양자장론이란 무엇인가?

 

양자장론이란 무엇인가?

 

양자장론은 1960년대 이전 물리학이 결코 설명할 수 없었던 3가지 중요한 질문들의 보다 근원적인 답을 제공해 준다.

 

첫째, + - 전기끼리 왜 서로 잡아당기나? N과 S극은 왜 서로 잡아당기나?

둘째, 왜 우주에 있는 모든 전자들, 10의 81승개는 단 하나의 예외도 없이 마치 공장에서 찍어낸 듯, 똑같은가?

셋째, 우리가 살고 있는 시공간은 왜? 4차원 (3차원 공간 + 1차원 시간) 인가?

 

참고로 우주에 있는 모든 전자의 수는 2023년 현재 10의 81승개 추정하고 있으며, 10의 81승이란 숫자는, 1000억 (10의 11승)이 7번 이상 반복되어 곱해져 나오는 숫자다. 예를 들면,

 

1000억개 구슬이 들어간 주머니가 1000억개,

그런 주머니로 가득한 창고가 1000억개,

이런 창고가 있는 도시가 1000억개,

이런 도시 1000억개가 있는 나라 1000억개 국가,

이런 국가 1000억개가 있는 행성,

이런 행성 1000억개가 있는 작은 우주,

이런 작은 우주 1000억개에 있는 구슬의 총 개수가

 

바로 10의 81승, 1아래 0이 81개 반복된

 

1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000개이다.

 

20세기를 활짝 연 것이 슈뢰딩거의 파동 방정식으로 대표되는 양자역학이다!

 

수소 원자 속 전자가, 당구알 처럼 딱딱한 알맹이, 입자인 줄 알 았는데, 자세히 들여다 보니 물결이 넘실대는 파도와 같은 파동이더라, 이것이 양자역학이라면 양자장론은 어라? 다시 보니 입자인데???

 

• 입자와 파동을 구분하는 가장 단순한 방법은 어딘 가에 가두어 둘 수 있느냐 없느냐, 즉 나를 어느 방안에 가두어 두면 나는 입자고, 내가 소리를 쳐서 그 소리, 진동, 흔들림, 파동이 방 밖으로 나가는 것, 이것이 입자와 파동의 기본적인 차이다.

 

지난 수백 년, 과학계는 태양에서 날라오는 빛이 입자냐 파동이냐, 오랜 싸움을 해왔고, 이런! 양자역학은 입자로 시작해 파동으로 갔다면, 양자장론은 이런! 다시 파동에서 공간 양자화라는 장(field)의 요동(disturbance)로 마치 입자와 같은 성질을 갖는다! 라고 다시 회귀!!! 실재(實在)는 아직, 아무도 모른다!!!

 

이것은 지금 당장 우리 눈 앞에 엄청 돌아다니는 휴대폰 전자기파, 이것이 과연 작은 알맹이들인가? 아니면 목소리처럼 무엇인가 흔들림만 전달되는 것인가? 전자기파는 우리가 이용만 할 뿐, 아직도 그 정체는 전혀 모른다는 얘기다!!!

 

무엇보다도 양자장론은, 양자역학과 상대성 이론 결합을 시도한 디랙의 방정식으로부터 출발되었다고 볼 수 있다. 즉 상대성 이론은 빛과 같이 빠른 속도로 움직이는 물리학을 기술한다고 하면, 양자역학은 전자와 같이 빛보다 수백 배 느린 소립자의 움직임을 기술하는 물리학인데, 이 두 가지가 사실, 같은 현상을 거시적, 미시적으로 다르게 표현한다고 보았고 디랙은 상대성 이론의 아인슈타인의 에너지 질량 등가 방정식과 양자역학의 슈뢰딩거의 파동 방정식을 결합하여 풀어 냄으로서 완전히 새로운 관점에서 물리학을 보게 되었고 이것이 양자장론으로 발전되어 온 것이다.

 

양자장론은 우리가 살고 있는 모든 시공간이 장으로 만들어져 있고 그 장이 국소적으로 심한 교란(disturbance, 마구 떨림)이 전자나 수소나 산소와 같은 입자라고 설명하며

 

앞서 설명한 것과 같이 물리학 역사상 가장 중요한 몇 가지 질문을 가장 성공적으로 설명해 내며,

 

인류 역사상 가장 중요한 질문들에 답했다고 자평하는 양자장론 역시 아직도 자연의 본질을 설명하기에는 너무도 유치하고 원시적 수준이다!!!

 

태양에서부터 8분 19초가 걸려 날라오는 빛이란 과연, 무엇인가? 어떻게 1초 눈깜빡 할 시간에 지구를 7바퀴 반을 돌 수 있나? 왜 노란 벽은 노랗게 보이나? 햇빛에는 모든 색이 다 들어있는데 노란색만 반사해서 노랗게 보인다. 왜 노란색만 반사하나? 표면의 분자 구조들 전자 구름의 에너지 구조가 노란 빛만 되쏘기 때문이다. 전자 구조가 어떻게 생겼는데 노란 빛만 골라서 되쏘나????? 이런 미안! 전자란 무엇인가를 모르기에 양자장론 역시 아직도 상상할 방법조차 없다!!!

