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광자

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목차

1. 개요

광자는 전자기파를 구성하는 기본 입자이며, 빛의 입자적 성질을 나타내는 양자이다. 빛의 본질에 대한 오랜 논쟁 속에서 입자설과 파동설이 대립하다가, 20세기 초 양자 개념의 등장과 함께 아인슈타인의 광양자 가설을 통해 광자 개념이 확립되었다. 광자는 전하를 띠지 않고 정지 질량이 0이며, 에너지와 운동량을 가지며 스핀과 편광을 갖는다. 다양한 자연 현상에서 방출되며, 물질과의 상호작용을 통해 여러 기술 분야에 응용된다. 레이저, 양자 광학, 광화학, 분광학 등에서 활용되며, 양자 컴퓨터, 양자 암호 등 미래 기술 발전에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

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광자
기본 정보
레이저에서 방출되는 코히어런트 광자 빔
이름광자
영어 이름photon
다른 이름빛 양자
기호γ
질량0 (이론적 값)
질량 (실험적 제한)< 1 × 10⁻¹⁸ eV/c²
수명안정
전하0
전하 (실험적 제한)< 1 × 10⁻³⁵ e
색전하없음
스핀1 ℏ
스핀 상태 수+1 ℏ, −1 ℏ
패리티-1
C 패리티-1
축약된 대칭I(JP) = 0,1(1--)
분류
유형기본 입자
통계보스 입자
그룹게이지 보손
상호작용전자기학, 약한 상호작용, 중력
발견 및 이론
이론화알베르트 아인슈타인 (1905)
명명길버트 뉴턴 루이스 (1926)
기타
에너지hν 또는 ħω

2. 역사

아이작 뉴턴 등이 빛의 입자설을 주장했지만, 19세기 초 토머스 영과 오귀스탱 장 프레넬이 빛의 간섭과 회절을 증명하면서 파동설이 우세해졌다.[152] 1865년 제임스 클러크 맥스웰은 빛이 전자기파의 일종이라고 예측했고, 1888년 하인리히 헤르츠가 실험으로 확인하면서 파동설은 확고해지는 듯했다.

1900년, 빛을 전자기파의 진동으로 생각하는 맥스웰의 빛 모델 이론은 완성된 것처럼 보였다. 그러나 파동 모델로는 설명할 수 없는 몇 가지 현상이 관측되었고, 빛 에너지를 양자화함으로써 설명하는 것으로 이어졌다. 레이저 실험은 이러한 빛 양자가 운동량도 운반하며, 입자로서도 생각할 수 있다는 것을 보여주었다. 이로써 "광자"라는 개념이 생겨 전자기장 자체의 이해로 이어졌다.


그러나 19세기 말, 흑체 복사 에너지 분포식을 설명하는 데 있어 맥스웰 방정식 등 빛의 파동설로는 한계가 있었다. 1900년 막스 플랑크는 흑체 복사 문제를 해결하며, 물질이 방출하거나 흡수하는 에너지가 진동수 ν에 비례하는 E = hν의 덩어리(에너지 요소)로 구성되어 있다고 가정하면 실험 결과와 일치한다고 발표했다.[155][154] 하지만 이는 빛의 파동설에 기반한 물질적 제약으로 여겨졌다.

1905년 알베르트 아인슈타인은 전자기파의 에너지 분배가 공간적으로 연속적이지 않으며,[156] 에너지 양자의 크기가 진동수에 비례한다고 가정하면[157] 광전 효과[158] 등을 설명할 수 있다고 보였다.[159][160] 아인슈타인은 이를 광양자(light quantum)라 불렀고,[161] 플랑크의 가설을 '''광양자 가설'''이라 명명했다.[162]

:\epsilon = h\nu (h: 플랑크 상수, ν: 빛의 진동수, ε: 진동수 ν인 빛 속 광양자의 에너지)

1909년, 아인슈타인은 빛의 파동설의 전제인 에테르 개념을 버리고, 빛의 파동설과 입자설을 융합해야 한다고 주장했다.[166] 1916년에는 복사에 의한 흡수나 방출 시 운동량 부여도 일어난다고 하여,[167] 광양자 가설을 실질적으로 변경했다.

