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1. 개요
광자(光子, photon)는 전자기력을 매개하는 게이지 보손이다. 기호로는 [math(\gamma)]라고 표현한다.2. 성질
빛(전자기)은 입자성과 파동성을 가진다. 이 중 빛의 입자성을 가리키는 빛의 이명이 바로 광자다. 빛의 파동성을 가리키는 이름은 전자기파다.쉽게 설명하자면, 빛이란 건 전자기력이 작용하는 역장(=전자기장)을 쉽게 부르는 이름이다. 근데 이 전자기장은 과학자들이 관측하기에 따라 입자처럼 보일 때도 있고 파동처럼 보일 때도 있다. 광자란 이 빛의 입자스러움을 가리키는 명칭.
일단 빛이기 때문에 당연히 광속으로 운동한다. 광자의 에너지는 [math( E = h \nu )]이다. 처음 배울 때 하뉴라는 발음을 듣고 당황하기 쉬운데, 플랑크 상수 [math( h )]는 막스 플랑크가 독일인이라 독일식으로 '하'라 읽고, 진동수 [math( \nu )]는 로마자가 아니라 그리스 문자라 '뉴'라고 읽는다. 근데 사실 물리에선 [math( h\nu)]보다 [math( \hbar\omega)]('에이치 바[1] 오메가'로 읽는다)를 훨씬 많이 쓰기 때문에 저 발음은 곧 잊히는 것이 보통이다. 또한, 광자는 운동량 [math( p = h \nu /c )]를 갖는다.
질량과 전하가 없고, 스핀이 1이다. 광자에 질량이 없다는 말에 "에너지는 곧 질량이므로 에너지를 가진 광자도 질량을 갖게 된다."고 답하는 경우가 많은데, 광자에 질량이 없다고 말할 때의 질량은 불변 질량이다. 상대성 이론에서 우주의 등방성을 가정하면 푸앵카레 군을 정의할 수 있고, 푸앵카레 군의 카시미르 연산자의 고유값으로 질량의 제곱을 정의할 수 있으며 이 값은 로런츠 변환에 대해 불변량이다. 이러한 방식으로 따졌을 때 광자의 질량은 0이다. '에너지를 가진 광자도 질량을 가진다'라는 서술의 질량은 등가 질량을 말하는 것일 텐데 등가 질량은 물리학에서 흔히 쓰는 질량의 정의가 아니라는 점을 유의해야 한다.
빛의 정지수명은 존재하지 않지만 빛의 유한한 수명을 가정하는 논문도 존재한다.[2] 그러나 현재로서는 입자의 수명에 대해서 그 무엇도 단정하기 어렵다.
광자와 같이 질량이 0인 입자를 룩손이라고 하며, 룩손은 무조건 광속으로 움직인다. 룩손 이외의 질량이 존재하는 입자의 통칭인 타디온은 절대 광속 이상의 속도를 낼 수 없다. 만약 빛에 질량[math( m_{\gamma} )]이 있다면 빛의 속도는 [math(c = c_0\sqrt{1-c_0^4m_\gamma^2 E^{-2}})] 가 된다. 공식에서 보이듯이 에너지가 같다면 질량이 작을수록 빠르게 움직이며 질량이 0이면 에너지가 한없이 적어도 이론적 우주 최고속([math(=c_0)])으로 이동하게 된다. 우리 우주에서 속도의 상한선이 약 초속 30만km로 정해져서 무한대가 아닐 뿐. 또, 질량이 없으므로 중력의 직접적인 영향을 받지 않기에, 광자의 이동방향의 휘어짐, 즉 빛의 휘어짐은 중력에 의한 시공간 왜곡의 강력한 증거가 된다.
