전자는 기본 입자이며 나누어지지 않는다.
표준 모형에서도 가장 단순한 입자이다.
전자는 안정적이며 자신 외의 구성 요소를 가지지 않는다.
그래서 우리는 질량과 전하 같은 몇 가지 성질로 전자의 특성을 온전히 나타낼 수 있다.
전자는 전지의 양극(+)을 향해 이동한다.
움직이는 전자는 자기력에도 반응하므로 전자가 자기장을 통과하게 되면 전자의 경로가 휜다.
이 두 가지 특징은 전자의 음전하 때문에 생기는 현상이다.
즉 전자를 전기와 자기에 반응하게 하는 것은 바로 전자의 음전하이다.
1800년대가 되기 전까지 모든 사람들은 전기와 자기를 분리된 현상으로 여겼다.
하지만 1819년 덴마크의 물리학자이자 철학자인 한스 크리스티안 외르스테드는 움직이는 전하의 흐름, 즉 전류가
자기장을 만들어 낸다는 사실을 발견했다.
이로부터 그는 전기와 자기를 통합하여 기술할 하나의 이론이 필요하다고 생각했다.
그는 전기와 자기를 동전의 양면처럼 동일한 현상의 다른 측면으로 생각했다.
번개가 칠 때 나침반의 바늘이 움직이는 현상은 외르스테드의 결론이 옳음을 확인해 준다.
19세기에 발견되었고 오늘날에도 사용되고 있는 고전 전자기 이론은 전기와 자기가 연관되어 있다는 관측 결과에
기초를 두고 있다.
그리고 고전 전자기 이론의 기초를 이루는 또 다른 개념이 바로 ‘장(field)’ 이다.
물리학자들은 공간에 골고루 퍼져 있는 어떤 양을 기술할 때 ‘장’이라는 개념을 쓴다.
예를 들어 임의의 지점의 중력장 값은 그곳에서중력의 효과가 얼마나 강한지를 알려준다.
임의의 장소에서 장의 값은 그 위치에서 장의 세기가 얼마인지 알려 준다.
19세기 후반 영국의 물리학자이자 화학자인 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 전기장과 자기장 개념을 제시했고,
이는 물리학에서 지금까지 사용되고 있다.
패러데이는 전하가 만들어낸 전기장과 자기장이 공간에 널리 퍼져 있으며, 반대로 이 장이 전하를 띤 다른 물체에
영향을 미친다고 생각했다.
하지만 대전된 물체가 전기장이나 자기장에서 받는 효과는 물체의 위치에 따라 달라진다.
장은 그 값이 가장 큰 곳에서 최대의 효과를, 장의 값이 가장 작은 곳에서 최소의 효과를 준다.
자석 주위에 철가루를 뿌려 보면 자기장을 눈으로 확인할 수 있다.
작은 철가루는 자기장의 세기와 방향을 따라 늘어서면서 어떤 모양을 만든다.
또 자석 2개를 서로 근접시키면 자기장을 느낄 수도 있다.
두 자석은 서로 밀어내기도 하고 서로 당기기도 하다가 결국 찰싹 달라붙는다.
각각의 자석이 그 둘 사이의 영역에 생긴 장에 반응하는것이다.
19세기 이전에는 누구도 전기와 자기를 장의 관점에서 서술하지 않았다.
사람들은 전기력과 자기력을 ‘원격 작용(action at a distance)’으로 설명했다.
전기를 띤 물체가 다른 대전된 물체를 그것이 어디에 있던지 상관없이 곧바로 끌어당기거나 밀어낸다는 설명이다.
원격작용과 장 이론 사이에는 엄청난 개념적 차이가 있다.
장 이론은 대전된 물체가 주위의 다른 공간에 즉각 전자기력을 미칠 수 없다고 본다.
즉 전자기 효과가 전달되려면 시간이 필요하다. 움직이는 전하는 주위에 장을 만드는데, 이 장이 공간으로 퍼져 나간다.
물론 무척 빠른 속도로 퍼진다.
물체들이 멀리 떨어져 있는 전하의 움직임을 알아차리는 것은 빛이 도착하는 데 걸리는 시간이 지나고 나서이다.
따라서 전기장과 자기장은 빛의 속도보다 빨리 퍼질 수 없다.
영국 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 패러데이의 장 이론을 이용해 고전 전자기 이론을 만들었다.
맥스웰이 물리학에 한 가장 큰 공헌은 전하와 전류의 분포로부터 전기장과 자기장의 값을 유도하는 방정식들을 개발한
것이다.
맥스웰은 이 식으로부터 전자기파의 존재를 추론해 냈다.
전자기파는 집에 놓은 컴퓨터, 텔레비젼, 전자레인지를 비롯한 수많은 가전제품에서 여러가지 형태로 방사되는 전자
기의 파동을 말한다.
그러나 맥스웰은 한가지 실수를 범했는데, 그것은 장이 에테르의 진동에서 생겨난다고 가정했다.
이것은 결국 아인슈타인에 의해 폐기되었다.
그렇지만, 아인슈타인은 특수 상대성 이론의 기원을 맥스웰의 공으로 돌렸다.
맥스웰의 전자기 이론이 아인슈타인에게 빛의 속도가 일정하다는 영감을 제공 했고 이를 기반으로 아인슈타인이 기념
비적인 연구를 진행했다.
