개념완성

고전적 스칼라장 (Classical Scalar Field)

1. 장의 개념과 라그랑지안 역학

양자장론의 출발점은 고전적 장(classical field)이다. 입자역학에서 일반화 좌표 qi(t)q_i(t)로 시스템을 기술하듯, 장론에서는 시공간의 각 점에 정의된 장 ϕ(xμ)=ϕ(x,t)\phi(x^\mu) = \phi(\mathbf{x}, t)로 시스템을 기술한다.

정의1.1스칼라장

스칼라장(scalar field) ϕ(x)\phi(x)는 시공간 좌표 xμ=(t,x)x^\mu = (t, \mathbf{x})의 함수로, 로렌츠 변환 xμ→x′μ=Λμνxνx^\mu \to x'^\mu = \Lambda^\mu{}_\nu x^\nu 하에서 다음과 같이 변환한다:

ϕ(x)→ϕ′(x′)=ϕ(x)\phi(x) \to \phi'(x') = \phi(x)

즉, 장의 값이 스칼라(불변량)로 변환되는 장이다. 이는 스핀-0 입자를 기술한다.

장론에서 역학의 기본 원리는 입자역학과 동일하게 최소작용 원리(principle of least action)이다. 다만 라그랑지안 대신 라그랑지안 밀도(Lagrangian density)를 사용한다.

2. 라그랑지안 밀도와 작용

정의1.2라그랑지안 밀도

장론의 라그랑지안 밀도 L\mathcal{L}은 장 ϕ(x)\phi(x)와 그 도함수 ∂μϕ(x)\partial_\mu \phi(x)의 함수이다:

L=L(ϕ,∂μϕ)\mathcal{L} = \mathcal{L}(\phi, \partial_\mu \phi)

라그랑지안과 작용(action)은 각각:

L=∫d3x L(ϕ,∂μϕ)L = \int d^3x \, \mathcal{L}(\phi, \partial_\mu \phi)S[ϕ]=∫d4x L(ϕ,∂μϕ)=∫dt∫d3x LS[\phi] = \int d^4x \, \mathcal{L}(\phi, \partial_\mu \phi) = \int dt \int d^3x \, \mathcal{L}

자유 실수 스칼라장의 라그랑지안 밀도는 다음과 같다:

L=12∂μϕ ∂μϕ−12m2ϕ2\mathcal{L} = \frac{1}{2} \partial_\mu \phi \, \partial^\mu \phi - \frac{1}{2} m^2 \phi^2

여기서 자연 단위계 ℏ=c=1\hbar = c = 1을 사용하며, 계량 텐서는 ημν=diag(+1,−1,−1,−1)\eta^{\mu\nu} = \mathrm{diag}(+1, -1, -1, -1) (mostly minus convention)을 채택한다. 이를 전개하면:

L=12ϕ˙2−12(∇ϕ)2−12m2ϕ2\mathcal{L} = \frac{1}{2} \dot{\phi}^2 - \frac{1}{2} (\nabla \phi)^2 - \frac{1}{2} m^2 \phi^2

첫째 항은 "운동 에너지", 둘째와 셋째 항은 "퍼텐셜 에너지"에 해당한다.

3. 오일러-라그랑주 방정식

최소작용 원리 δS=0\delta S = 0으로부터 장의 운동방정식을 유도할 수 있다.

유도장의 오일러-라그랑주 방정식

작용의 변분을 계산하자. ϕ→ϕ+δϕ\phi \to \phi + \delta\phi (δϕ\delta\phi는 경계에서 0)라 하면:

δS=∫d4x[∂L∂ϕδϕ+∂L∂(∂μϕ)δ(∂μϕ)]\delta S = \int d^4x \left[ \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \phi} \delta\phi + \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial (\partial_\mu \phi)} \delta(\partial_\mu \phi) \right]

δ(∂μϕ)=∂μ(δϕ)\delta(\partial_\mu \phi) = \partial_\mu (\delta\phi)이므로, 부분적분을 적용하면:

δS=∫d4x[∂L∂ϕ−∂μ(∂L∂(∂μϕ))]δϕ+(경계항 = 0)\delta S = \int d^4x \left[ \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \phi} - \partial_\mu \left( \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial (\partial_\mu \phi)} \right) \right] \delta\phi + \text{(경계항 = 0)}

δS=0\delta S = 0이 임의의 δϕ\delta\phi에 대해 성립하므로:

∂L∂ϕ−∂μ(∂L∂(∂μϕ))=0\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \phi} - \partial_\mu \left( \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial (\partial_\mu \phi)} \right) = 0

이것이 장의 오일러-라그랑주 방정식(Euler-Lagrange equation for fields)이다.

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자유 스칼라장 L=12∂μϕ ∂μϕ−12m2ϕ2\mathcal{L} = \frac{1}{2}\partial_\mu\phi\,\partial^\mu\phi - \frac{1}{2}m^2\phi^2에 적용하면:

∂L∂ϕ=−m2ϕ,∂L∂(∂μϕ)=∂μϕ\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \phi} = -m^2\phi, \qquad \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial(\partial_\mu\phi)} = \partial^\mu\phi

따라서 운동방정식은:

(∂μ∂μ+m2)ϕ=(□+m2)ϕ=0(\partial_\mu \partial^\mu + m^2)\phi = (\Box + m^2)\phi = 0

이것이 바로 클라인-고든 방정식(Klein-Gordon equation)이다. 여기서 □≡∂μ∂μ=∂t2−∇2\Box \equiv \partial_\mu\partial^\mu = \partial_t^2 - \nabla^2은 달랑베르시안(d'Alembertian) 연산자이다.