 

전자란 무엇인가? 전자공학을 40년 했지만 전자는 본 사람도 없지만 전자가 무엇인지 아는 사람은 이 세상에 아무도 없다는 것만 잘, 알았다!!! 우선 전자의 크기 자체가 10의 -15승 m (원자 하나의 크기가 10의 -10승 m, 1/10,000,000,000 m), 이 보다 10만분의 1 이하 인 것 같은데, 전자의 크기는 아직, 아무도 모른다!!! 

 

양자장론에서는 무한소의 공간,

 

플랑크 길이, 1.6 x 10의 -35승 m, 이보다 더 작은 길이에서는 ‘그냥 의미가 없다’ 과학자들 임의로 잘라내서(cut off) - cut off 하지않으면 에너지가 무한대가 되어 도저히 설명이 안되어 실험값에 근접한 값에서 임의로 그 이하의 공간은 무시한다 - 그 아래 에너지는 무시하는 크기의 공간,

 

무한소의 공간에 엄청난 에너지로 요동치는 장(field)의 disturbance (교란? 마구 뒤흔들려 어지럽고 혼란함?) 로 설명한다. 그게 왜? 마구 뒤흔들리는지는? 모른다!!! 마구 뒤흔들리니 빛을 되쏘거나 빛이 응축되어 전자가 되기도 하는데 이게 전자가 빛을 되쏘는 것에 대해 아는 것의 전부다!!!

 

전자와 같은 점전하(크기 0, 전기만 있는 전하)는 자체 에너지가 무한대이다. 에너지를 정의할 때 무한대에서 해당 물체를 옮겨 올 때 생겨나는 상대적인 일로 계산하기 때문에 아래 사진에서 보인 것과 같이 점전하 하나를 옮겨오는 것은 무한대의 일이 필요하다! 전자기학 등에서 계산하는 전위라든가 전기 에너지는 일단! 점전하가 있다!!! 는 것을 가정하고 계산하는 상대적인 값들이다.

 

이것은 초등학교때부터 배우는 쿨롱의 법칙을 봐도 쉽게 알 수 있다!!! 전기적 힘은 거리의 제곱에 반비례한다! 그런데 전하간 거리가 예를 들어 위의 플랑크 길이만큼 되면 힘은 그냥 쉽게 무한대에 가까워 진다!!!

 

 

그렇기에 전자, 무한대의 에너지를 갖는 점전하의 모델도 아직 모르기에 우리는 전자에 대해 아는 것이, 알맹이는 쏙! 빼고 어떻게 생겨났는지? 어떻게 생겼는지? 실제 내부 구조는 어떻게 만들어져 있는지!!! 상상할 방법도 갖고 있지 못하다!!!

 

그럼에도 양자장론이 가장 자랑하는 g factor (입자의 자기 관성력 magnetic moment에 이론상 값과 실제 실험치 간의 보정값) 계산을 소수점 아래 11단위 (10의 -11승) 정밀도로 계산 해 낸 것과 같이 실험적으로 일치하기에 양자장론은 물리학 역사상 가장 정확한 이론으로 인정되고 있다.

 

 

그러나 그 이면에 양자장론의 가장 큰 현실적인 문제는 진공 파탄(Vacuum Catastrophe)이다!!!

 

(PDF) Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach (researchgate.net)

 

상대성 이론이 예측하는 진공 에너지의 밀도와, 양자장론이 예측하는 진공 에너지 밀도의 차이가 10배 100배가 아니라, 무려 10의 122승배, 1 아래 0이 122개 반복된 배수만큼 차이가 나는 것에 대해, 2023년 현재 아직도 그 어떤 결론도 내리지 못하고 있는 것, 진공 파탄의 문제를 해결하지 못하고 있는 것이다.

 

그러나 그럼에도 불구하고 2023년 현재로서는 자연에 대해 가장 근접하게 설명하고 있는 물리학이기에 공부해 볼 만하다. 아래 동영상 링크들을 보면 양자장론의 개요를 공부할 수 있다.

 

20140303 고급양자역학 1강 Why Quantum Field Theory - YouTube

 

 

Prof. Anthony Zee - Quantum Field Theory: an Overview - YouTube

 

Quantum Field Theory, Anthony Zee | Lecture 1 of 4 - YouTube

Quantum Field Theory, Anthony Zee | Lecture 2 of 4 - YouTube

Quantum Field Theory, Anthony Zee | Lecture 3 of 4 - YouTube

Quantum Field Theory, Anthony Zee | Lecture 4 of 4 - YouTube