1922년 아서 콤프턴은 콤프턴 효과를 고전적 이론으로 설명할 수 없다고 결론짓고, X선이 에너지 hν, 운동량 hν/c를 갖는 입자(광양자)로 간주하여 "빛의 입자와 자유 전자가 탄성 충돌한다"는 모델로 현상을 설명했다.[168][169][170] 이는 아인슈타인의 광양자 가설을 뒷받침했고, 1921년 노벨 물리학상이 아인슈타인에게 수여되는 계기가 되었다.[171][172]

:p = \frac{\epsilon}{c} = \frac{h\nu}{c} (ν: 빛의 진동수, p: 진동수 ν인 빛 속 광양자의 운동량)

1926년, 길버트 뉴턴 루이스는 이 빛 입자를 ''photon''(포톤, 광자)이라고 명명했다.[173][174] 1927년 제5회 솔베이 회의에서 "photon" 용어가 채택되었고,[176] 아서 콤프턴이 노벨 물리학상을 수상하면서 많은 과학자들이 빛의 양자화를 받아들였다.

양자론에서 광자는 보손이며, 표준 모형에서는 게이지 보손으로 분류된다. 광자의 개념은 레이저, 보스-아인슈타인 응축, 양자장론 등 물리학 발전에 기여했으며, 광화학 등 응용 분야에도 활용된다. 광 컴퓨팅이나 양자 컴퓨터 제안 중 일부는 광자를 이용한다.

유카와 히데키는 전자기력 매개 입자인 광자 모델을 바탕으로, 원자핵 구성 힘(핵력)의 매개 입자로 중간자가 존재한다는 이론(중간자 이론)을 1935년에 제시했다.[177][178] 이는 현대 소립자론의 계기가 되었다.

다른 소립자와 마찬가지로 광자는 양자역학으로 가장 잘 설명되며, 파동-입자 이중성을 보인다.

2. 1. 고대~19세기: 빛의 입자설과 파동설의 대립

아이작 뉴턴은 빛이 입자로 이루어져 있다고 주장했다. 그러나 고전적인 입자 이론으로는 빛의 간섭과 같은 파동의 성질을 설명하기 어려웠다. 18세기에는 토머스 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 파동설이 우세해졌고, 제임스 맥스웰의 전자기학 이론으로 파동설은 정설로 굳어졌다.

르네 데카르트(1637),[42] 로버트 훅(1665),[43] 크리스티안 하위헌스(1678)는[44] 빛의 파동 이론을 제안하였으나, 주로 아이작 뉴턴의 영향으로 입자 모델이 지배적이었다.[45] 19세기 초 토마스 영과 오귀스탱 장 프레넬은 빛의 간섭과 회절을 증명했고, 1850년경에는 파동 모델이 일반적으로 받아들여졌다.[46] 제임스 클러크 맥스웰은 1865년 맥스웰 방정식을 통해[47] 빛이 전자기파임을 예측했고, 1888년 하인리히 헤르츠가 전파를 검출함으로써 실험적으로 확인되었다.[48]

2. 2. 20세기 초: 양자 개념의 등장과 광양자 가설

19세기 말, 흑체 복사 현상은 고전 물리학의 파동설로는 설명할 수 없는 문제였다. 막스 플랑크는 1900년 흑체 복사 문제를 해결하기 위해 에너지가 양자화되어 있다는 개념을 도입하였다.[9] 1905년 알베르트 아인슈타인은 광전 효과를 설명하기 위해 빛이 입자처럼 행동한다는 '광양자 가설'을 제시했다.[10] 아인슈타인은 빛이 에너지 덩어리(광양자) 형태로 존재하며, 각 광양자의 에너지는 진동수에 비례한다고 주장했다.

광전 효과: 빛 양자(광자)에 의해 금속판에서 전자가 방출되는 현상

2. 3. 1920년대: 광자 개념의 확립과 양자역학의 발전

아서 콤프턴은 콤프턴 효과 실험을 통해 X선이 에너지 hν, 운동량 hν/c를 갖는 입자로 간주될 수 있음을 보였다. 이는 알베르트 아인슈타인의 광양자 가설을 뒷받침하는 결과였다.[168][169][170] 1926년, 길버트 뉴턴 루이스는 이 빛의 입자를 그리스어 "빛"(φῶςgrc)을 따서 ''photon''(포톤, 광자)이라고 명명했다.[173][174] 1927년 제5회 솔베이 회의에서 이 용어가 채택되었고,[176] 아서 콤프턴이 노벨 물리학상을 수상하면서, 많은 과학자들이 광자의 개념을 받아들였다.