표준 모형에서 광자는 질량이 없지만 이론적으로는 질량을 가지게 만드는 것도 가능하다. 온도가 100 GeV 아래로 내려가면서 전자기약력 대칭성이 깨지고 힉스 매커니즘을 통해 위크 보손이 질량을 가진 것처럼 낮은 온도에서 [math(U(1)_{em})] 게이지 대칭성이 깨지고 광자가 질량을 가질 가능성이 있다.[3] 다른 방식으로 광자가 질량을 가질 가능성도 있다. 광자를 기술하는 전자기장은 [math(SU(2)_L \times U(1)_Y)] 게이지 대칭성이 깨지면서 생겨난 [math(U(1)_{em})] 게이지장이다. [math(U(1)_Y)]장과 상호작용하는 스튜에켈베르크(Stueckelberg) 장[4]이 추가로 존재하여 [math(U(1)_Y)]장이 질량을 가진다면 전자기장에 해당하는 [math(U(1)_{em})]장도 질량을 가질 수 있다.[5] 마이스너 효과가 나타나는 이유로 광자가 난부-골드스톤 입자와 상호작용하여 초전도체 내부에서 질량을 가지게 되기 때문이라는 주장도 있다.
3. 발견
아이작 뉴턴은 빛이 입자로 이루어져있다고 주장하였으나, 그러한 설명으로는 빛의 파동적인 성질(대표적으로 간섭현상)을 설명하지 못하므로, 초기에는 뉴턴의 권위에 의해 빛의 입자설과 파동설이 대립하다가 19세기 초 토마스 영의 이중슬릿실험에 의해 빛이 파동임을 보여 주고, 제임스 클러크 맥스웰이 빛이 전자기파임을 밝혀내고 전자기파의 속도가 빛의 속도와 근사함을 증명하여 파동설이 정설로 인정되기까지 했다.그 후 1859년 말에서 1860년초 구스타프 키르히호프에 의해 흑체복사에 대한 이론이 등장하였다. 한 물체가 뜨거워지면 열을 내게 되는데, 이를 복사(radiation)라고 부르며, 키르히호프는 '복사는 물질이나 빈구멍(Cavity)의 모양, 크기와는 상관이 없고 오직 온도와 빛의 파장에만 관계된다는 것이다'는 것을 밝혀냈다. 즉, 같은 온도로 달구어진 물체는 어떤 물질이든 방출하는 빛의 분포가 똑같다는 것이다. 특히 표면에 부딪히는 모든 복사를 흡수하는 경우 이런 물체를 흑체(black body)라고 부르는데, 이런 특징은 파동성과 아울러 입자성을 지니고 있을 가능성을 보여준다. 19세기 말 물리학자들은 고체에서 방출되는 복사를 조사하여 여러 가지 파장 또는 진동수를 가진 빛으로 구성되어 있음을 알게 되었고, 표면의 온도와 빛의 파장이 어떠한 관계에 있는가를 연구하면서 아인슈타인에 의해 양자화에 대한 논의가 시작되었다.
20세기 초에 고전적인 흑체는 무한히 빛을 방출해야 한다는 문제가 발견되었고, 이를 해결하기 위해 1900년 막스 플랑크는 파동의 에너지가 양자(量子)화된 것이 빛이라는 가설을 도입하였다.
알베르트 아인슈타인은 1905년에 빛이 입자로 구성되었을 경우 광전효과를 설명할 수 있다는 사실을 보였고, 광양자(영:light quanta,독:Lichtquant)라는 단어를 만들었다. 1916년 아인슈타인은 A와 B 변수(A and B Coefficients) 방법을 만들었고, 보손이라는 개념 자체도 여기서 나왔다. 플랑크는 흑체 복사를 계산하면서 조화진동자를 이용했는데, 1924년 사티엔드라 나트 보스는 아인슈타인의 논문에 영향을 받아 광자라는 입자가 흑체 내의 에너지 준위를 채워 간다는 원리를 적용하여 흑체복사를 통계역학적으로 풀어 보았다. 두 결과는 서로 일치했으며 이걸 보고 느끼는 바가 있던 아인슈타인이 광자가 아닌 모든 입자에 이 개념을 적용해 보았고, 그런 입자를 이후에 보손이라 이름붙이게 된다. 보스-아인슈타인이라고 꼭 아인슈타인이 따라 붙는 건 이 때문.
