<양자역학을 어떻게 이해할까?> 7장은 양자장이론을 다룹니다.

한국물리학회 용어집에서 quantum field theory는 '양자장론', '양자장이론', '양자마당이론'이 모두 가능합니다. (https://bit.ly/46ZWpbN) 장회익 선생님은 '양자마당이론'이라는 용어를 채택하셨고, 흔히 '양자장론'이란 용어도 많이 씁니다. 전기장, 자기장, 중력장의 경우는 field를 '장(場)'으로 표기하는데, 그냥 field만 달랑 있는 경우는 단모음이라 혼동의 여지도 많고 해서 '마당'이라는 용어를 더 많이 사용합니다. 순우리말이라는 점도 중요합니다. 그래도 가장 많이 사용되는 것은 '양자장이론'인 듯 합니다. 이 글에서는 관례를 존중하여 '양자장이론'이라 쓰겠습니다.

양자장이론(Quantum Field Theory, QFT)은 대단히 방대하고 정교하고 필요한 배경지식이 많아서 이를 다루는 문헌이 그만큼 더 복잡하고 어렵습니다. 물리학 전공인 경우에도 3/4 이상이 양자장이론을 전혀 배우지 않거나 아주 초보적인 수준만 살짝 배웁니다. 양자장이론은 대략 양자역학과 특수상대성이론을 결합한 이론이라고 말합니다.

미국의 물리학자 앤써니 지는 소위 물리학의 육면체를 소개합니다. 

[출처: Anthony Zee (2013). Einstein Gravity in a Nutshell. Princeton University Press. p. 13]

세 가지 근원적인 물리상수 $c$, $\hbar$, $G$를 잣대로 삼으면 뉴턴역학에서 $G$를 도입한 것이 '뉴턴 중력이론'이고 $c$를 도입한 것이 특수상대성이론(아인슈타인 역학)이며, $\hbar$를 도입한 것이 양자역학이라는 겁니다. 다르게 표현하면 $G\rightarrow 0$인 극한에서는 뉴턴 중력이론이 뉴턴역학으로 환원되며, $c^{-1}\rightarrow 0$ 즉 $c\rightarrow \infty$인 극한에서는 아인슈타인 역학(특수상대성이론)이 뉴턴역학으로 환원되며, $\hbar\rightarrow 0$인 극한에서는 양자역학이 뉴턴역학으로 환원됩니다.

$c$와 $G$를 모두 도입해야 하는 이론이 아인슈타인 중력 즉 일반상대성이론이라면, $c$와 $\hbar$를 모두 도입해야 하는 이론이 바로 양자장이론입니다. 이 셋을 모두 도입해야 하는 이론을 '양자중력이론'이라 부릅니다. 양자중력이론은 아직 정립되어 있지 않습니다.

장회익 선생님의 <과학과 메타과학>(2012) 6장 "이론과학의 성격과 유형"에는 다음과 같은 표가 제시되어 있습니다(167쪽).

이 표에서 물리학의 동역학이론들을 분류하기 위한 기준으로 서술공간, 서술모형, 서술양식을 들었습니다. 서술공간은 비상대론적인 것과 상대론적인 것으로 구별됩니다. 서술모형은 입자인가 파동(마당)인가로 구별됩니다. 서술양식은 고전역학적인가 아니면 영자역학적인가로 구별됩니다.

이 분류기준을 곧이곧대로 적용하면 아래와 같은 표를 얻습니다.

서술공간, 서술모형, 서술양식이 두 가지씩 있으므로 이를 모두 적용하면 모두 여덟 가지의 동역학이 가능합니다. 양자장이론은 이 중에서 상대론적 서술공간에 파동(마당)의 서술모형을 적용한 양자역학적 서술양식의 이론으로 볼 수 있습니다.

실제로는 이 세 가지 분류기준이 연관되어 있기도 하고 서술모형만으로 볼 때 양자장이론이 고전장이론과 달리 입자에 대한 서술을 포함하고 있어서, 더 깊이 들어가면 꽤 복잡합니다.