그러나 일부 과학자들은 빛의 파동성을 완전히 포기하지 않았다. 닐스 보어, 헨드릭 안토니 크라머스, 존 클라크 슬레이터는 맥스웰의 연속 전자기장 모델을 고수하며, 에너지와 운동량 보존 법칙을 완화하고 인과율을 포기하는 'BKS 이론'을 제시했다.[182] 그러나 개선된 콤프턴 효과 실험에서 에너지-운동량 보존 법칙이 매우 잘 성립하고, 인과율도 유지됨이 밝혀지면서 BKS 이론은 폐기되었다.[183]

그럼에도 불구하고, BKS 모형의 실패는 베르너 하이젠베르크의 행렬 역학 개발에 영감을 주었다.[184] 이후 1970년대와 1980년대의 광자 상관 실험을 통해 반고전적 이론들이 부정되면서, 빛의 양자화는 빛 자체의 속성이라는 아인슈타인의 가설이 확고하게 증명되었다.

광자 개념은 레이저, 보스-아인슈타인 응축, 양자장론 등 현대 물리학의 발전에 핵심적인 계기가 되었다.

2. 4. 현대: 양자전기역학과 표준 모형

폴 디랙은 양자전기역학(QED)을 통해 광자를 전자기장의 양자화된 여기 상태로 설명하였다.[103] 현대 물리학의 표준 모형에서 광자는 전자기력을 매개하는 게이지 보손으로 분류된다.[103]

표준 모형에서 광자는 전약 상호작용의 네 가지 게이지 보손 중 하나이며, 나머지 셋은 W+, W-, Z0로 표시되며 약한 상호작용을 담당한다. 광자와 달리 이 게이지 보손들은 힉스 메커니즘 때문에 질량을 가진다. 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그는 전약 상호작용에서 광자와 W 및 Z 게이지 보손을 통합하였으며, 이들은 이 업적으로 1979년 노벨 물리학상을 수상했다.[104][105][106]

3. 물리적 성질

광자는 전하를 띠지 않으며,[17][18] 일반적으로 정지 질량이 0이라고 여겨진다.[19] 또한 안정 입자이다. 광자 질량에 대한 실험적 상한선[20][21]은 매우 작아서 10-50 kg 정도이며, 수명은 1018년 이상이다.[22] 비교하자면 우주의 나이는 약 138억 년이다.

진공 상태에서 광자는 두 가지 가능한 편광 상태를 갖는다.[23] 광자는 전자기력의 게이지 보손이므로,[24] 광자의 다른 모든 양자수 (예: 렙톤 수, 바리온 수, 플레이버 양자수)는 0이다.[25] 또한 광자는 보즈-아인슈타인 통계를 따르고 페르미-디랙 통계를 따르지 않는다. 즉, 파울리 배타 원리[26]를 따르지 않으며, 하나 이상의 광자가 같은 속박된 양자 상태를 점유할 수 있다.

광자는 주파수와는 독립적인 스핀 각운동량을 운반한다.[140] 스핀의 크기는 \scriptstyle{\sqrt{2} \hbar}이며, 운동 방향에 따라 측정되는 성분인 헬리시티는 ±''ħ''이다. 두 개의 헬리시티 값은 우선성, 좌선성이라고 불리며, 광자의 두 가지 원편광 상태에 대응한다.[141]

광자는 많은 자연 과정에서 방출된다. 예를 들어, 전하가 가속될 때 싱크로트론 방사를 방출한다. 분자, 원자 또는 원자핵이 낮은 에너지 준위로 전이될 때, 라디오파부터 감마선까지 다양한 에너지의 광자가 방출된다. 입자와 그에 해당하는 반입자가 쌍소멸될 때도 광자가 방출될 수 있다 (예: 전자-양전자 쌍소멸).[26] 공간에서 입자와 반입자가 쌍소멸하면, 적어도 두 개의 광자가 생성된다.[142] 다른 관점에서 보면, 광자는 자신의 반입자라고 생각할 수도 있다. 역과정인 쌍생성은 감마선 등의 고에너지 광자가 물질 속을 지날 때 에너지를 잃는 과정이다.[143]

3. 1. 에너지와 운동량

진공에서 광자는 광속(c)으로 이동하며, 에너지와 운동량은 의 관계를 갖는다. 여기서 는 운동량 벡터 의 크기이다. 이것은 인 다음 상대론적 관계에서 유도된다.[27]

:E^{2} = p^{2} c^{2} + m^{2} c^{4} ~.

광자의 에너지와 운동량은 그 진동수 (\nu) 또는 역으로 그 파장 ()에만 의존한다.

