물질의 존재는 1932년 전자의 반입자인 양전자가 발견됨으로써 검증되었다. 이러한 연구 성과가 종합되어 1930년대 초반에 이르러 전하를 가진 입자와 빛의 상호작용에 대한 양자장론이 완성되었다. 이 이론이 양자전기역학이다.

양자전기역학은 근사적으로 계산할 경우 실험 결과를 잘 설명하였다. 그러나 1930년대 후반에 접어들면서 좀 더 정밀한 계산을 하면 계산 결과에 무한대가 나와서 수학적으로 의미가 없는 결과가 나온다는 것이 밝혀졌다. 또한 실험 결과를 잘 설명하는 것처럼 보였던 근사적 계산도 실험이 정밀해짐에 따라 약간의 불일치가 발견되었다. 이 문제는 1940년대 후반에 재규격화 이론이 완성되면서 해결되었다. 이에 따르면 본래 이론에 들어가는 상수와 실제 실험에서 측정하는 값에 차이가 있는데 무한대가 나오는 계산 결과를 재해석하여 실제 측정값에 맞추면 이론 계산 결과에서 무한대를 모두 제거하고 물리적으로 유의미한 결과를 얻을 수 있다. 재규격화 이론의 완성으로 양자전기역학은 물리적으로 모순이 없이 잘 정의된 양자장론이 되었으며, 이 공로로 슈윙거(J. Schwinger, 1918-1994), 토모나가(S. Tomonaga, 1906-1979), 파인만(R. Feynman, 1918-1988)이 1965년에 공동으로 노벨 물리학상을 받았다.

그림 1. QED 파인먼 도형

양자전기역학은 물리학에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 역사적으로는 현재 우리 우주를 설명하는 근본적인 이론 체계인 양자장론이 양자전기역학을 통하여 완성되었다. 양자전기역학의 완성과 더불어 물리학자들은 양자장론에 대해 깊은 신뢰를 하게 되었으며, 지금도 양자장론의 표준적인 예로서 계속 연구하고 있다. 또한 실험적으로는 모든 과학이론 중에서 가장 정밀하게 검증된 이론이다. 이를 단적으로 나타내는 것이 전자의 자기모멘트이다. 실험값과 양자전기역학으로 계산한 이론값은 다음과 같이 소수점 이하 십여 자리까지 일치하고 있다.