4. 해밀턴 형식론

정의1.3정준 운동량과 해밀턴 밀도

장 ϕ(x)\phi(x)에 정준 켤레 운동량(canonically conjugate momentum)을 다음과 같이 정의한다:

π(x)≡∂L∂ϕ˙(x)\pi(x) \equiv \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \dot{\phi}(x)}

자유 스칼라장의 경우 π(x)=ϕ˙(x)\pi(x) = \dot{\phi}(x)이다. 해밀턴 밀도(Hamiltonian density)는:

H=πϕ˙−L=12π2+12(∇ϕ)2+12m2ϕ2\mathcal{H} = \pi \dot{\phi} - \mathcal{L} = \frac{1}{2}\pi^2 + \frac{1}{2}(\nabla\phi)^2 + \frac{1}{2}m^2\phi^2

전체 해밀토니안은:

H=∫d3x H=∫d3x[12π2+12(∇ϕ)2+12m2ϕ2]H = \int d^3x \, \mathcal{H} = \int d^3x \left[ \frac{1}{2}\pi^2 + \frac{1}{2}(\nabla\phi)^2 + \frac{1}{2}m^2\phi^2 \right]

해밀턴 밀도의 세 항은 모두 양수이므로, 에너지 H≥0H \geq 0이 보장된다. 이는 스칼라장 이론의 안정성에 핵심적이다.

5. 뇌터 정리와 보존류

정의1.4뇌터 정리 (장론 버전)

뇌터 정리(Noether's theorem): 작용 SS가 연속 대칭 변환 ϕ→ϕ+α δϕ\phi \to \phi + \alpha\,\delta\phi에 대해 불변이면, 대응하는 보존류(conserved current) jμj^\mu가 존재한다:

jμ=∂L∂(∂μϕ)δϕ−Kμ,∂μjμ=0j^\mu = \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial(\partial_\mu\phi)} \delta\phi - K^\mu, \qquad \partial_\mu j^\mu = 0

여기서 KμK^\mu는 δL=∂μKμ\delta\mathcal{L} = \partial_\mu K^\mu를 만족하는 항이다. 대응하는 보존 전하(conserved charge)는:

Q=∫d3x j0,dQdt=0Q = \int d^3x \, j^0, \qquad \frac{dQ}{dt} = 0
예제시공간 병진 대칭과 에너지-운동량 텐서

시공간 병진 xμ→xμ+aμx^\mu \to x^\mu + a^\mu에 대한 불변성으로부터 에너지-운동량 텐서(energy-momentum tensor)가 유도된다:

Tμν=∂L∂(∂μϕ)∂νϕ−ημνLT^{\mu\nu} = \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial(\partial_\mu\phi)} \partial^\nu\phi - \eta^{\mu\nu}\mathcal{L}

자유 스칼라장의 경우:

Tμν=∂μϕ ∂νϕ−ημν(12∂αϕ ∂αϕ−12m2ϕ2)T^{\mu\nu} = \partial^\mu\phi\,\partial^\nu\phi - \eta^{\mu\nu}\left(\frac{1}{2}\partial_\alpha\phi\,\partial^\alpha\phi - \frac{1}{2}m^2\phi^2\right)
  • T00=H=12ϕ˙2+12(∇ϕ)2+12m2ϕ2T^{00} = \mathcal{H} = \frac{1}{2}\dot{\phi}^2 + \frac{1}{2}(\nabla\phi)^2 + \frac{1}{2}m^2\phi^2 (에너지 밀도)
  • T0i=ϕ˙ ∂iϕT^{0i} = \dot{\phi}\,\partial^i\phi (운동량 밀도)

보존 법칙 ∂μTμν=0\partial_\mu T^{\mu\nu} = 0은 에너지와 운동량 보존을 나타낸다.

6. 평면파 전개

클라인-고든 방정식의 일반해는 평면파의 중첩으로 쓸 수 있다:

ϕ(x)=∫d3p(2π)312ωp(ap e−ip⋅x+ap∗ eip⋅x)\phi(x) = \int \frac{d^3p}{(2\pi)^3} \frac{1}{\sqrt{2\omega_{\mathbf{p}}}} \left( a_{\mathbf{p}} \, e^{-ip \cdot x} + a_{\mathbf{p}}^* \, e^{ip \cdot x} \right)

여기서 ωp=∣p∣2+m2\omega_{\mathbf{p}} = \sqrt{|\mathbf{p}|^2 + m^2}는 각 모드의 에너지이고, p⋅x=ωpt−p⋅xp \cdot x = \omega_{\mathbf{p}} t - \mathbf{p} \cdot \mathbf{x}이다. 계수 apa_{\mathbf{p}}와 ap∗a_{\mathbf{p}}^*는 양자화 과정에서 소멸·생성 연산자로 승격된다.

참고질량 껍질 조건

평면파 e−ip⋅xe^{-ip\cdot x}가 클라인-고든 방정식의 해가 되려면, 4-운동량 pμp^\mu가 질량 껍질 조건(mass-shell condition)을 만족해야 한다:

pμpμ=m2⟺p02=∣p∣2+m2p^\mu p_\mu = m^2 \quad \Longleftrightarrow \quad p_0^2 = |\mathbf{p}|^2 + m^2

양의 에너지 해 p0=+ωpp_0 = +\omega_{\mathbf{p}}만 취하면, 이는 고전적 상대론적 에너지-운동량 관계 E2=∣p∣2+m2E^2 = |\mathbf{p}|^2 + m^2에 대응한다. 이 조건은 자유 입자가 살아가는 운동량 공간의 쌍곡면을 정의한다.