:E = \hbar \, \omega = h \nu = \frac{\, h\,c \,}{\lambda}

:\boldsymbol{p} = \hbar \boldsymbol{k} ~,

여기서 ''''''는 파동 벡터이며,

\boldsymbol{p}가 광자의 진행 방향을 가리키므로, 그 운동량의 크기는

:p \equiv \left| \boldsymbol{p} \right| = \hbar k = \frac{\, h \nu \,}{c} = \frac{\, h \,}{\lambda} ~.이다.

광자는 양자역학 법칙을 따르므로 파동-입자 이중성을 지닌다. 광자가 측정 기구에 의해 검출될 때, 단일 입자 단위로 기록된다. 그러나 광자를 검출할 확률은 파동을 기술하는 방정식으로 계산된다. 예를 들어, 광자가 검출될 위치에 대한 확률 분포는 회절 및 간섭과 같은 파동 현상을 보여준다. 이중 슬릿을 통과하는 단일 광자는 맥스웰의 파동 방정식에 의해 결정되는 간섭 패턴에 따라 주어진 확률 분포를 가진 지점에서 스크린에 에너지를 전달한다.[67] 그러나 실험은 광자가 전자기파의 짧은 펄스가 아니라는 것을 확인한다. 광자의 맥스웰 파는 회절되지만, 광자 에너지는 전파될 때 퍼지지 않으며, 빔 분할기를 만날 때도 이 에너지는 분리되지 않는다.[68]

마이켈슨-몰리 실험에 따르면 진공 속의 광속은 c이다. 전자기파의 복사압은 단위 시간 단위 면적당 광자의 운동량 전달에서 유래한다.[136]

광자는 항상 진공 속의 빛의 속도와 같은 속도로 움직인다.

광선 속의 진동수 ν인 광자에 대해, 다음과 같이 에너지 ε과 운동량 p를 정의할 수 있다. 이것은 외부 광전 효과와 콤프턴 효과의 실험 결과에 의해 확인되었다.

:\epsilon = h\nu \; \; , \; \; p = \frac{h\nu}{c}

3. 2. 정지 질량과 전하

광자는 전하를 띠지 않으며,[17][18] 일반적으로 정지 질량이 0이라고 여겨진다.[19] 광자 질량에 대한 실험적 상한선[20][21]은 매우 작아서 10−50 kg 정도이다.[22]

현재 일반적으로 받아들여지는 물리 이론들은 광자가 엄격하게 질량이 없다고 가정하거나 암시한다. 만약 광자가 순수하게 질량이 없다면, 광자의 속도는 주파수에 따라 달라질 것이다. 상대성 이론은 이러한 영향을 받지 않는다. 소위 빛의 속도 ''c''는 빛이 실제로 이동하는 속도가 아니라, 시공간에서 어떤 물체가 이론적으로 도달할 수 있는 속도의 상한선(상한(upper bound))인 자연 상수가 될 것이다.[34]

만약 광자가 0이 아닌 질량을 갖는다면, 쿨롱의 법칙이 수정될 것이고, 전자기장은 추가적인 물리적 자유도를 갖게 될 것이다. 만약 쿨롱의 법칙이 정확하게 유효하지 않다면, 그것은 외부 전기장에 노출될 때 중공 도체 내부에 전기장이 존재할 수 있게 할 것이다. 이것은 정밀한 쿨롱의 법칙 검증을 위한 수단을 제공한다.[35] 이러한 실험 결과는 의 한계를 설정했다.[36]

빛의 질량에 대한 더욱 엄격한 상한은 은하 벡터 퍼텐셜에 의해 발생하는 효과를 탐지하도록 설계된 실험에서 얻어졌다. 광자가 질량을 갖는 경우, 질량 항은 은하 플라스마에 영향을 미칠 것이다. 그러한 효과가 관찰되지 않는다는 사실은 의 광자 질량에 대한 상한을 의미한다.[37] 은하 벡터 퍼텐셜은 자화된 고리에 작용하는 토크를 측정하여 직접적으로 탐침할 수도 있다.[38] 이러한 방법은 입자 데이터 그룹에 의해 주어진 (에 해당)의 더욱 엄격한 상한을 얻는 데 사용되었다.[39]

은하 벡터 퍼텐셜에 의해 발생하는 효과의 비관찰로부터 얻어진 이러한 엄격한 한계는 모델에 의존적인 것으로 나타났다.[40] 만약 광자 질량이 힉스 메커니즘을 통해 생성된다면, 쿨롱 법칙 검증으로부터 얻어진 의 상한이 유효하다.

