왜 양자장론인가?

왜, 양자장론인가?

+ 전기와 – 전기는 서로 잡아당긴다.

왜, 잡아당기나?

+ 전기와 + 전기끼리는 서로 밀친다.

왜, 밀치나?

• Quantum Field Theory in a Nutshell, A. Zee, 2010, Princeton University Press

‘The electromagnetic force between like charges is repulsive!’

서로 같은 전기끼리 밀친다!

저자 안토니 지(A. Zee)가 물리학 역사상 가장 중요한 순간이라고 주장하는 양자장론의 예측 결과다.

지금까지 어떤 물리학도 왜? + - 전기끼리 서로 잡아당기고, 왜? + + 전기끼리 서로 밀치는지, 설명할 방법이 없었다!

양자장론은 이것을 보다 근원적인 경로 적분(Path Integral)과 맥스웰 라그랑지안 수식을 통해 증명해 냄으로서 왜? 서로 잡아당기는지 왜? 서로 밀치는지 설명하고 있다고 주장한다.

수식 전개는 엄청 무거워 보이지만, 이론은 간단하다.

공간의 아주 작은 점, 10억분의 1m 크기인 원자보다 10억배 더 작고 그 보다 10억배 더 작고 그 보다 10억배 더 더 더 작은, 즉 거의 무한소에 가까운 공간 상 한 점 마다 엄청난 에너지가 요동치고 있고,

그 에너지가 + 전기를 띤 덩어리와 – 전기를 띤 덩어리가 서로 가까이 있으면 줄어 들기 때문에, 에너지가 줄어 들면 당연히 에너지가 줄어 드는 쪽으로 움직여 가는 것, 이것이 서로 잡아당기는 이유라고 설명한다.

윗 식은 그 에너지의 부호가 +, 곧 서로 증가하는 방향임으로 서로 밀치는 힘의 설명이다.

그러나 양자장론 역시 아직도 자연의 궁극을 설명하기에는 턱없이 유치하다. 무한소 공간이 뭔데, 이 공간 상에 + 나 – 덩어리라는 것이 뭔데(양자장론은 공간상 아주 작은 공간에 요동치는 집중된 장(field)이 덩어리, 입자라 설명한다) 이 에너지를 줄어들게 하는가? 에너지는 뭔데 왜 존재하는가? + 나 – 덩어리가 있으면 에너지가 왜? 줄어드나? 뭐 이런 질문에 대해서는 전혀 상상할 방법조차 갖고 있지 못하기에 양자장론 역시 근본적인 알맹이는 쏙! 빠져 있기는 마찬가지다.

마치 늪에 빠져들어가는 사람이 자기 구두 끈 들어 올리며 스스로 건져내고 있다고 주장하는 것과 다를 바가 없다.

그렇기에 양자장론 역시, 보다 본질 적인 해결책으로는 아직 턱없이 유치하고 원시적이지만, 2023년 현재까지 모든 물리학계가 그나마 의견이 통일된 가장 최첨단 이론이기에 양자장론부터 공부를 시작한다.

왜? 양자장론을 공부하는가?