양자역학 (3) 맥스웰의 전자기이론을 양자화하면 양자전기역학 ?

40대의 맥스웰 출처 -위키피디아

전기를 전공한 내가 양자역학이라는 학문을 조사하면서 알게된 내용이 있다.

그것은 바로 양자전기역학이 맥스웰의 전자기이론에서 비롯되었다는 것이다.

전기또는 반도체를 전공하신 분들 중에서 양자역학에 조금이라도 관심이 있다면 이 제목을 보고 끌리지 않을 수가 없다.

나 또한 맥스웰의 전자기이론에서 비롯되었다는 것을 보고 이 이론에 대해서는 흥미롭게 조사해왔다.

양자전기역학에 대해서 설명해보자면 양자전기역학은 전하가 있는 입자와 빛의 상호작용을 기술하는 양자장론이다. 이렇게 말하면 어려울 수 있어 더 쉽게 풀어 말해보겠다. 양자전기역학은 전하가 있는 입자가 빛과 상호작용을 하는데 그 점입자들을 필드에서 양자역학적으로 다룬다는 것이다.

"서로 다른 유형의 생각을 가진 사람들을 위해, 과학적 진실은 서로 다른 형태로 설명되어야 하며, 그 설명이 분명한 형식이나 생생한 색깔의 물리전 묘사가 되었든, 빈약하고 생기 없는 상징적 표현으로 이루어졌든 간에 똑같이 과학적인 것으로 받아들여야 한다."

이는 맥스웰이 쓴 글 중 가장 중요한 말이다. 20세기에 과학(특히 양자 이론)이 발전하면서 점점 분명해진 것은, 우리의 감각 범위를 훨씬 넘어서는 규모로 벌어지고 있는 것들을 묘사하기 위해 이용하는 이미지와 물리적 모형들은 우리의 상상력을 받쳐주는 버팀목에 지나지 않는다는 사실이다. 여기서 우리가 겨우 말할 수 있는 것은 어떤 상황에서 어떤 특정한 현상이 '마치 무엇인 것처럼' 행동한다는 것으로, 예를 들자면 그 현상은 진동하는 끈(또는 다른 무엇이건 간에)이 아니라 진동하는 끈처럼 행동한다는 것이다. 뒤에서 살펴보겠지만 동일한 현상을 사람들마다 다른 모형을 이용하여 설명하지만, 때로는 그들 각자 수학에 기초하여 그 현상이 특정 자극에 어떻게 반응할 것인가에 대해서 동일하게 예측할 수 있는 상황이 있다.

 

이야기를 약간 앞질러가자면, 많은 상황에서 빛이 파동처럼 움직인다는(특히 A에서 B로 이동할 때) 말이 맞기는 하지만, 어떤 상황에서는 뉴턴이 생각했던 것처럼 미세한 입자들의 흐름처럼 움직인다는 것을 알게 될 것이다. 우리는 빛은 파동이다, 또는 입자이다라고 말할 수 없다. 어떤 상황에서는 파동과 같고, 또 어떤 상황에서는 입자와 같다. 확실한 이해를 돕기 위해 20세기 과학에서 또 다른 비유를 해보기로 하자. 나는 가끔 '정말로' 빅뱅이 있었다고 믿느냐는 질문을 받는다. 이 질문에 대한 최고의 답은, 우리가 가지고 있는 증거가 지금 우리가 보는 우주가 130억 년 전에 뜨겁고 밀도가 높은 상태(빅뱅)로부터 전개되어 왔다는 생각과 일치된다는 것이다. 그런 의미에서 나는 빅뱅이 있었다고 믿는다.

그러나 이는 트라팔가르 광장에 커다란 호레이쇼 넬슨 동상이 있다는 믿음과 똑같은 종류의 믿음은 아니다. 나는 그 동상을 눈으로 보았고, 만져보았고, 거기에 있다는 것을 믿는다. 나는 빅뱅을 보거나 만져본 적은 없지만 빅뱅 모형이 오래 전에 우주가 어떠했을 것인가를 그려내는 가장 좋은 방법이며, 그 그림은 우리가 확보할 수 있는 관측 자료나 수학 계산과 들어맞는다.이 모든 것들은 뉴턴의 고전 과학(대략 말해서, 보고 만질 수 있는 것들을 다루는)으로부터 20세기 과학(어떤 의미에서 보이지도 않고 만져지지도 않는 것들을 다루는)으로 나아가면서 받아들여야 할 중요한 사항이다. 모형은 중요하고 유익하지만 진실은 아니다. 과학적 진실이 존재하는 한, 그 모형은 방정식 안에 존재한다. 맥스웰이 들고나온 것이 바로 이러한 방정식이었다.

출처-http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?art_id=201705172036005

전기와 자기를 통합하여 원인과 결과를 밝히는 이론을 전자기이론이라 부른다.전자기이론은 전기장과 자기장, 그리고 그들의 상호작용에 관한 이론이다. 맥스웰이 정립한 전기장, 자기장, 전자기유도에 관한 이론, 로런츠힘에 관한 이론에서 시작하여 전자기파 이론, 전자기 복사, 그리고 특수상대성이론에 의한 전기장과 자기장의 상호 교환에 관한 이론에 이르는 전자기학에 관한 모든 이론을 포함한다.