3. 3. 스핀과 편광

광자는 스핀 각운동량을 가지며, 이는 광자 편광과 관련이 있다.[29] 광자의 각운동량은 \hbar 또는 -\hbar의 두 가지 값을 가질 수 있는데, 이 두 값은 원편광의 두 가지 순수 상태에 해당한다.[29] 빛의 빔에 있는 광자 집단은 이 두 값을 혼합할 수 있으며, 선형 편광된 빛의 빔은 두 가지 가능한 각운동량을 갖는 광자가 같은 수로 구성된 것처럼 작용한다.[29]

빛의 스핀 각운동량은 주파수에 의존하지 않으며, 1931년 C. V. 라만과 S. 바가반탐에 의해 실험적으로 검증되었다.[30]

광자는 주파수와는 독립적인 스핀 각운동량도 운반한다.[140] 스핀의 크기는 \scriptstyle{\sqrt{2} \hbar}이며, 운동 방향에 따라 측정되는 성분인 헬리시티는 ±''ħ''이다. 두 개의 헬리시티 값은 우선성, 좌선성이라고 불리며, 광자의 두 가지 원편광 상태에 대응한다.[141]

3. 4. 기타 성질

광자는 전하를 띠지 않으며,[17][18] 일반적으로 정지 질량이 0이라고 여겨진다.[19] 또한 안정 입자이다. 광자 질량에 대한 실험적 상한선[20][21]은 매우 작아서 10-50 kg 정도이며, 수명은 1018년 이상이다.[22] 비교하자면 우주의 나이는 약 138억 년이다.

진공 상태에서 광자는 두 가지 가능한 편광 상태를 갖는다.[23] 광자는 전자기력의 게이지 보손이므로,[24] 광자의 다른 모든 양자수 (예: 렙톤 수, 바리온 수, 플레이버 양자수)는 0이다.[25] 또한 광자는 보스-아인슈타인 통계를 따르고 페르미-디랙 통계를 따르지 않는다. 즉, 파울리 배타 원리[26]를 따르지 않으며, 하나 이상의 광자가 같은 속박된 양자 상태를 점유할 수 있다.

광자는 주파수와는 독립적인 스핀 각운동량도 운반한다.[140] 스핀의 크기는 \scriptstyle{\sqrt{2} \hbar}이며, 운동 방향에 따라 측정되는 성분인 헬리시티는 ±''ħ''이다. 두 개의 헬리시티 값은 우선성, 좌선성이라고 불리며, 광자의 두 가지 원편광 상태에 대응한다.[141]

공간에서 입자와 반입자가 쌍소멸하면, 적어도 두 개의 광자가 생성된다.[142] 다른 관점에서 보면, 광자는 자신의 반입자라고 생각할 수도 있다. 역과정인 쌍생성은 감마선 등의 고에너지 광자가 물질 속을 지날 때 에너지를 잃는 과정이다.[143]

4. 상호작용

가상 광자 교환을 통해 상호 작용하는 두 전자의 파인만 다이어그램


1910년, 페터 데바이는 공동 내의 전자기장을 푸리에 모드로 분해하고, 각 모드의 에너지가 h\nu의 정수배라고 가정하여 흑체 복사의 플랑크 법칙을 유도했다.[97] 1925년, 보른, 하이젠베르크, 요르단은 전자기장의 푸리에 모드가 독립적인 단순 조화 진동자 집합과 동일하며, 양자 역학적으로 에너지 준위가 E=nh\nu라고 해석했다. 이들은 E=nh\nu 에너지를 가진 전자기 모드를 h\nu 에너지의 광자 n개로 식별하여 올바른 에너지 변동 공식을 제시했다.[98]

디랙은 전하와 전자기장 사이의 상호작용을 광자 상태 전이를 유도하는 작은 섭동으로 취급하여, 아인슈타인의 계수를 유도하고 광자의 보스-아인슈타인 통계가 전자기장 양자화의 결과임을 보였다.[89][90] 디랙의 2차 섭동 이론은 가상 광자를 포함할 수 있는데, 이는 전자기장의 일시적인 중간 상태를 의미한다. 정적인 전기적 및 자기적 상호작용은 이러한 가상 광자에 의해 매개된다.