광자의 존재는 광전효과를 통해서도 드러나지만 광자의 결정적인 증거가 된 것은 1923년 발견된 콤프턴 산란이다. 콤프턴 산란은 파동을 이용한 설명이 불가능했고 입자설로만 설명이 가능한 현상이었다. 여러 실험을 통해 빛이 입자라는 충분한 증거가 확보된 뒤인 1926년 길버트 뉴턴 루이스가 그리스어 photo- 와 입자라는 뜻의 -on 을 붙여서 광자(photon)라는 단어를 만들어내었다.
이후 물질파 이론에 근거한 양자역학의 발전으로 대부분 물질의 입자-파동 이중성을 이론적으로 설명할 수 있게 되었다. 그런데 정작 광자를 양자역학으로 제대로 기술하기까지는 상당히 오랜 시간이 필요했다. 그러고 보면 물리학과에서 (학부 과정) 양자역학을 배울 때 슈뢰딩거 방정식으로 전자를 잘 설명하지만 정작 빛을 양자역학적으로 제대로 기술한 걸 본 적은 없을 것이다. 기껏해야 전자가 전이를 할 때 에너지 차이가 생기는 걸 광자를 방출 혹은 흡수한다는 식으로 때우는 식의 설명이 다일 것이다. 그나마 다루는 것도 레이저 같은 걸 설명할 때 아인슈타인 ABC 방법으로 대충 설명하는 게 다였을 것이다. 그럴 만도 한 것이, 광자는 일단 상대성 이론의 영향을 제대로 받는 대상이기 때문에 상대론적 양자역학이 필수인 데다, 대부분의 경우 광자가 흡수 혹은 방출되는 경우를 다루는 탓에 광자의 개수가 바뀌는 것까지 잘 기술해야 하기 때문에 양자장론까지 필수가 된다.
1926년 양자역학이 도입되고 1928년 프리츠 론돈은 수소 분자의 공유결합을 전자의 교환대칭으로 설명하는데 성공한다. 그에 간접적 영향을 받아 1930년 페르미[6]와 오펜하이머[7]가 각각 전자기장을 광자의 교환을 통해 설명하는 이론들을 만들어낸다. 하지만 그 과정에서 광자의 가로방향(transverse) 전자기장 성분과 진행방향(longitudinal) 전자기장 성분이 상대성 이론을 만족하지 않는 문제가 나타났다. 운동상태가 다른 관찰자는 전혀 다른 방식의 광자를 보게 되는 것이었다. 1947-48년 도모나가 신이치로와 줄리언 슈윙거는 게이지 불변성이라는 경계조건을 주어서 계산에서 광자의 진행방향 전자기장 성분을 사라지게 하는데에 성공하였고 이를 통해 광자를 이용한 체계적인 계산이 가능해졌다.[8]
[1] 독일어식으론 '하 크베어'(ha quer)[2] J. Heeck, How Stable is the Photon?, Phys. Rev. Lett. 111, 021801(2013)[3] Primack, J. R., & Sher, M. A.,Photon mass at low temperature? Nature, 288(5792), 680-681.(1980)[4] Stueckelberg, E. C. G., Forces of interaction in electrodynamics and in the field theory of nuclear forces.(parts ii and iii). Helv. Phys. Acta, 11, 299-328.(1938)[5] Kuzmin, S. V., & McKeon, D. G. C., STUECKELBERG MASS IN THE GLASHOW–WEINBERG–SALAM MODEL Modern Physics Letters A, 16(11), 747-753.(2001)[6] Fermi, E., Sopra l’elettrodinamica quantistica. II. Rendiconti Lincei, 12, 431-435 (1930); Fermi, E., Quantum theory of radiation. Reviews of modern physics, 4(1), 87 (1932)[7] Oppenheimer, J. R., Note on the theory of the interaction of field and matter. Physical Review, 35(5), 461 (1930)[8] Z. Koba, T. Tati and S. Tomonaga, 'On a Relativistically Invariant Formulation of the Quantum Theory of Wave Fields, III', Progress of Theoretical Physics 2, 198 (1947); S. Hayakawa, Y. Miyamoto and S. Tomonaga, 'On the Elimination of the Auxiliary Condition in the Quantum Electrodynamics, I', Journal of the Physical Society of Japan 2, 172 (1947); J. Schwinger, 'Quantum Electrodynamics, I, A Covariant Formulation', Physical Review 74, 1439(1948)