양자장론

물리학의 다른 분야에서 이용되기도 한다. 이 이론은 입자가 생성되거나 소멸되는 고에너지 충돌과 같은 현상을 설명하기 위해서 양자역학과 상대성 이론을 결합하고자 하는 시도에서 생겨나게 되었다.

양자장론의 원형은 양자전기역학(QED)인데 여기서는 하전입자 사이의 작용을 전자기장을 통하여 설명했다. 여기서 전기력과 자기력은 광자를 서로 방출하거나 흡수하는 과정에 의해서 생성되는 것으로 설명했다. 이것은 호수에서 물의 교란에 의해 물결이 생기는 것과 같은 전자기장의 교란으로 간주할 수 있다. 어떤 조건하에서 광자가 완전히 자유하전입자로 되면 빛이나 다른 전자기파의 형태로 감지할 수 있게 된다. 이와 유사하게 전자와 같은 입자는 자체의 양자화된 장의 교란으로 간주된다. 어떤 경우에서는 QED에 입각해 계산한 수학적 결과가 실험 결과와 1/100,000,000의 정확도로 일치하는 것으로 밝혀졌다.

물리학자들 사이에는 자연계에 존재하는 다른 형태의 힘, 즉 방사성의 베타 붕괴와 연관되어 있는 약력, 원자핵의 구성성분을 결합시키는 강력, 그리고 중력까지도 QED와 유사한 이론으로 설명이 가능하리라고 생각하고 있다. 이와 같은 이론은 총체적으로 게이지 이론이라고 알려져 있다. 각각의 힘은 각자 고유한 교환입자를 매개로 하여 전달이 되며 여러 힘의 서로 상이한 점은 교환입자의 특성에 의한 것이다.

예를 들어 전자기력과 중력은 장거리에서도 작용하는데 교환입자인 광자(photon)와 중력자(graviton)는 질량이 없다. 약력과 강력은 원자핵의 크기보다 작은 단거리에서만 작용한다. 이들은 교환과정중에 단거리만을 이동할 수 있는 질량을 가지는 입자에 의해서 매개된다. 또한 하나의 게이지 장론으로 모든 힘을 설명하고자 기대하고 있다. 이와 같은 통일장 이론에서는 모든 힘은 동일한 근원을 가지며, 수학적인 대칭성으로 서로 관련되어 있을 것이다. 가장 간단한 결과는 아마도 모든 힘이 동일한 성질을 가질 것이라는 점이다. 힘이 서로 다른 성질을 가지는 것은 자발적 대칭성 깨짐(spontaneous symmetry breaking)이라는 현상으로 설명된다.

전자기력과 약력의 통합 이론은 이미 상당히 실험적으로 뒷받침되고 있다. 아마도 이 이론을 확장하여 강력까지 포함할 수 있게 될 것이다. 중력까지 포함하는 이론이 있기는 하지만 아직까지 이론의 여지가 있다.