양자장론에서 관측 가능한 사건의 확률 진폭은 모든 가능한 중간 단계를 합산하여 계산되므로, 가상 광자는 E=pc를 만족하도록 제한되지 않고 추가적인 편광 상태를 가질 수 있다. 가상 광자는 관측될 수 없지만, 관측 가능한 사건의 확률에 측정 가능하게 기여한다.[99] 이러한 섭동 계산은 무한한 기여를 할 수 있는데, 이는 재규격화 기법으로 수정된다.[100] 다른 가상 입자도 기여할 수 있으며, 예를 들어 두 광자는 가상 전자-양전자 쌍을 통해 상호작용할 수 있다.[101] 이러한 광자-광자 산란은 국제 선형 충돌기의 작동 모드 중 하나가 될 예정이다.[102]

현대 물리학에서 전자기장의 양자 상태는 포크 상태로 작성된다.

:|n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots

여기서 |n_{k_i}\rangle는 \, n_{k_i}개의 광자가 모드 k_i에 있는 상태를 나타낸다.

4. 1. 물질과의 상호작용

광자는 쌍생성, 쌍소멸, 광전 효과, 콤프턴 산란 등 다양한 방식으로 물질과 상호작용한다. 입자와 반입자가 충돌하면 광자를 생성할 수 있는데, 자유 공간에서는 운동량 보존 법칙을 만족하기 위해 최소 두 개의 광자가 생성되어야 한다.[32] 반대로, 고에너지 광자는 쌍생성을 통해 에너지를 잃을 수 있다.[32]

전자기 복사의 압력은 단위 시간 및 면적당 광자 운동량의 전달로 설명된다.[33]

페터 데바이는 흑체 복사의 플랑크 법칙을 유도하면서 전자기장 모드의 에너지가 h\nu의 정수배라고 가정했다.[97] 막스 보른, 베르너 하이젠베르크, 파스쿠알 요르단은 에너지 준위가 E=nh\nu인 전자기 모드를 n개의 광자를 가진 상태로 식별하여 이를 재해석했다.[98]

폴 디랙은 전하와 전자기장 사이의 상호작용을 광자 상태 전이를 유도하는 섭동으로 취급하여 아인슈타인의 계수를 유도하고, 광자의 보즈-아인슈타인 통계를 설명했다.[89][90] 양자장론에서 가상 광자는 관측 가능한 사건의 확률에 기여한다.[99] 두 광자는 가상 전자-양전자 쌍을 통해 간접적으로 상호작용할 수 있으며,[101] 이러한 광자-광자 산란은 국제 선형 충돌기의 작동 모드 중 하나가 될 예정이다.[102]

광자는 강입자와 상호작용할 때, 벡터 중간자 우세 모델에 따라 전하와만 상호작용하는 광자와 벡터 중간자의 중첩 상태로 설명된다.[109] 광자의 구조는 광자 구조 함수로 설명되는 쿼크와 글루온의 흐름으로 구성된다.[110][111]

빛은 투명한 물질을 통과할 때 속도가 느려지는데, 이는 굴절률로 나타낸다. 고전적으로는 빛이 물질에서 전기 분극을 유도하고, 이로 인해 지연된 파동이 형성되는 것으로 설명된다. 입자 관점에서는 광자가 물질의 양자 여기와 혼합되어 폴라리톤을 형성하는 것으로 설명된다.[116]

광자는 물질에 의해 산란될 수 있다. 예를 들어 태양의 복사층에서 광자가 핵을 떠난 후 여러 번 산란되어 대류층에 도달하는 데 약 100만 년이 걸린다.[117]

광자는 핵, 원자 또는 분자에 흡수되어 에너지 준위 전이를 일으킬 수 있다. 레티날 분자의 전이는 시각 인지를 담당하며,[119] 광자의 흡수는 화학 결합을 끊을 수도 있다.[120]

4. 2. 전자기장과의 상호작용

폴 디랙은 전하와 전자기장 사이의 상호작용을, 에너지와 운동량을 보존하면서 광자 상태의 전이를 유도하여 모드 내 광자 수를 변경하는 작은 섭동으로 취급했다.[89][90] 이를 통해 디랙은 아인슈타인의 A_{ij}와 B_{ij} 계수를 유도하고, 광자의 보스-아인슈타인 통계가 전자기장을 올바르게 양자화하는 자연스러운 결과임을 보였다.[89][90]