광자
양자 역학적 전자기 이론에서는 전자기력을 ‘광자’의 교환으로 설명한다.
전자가 방출한 광자가 다른 전자로 옮겨가면서 전자기력을 전달하고 사라진다는 것이다.
이러한 교환을 통해 광자는 힘을 전달하거나 ‘매개(mediate)’한다.
광자는 한 곳에서 다른 곳으로 정보를 전달하는 임무를 수행한 후 즉각 소각되는 비밀 문서처럼 행동한다.
전기력에는 인력과 척력이 있다.
양전하이든 음전하이든, 다른 종류의 전하 사이에는 인력이 작용하고, 같은 종류의 전하 사이에는 척력이 작용한다.
광자는 ‘게이지 보손(gauge boson)’이라는 힘을 전달하는 기본 입자의 첫 번째 사례이다.
1920년대 후반과 1940년대 사이, 영국의 물리학자 폴 디렉과 미국의 리처드 파인만, 줄리언 슈윙거 또 전후 일본에서
독립적으로 연구하던 도모나가 신이치로는 광자에 대한 양자 역학 이론을 발전시켰다.
그들은 자신들이 발전시킨 양자 이론을 양자 전기 역학(quantum electrodynamics, QED)이라고 불렀다.
양자 전기 역학은 고전 전자기 이론의 결과를 모두 예측할 뿐만 아니라 양자 입자를 생성하거나 교환함으로써 생겨
나는 상호 작용처럼 물리 반응에 나타나는 입자(양자) 효과들을 모두 포함한다.
양자 전기 역학은 전자기력이 광자 교환을 통해 어떻게 나타날 수 있는지를 보여 준다.
두 전자는 상호 작용 영역으로 들어가 광자를 교환한 후, 매개된 전자기력의 결과에 따라 다른 경로로 나아간다.
장 이론은 다이어그램의 각 부분을 숫자와 연결시켜 주는데, 이를 사용하면 정량적 예측도 가능해진다.
‘파인만 다이어그램’으로 양자장 이론에서 상호 작용을 도식적으로 기술하는 방식이다.
하지만 QED에 등장하는 광자가 전부 소멸되는 것은 아니다. 광자처럼 전자기 상호 작용을 이끌어 내고 만들어졌다가
거의 순식간에 사라지는 ‘중간 입자(intermediate)또는 ‘내부 입자(internal particle)’ 외에도, 실재하는 ‘외부 입자(external
particle)’ 로서 상호 작용 영역을 출입하는 광자도 존재한다.
때로 이 입자들은 방향이 바뀌기도 하며 다른 입자로 변하기도 한다.
양자장 이론
입자 연구의 도구인 양자장 이론은 입자를 생성하고 붕괴시키고 어느 곳에나 존재하는 영원한 대상에 기초를 두고 있다.
이 대상이 바로 양자장 이론의 ‘장’이다.
장이라는 이름의 유래가 된 고전 전자기장처럼 양자장은 시공간에 퍼져 있다. 하지만 양자장은 다른 역할을 한다.
양자장은 기본 입자들을 만들어 내거나 흡수해 버린다.
양자장 이론에 따르면, 입자들은 어디에서나 또 언제나 만들어질 수 있으며 또한 파괴될 수도 있다.
양자 반응은 입자의 생성과 붕괴 과정을 통해 우주에 존재하는 하전 입자의 개수가 변하는 것을 허용한다 .
각각의 입자는 각각 특정한 장에서 생성될 수도 소멸될 수도 있다.
양자장 이론에서는 전자기력뿐만 아니라 모든 힘과 상호 작용이 장으로 기술되며, 장은 새로운 입자를 창출하거나
이미 존재하는 입자를 제거할 수 있다.
양자장 이론에 따르면, 입자는 양자장이 들뜬 상태이다.
입자가 없는 상태인 ‘진공’에서는 상수의 장만 생성된다고 한다면, 그에 반해 입자가 있는 상태에서는 입자에 해당하는
혹과 기복이 있는 장이 생긴다.
장에 혹이 생기면 입자가 만들어지며, 장이 혹을 흡수해 다시 상수 상태가 되면 입자가 소멸한다.
전자와 광자를 만들어 내는 장은 모든 곳에 존재해야만 한다.
모든 상호 작용시 시공간상의 모든 지점에서 일어나야 하기 때문이다.
양자장이 모든 곳에 있어야 하는 것은 상호 작용이 국소적으로만, 입자들이 동일 위치에 있을 때에만 일어나기 때문이다.
입자들은 직접 상호 작용하려면 서로 접촉해야 한다.
물론, 전자기 상호 작용은 직접 접촉하지 않고 서로 떨어져 있는 전하들 사이에서 일어난다.
하지만 이러한 상호 작용은 하전 입자 양쪽 모두와 직접 접촉할 수 있는 광자 같은 입자들의 도움을 받아야만 가능하다.
그 경우 전하들은 서로 순간적으로 영향을 주고받는 것처럼 보이지만, 이것은 빛의 속도가 무척 빠르기 때문이다.
실제로 상호 작용은 국소적으로 이뤄지는 일련의 과정을 거친다.
먼저 한 입자가 광자와 접촉하고, 이 광자가 다시 다른 입자와 접촉한다.
그러므로 장은 하전 입자가 있는 바로 그 위치에서 광자를 만들어 냈다가 소멸시켜야 한다.