디랙의 2차 섭동 이론은 가상 광자를 포함할 수 있다. 가상 광자는 전자기장의 일시적인 중간 상태를 의미한다. 정적인 전기적 및 자기적 상호작용은 이러한 가상 광자에 의해 매개된다.[99] 양자장론에서 관측 가능한 사건의 확률 진폭은 비물리적인 단계를 포함한 모든 가능한 중간 단계를 합산하여 계산된다.[99] 따라서 가상 광자는 E=pc를 만족하도록 제한되지 않으며, 사용된 게이지에 따라 실제 광자의 두 상태 대신 세 개 또는 네 개의 편광 상태를 가질 수 있다.[99] 가상 광자는 일시적이므로 관찰될 수 없지만, 관측 가능한 사건의 확률에는 측정 가능하게 기여한다.[99]

이러한 2차 및 고차 섭동 계산은 무한한 기여를 할 수 있는데, 이러한 비물리적인 결과는 재규격화 기법으로 수정된다.[100] 다른 가상 입자들도 기여할 수 있는데, 예를 들어 두 개의 광자는 가상 전자-양전자 쌍을 통해 간접적으로 상호작용할 수 있다.[101] 이러한 광자-광자 산란(이광자 물리학 참조)과 전자-광자 산란은 국제 선형 충돌기의 작동 모드 중 하나가 될 예정이다.[102]

4. 3. 중력과의 상호작용

광자는 응력-에너지 텐서에 기여하기 때문에, 일반 상대성 이론에 따르면 다른 물체에 중력적 인력을 작용한다. 반대로, 광자는 중력의 영향을 받는다. 광자의 일반적으로 직선적인 궤적은 휘어진 시공간에 의해 휘어질 수 있으며(중력 렌즈), 그들의 주파수는 높은 퍼텐셜 에너지로 이동함에 따라 낮아질 수 있다(파운드-레브카 실험). 그러나 이러한 효과는 광자에만 국한되지 않으며, 고전적인 전자기파에 대해서도 정확히 동일한 효과가 예측된다.[115]

5. 응용

광자는 다양한 기술 분야에 응용된다. 아래는 고전적인 빛 이론으로는 설명하기 어려운 광자 자체의 응용 사례들이다.

개별 광자는 여러 가지 방법으로 검출할 수 있다.


  • 광전자 증배관: 광전 효과를 이용하여 전자를 방출시키고 증폭한다.
  • 반도체 전하 결합 소자 칩: 입사 광자가 미세한 축전기에 전하를 생성하는 것을 검출한다.
  • 가이거 계수기: 광자가 기체 분자를 이온화시켜 전도도 변화를 유발하는 것을 감지한다.[121]


플랑크의 에너지 공식(E=h\nu)은 광자 흡수로 인한 에너지 변화를 계산하고, 특정 광자 방출에서 나오는 빛의 주파수를 결정하는 데 사용된다. 예를 들어, 가스 방전 램프의 방출 스펙트럼은 서로 다른 전자 에너지 준위를 가진 기체 혼합물로 채워 변경할 수 있다.[122]

특정 조건에서는 두 개의 광자가 결합하여 에너지 전이를 유도할 수 있다. 이는 이광자 여기 현미경과 같이 시료가 두 개의 다른 색깔의 빔이 겹치는 부분에서만 에너지를 흡수하게 하여 해상도를 높이는 기술에 응용된다. 또한, 낮은 에너지의 광자를 사용하므로 시료 손상이 적다.[123]

형광 공명 에너지 전달은 한 시스템이 광자를 흡수하면 근처의 다른 시스템이 에너지를 받아 다른 주파수의 광자를 방출하는 현상이다. 분자 생물학에서 단백질 상호작용 연구에 활용된다.[124]

하드웨어 난수 생성기 중에는 단일 광자 검출을 이용하는 경우가 있다. 예를 들어, 광자를 빔 분할기로 보내 두 가지 가능한 결과 중 하나를 선택하여 난수를 생성한다.[125][126]

5. 1. 레이저

유도 방출 현상을 이용하는 레이저는 광자의 중요한 응용 사례이다. 1916년 알베르트 아인슈타인은 플랑크의 복사 법칙이 광자와 원자에 대한 반고전적 통계적 처리로부터 유도될 수 있음을 보였는데, 이는 원자가 광자를 방출하고 흡수하는 비율 사이의 연관성을 의미한다.[85] 이후 폴 디랙은 양자 이론의 틀 내에서 처음부터 모든 비율 상수를 유도하는 데 성공했다.[89][90] 레이저는 광통신, 의료, 산업, 과학 연구 등 다양한 분야에서 활용된다.

5. 2. 양자 광학 및 양자 정보

양자 광학 분야에서는 광자의 응용에 대한 많은 연구가 이루어졌다. 광자는 매우 빠른 양자 컴퓨터의 구성 요소로 적합해 보이며, 광자의 양자 얽힘은 연구의 초점이다. 비선형 광학 과정 또한 활발한 연구 분야이며, 이중 광자 흡수, 자체 위상 변조, 변조 불안정성 및 광학 파라메트릭 발진기와 같은 주제가 포함된다. 그러나 이러한 과정은 일반적으로 광자 자체의 가정을 필요로 하지 않으며, 원자를 비선형 진동자로 취급하여 모델링하는 경우가 많다. 자발적 파라메트릭 다운 변환의 비선형 과정은 단일 광자 상태를 생성하는 데 자주 사용된다. 마지막으로, 광자는 특히 양자 암호화를 위해 광 통신의 일부 측면에서 필수적이다.[127]

이중 광자 물리학은 드문 광자 간의 상호 작용을 연구한다. 2018년 매사추세츠 공과대학교(Massachusetts Institute of Technology) 연구원들은 폴라리톤을 포함할 수 있는 결합된 광자 삼중항의 발견을 발표했다.[128][129]

5. 3. 광화학 및 분광학

광자는 광화학 반응을 유도하거나, 물질의 분광학적 특성을 분석하는 데 사용된다. 엔지니어와 화학자들은 플랑크의 에너지 공식(E=h\nu)을 이용하여 광자 흡수로 인한 에너지 변화를 계산하고, 특정 광자 방출에서 방출되는 빛의 주파수를 결정한다. 예를 들어, 가스 방전 램프의 방출 스펙트럼은 서로 다른 전자 에너지 준위 배열을 가진 기체(혼합물)로 채움으로써 변경할 수 있다.[122]

어떤 조건에서는 개별적으로는 충분하지 않은 두 개의 광자에 의해 에너지 전이가 유도될 수 있다. 이를 통해 이광자 여기 현미경과 같은 고해상도 현미경 검사가 가능하다. 또한, 이러한 광자는 에너지가 낮기 때문에 시료에 대한 손상이 적다.[123]

어떤 경우에는 두 개의 에너지 전이가 결합되어 한 시스템이 광자를 흡수하면 근처의 다른 시스템이 그 에너지를 "훔쳐" 다른 주파수의 광자를 재방출할 수 있다. 이것은 형광 공명 에너지 전달의 기초이며, 분자 생물학에서 적절한 단백질의 상호 작용을 연구하는 데 사용되는 기술이다.[124]

5. 4. 기타 응용

광자는 여러 기술 분야에 응용된다. 아래는 고전적인 빛 이론으로는 설명하기 어려운 광자 자체의 응용 사례들이다.

개별 광자는 다양한 방법으로 검출할 수 있다.

  • 광전자 증배관: 광전 효과를 이용하여 전자를 방출시키고 증폭한다.
  • 반도체 전하 결합 소자 칩: 입사 광자가 미세한 축전기에 전하를 생성하는 것을 검출한다.
  • 가이거 계수기: 광자가 기체 분자를 이온화시켜 전도도 변화를 유발하는 것을 감지한다.[121]


플랑크의 에너지 공식(E=h\nu)은 광자 흡수로 인한 에너지 변화를 계산하고, 특정 광자 방출에서 나오는 빛의 주파수를 결정하는 데 사용된다. 예를 들어, 가스 방전 램프의 방출 스펙트럼은 서로 다른 전자 에너지 준위를 가진 기체 혼합물로 채워 변경할 수 있다.[122]

특정 조건에서는 두 개의 광자가 결합하여 에너지 전이를 유도할 수 있다. 이는 이광자 여기 현미경과 같이 시료가 두 개의 다른 색깔의 빔이 겹치는 부분에서만 에너지를 흡수하게 하여 해상도를 높이는 기술에 응용된다. 또한, 낮은 에너지의 광자를 사용하므로 시료 손상이 적다.[123]

형광 공명 에너지 전달은 한 시스템이 광자를 흡수하면 근처의 다른 시스템이 에너지를 받아 다른 주파수의 광자를 방출하는 현상이다. 분자 생물학에서 단백질 상호작용 연구에 활용된다.[124]

하드웨어 난수 생성기 중에는 단일 광자 검출을 이용하는 경우가 있다. 예를 들어, 광자를 빔 분할기로 보내 두 가지 가능한 결과 중 하나를 선택하여 난수를 생성한다.[125][126]

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