광자Photon
오늘날 물리학자들은 입자물리학을 이용해 전자기력electromagnetic force(전자기장 내의 전하, 자기량, 전류에 전자기장이 미치는 힘)을 연구한다. 현재의 전자기력 연구는 이전의 고전적인 방법보다 더 광범위하고 정확하여 양자전자기이론은 전자비정상자기모멘트electron anomalous magnetic moment라는 양의 측정을 통해 10억분의 1이라는 높은 정확도로 예측 값을 내놓았다. 양자역학적 전자기이론에서는 전자기력을 광자의 교환으로 설명한다. 전자가 방출한 광자가 다른 전자로 옮겨가면서 전자기력을 전달하고 사라진다는 것이다. 이런 교환을 통해 광자는 힘을 전달하거나 매개mediate한다. 광자는 한 곳에서 다른 곳으로 정보를 전달하는 임무를 수행한 뒤 즉각 소각되는 비밀문서와도 같다.
전기력에는 인력attractive force과 척력repulsive force이 있다. 양전하이든 음전하이든 다른 종류의 전하 사이에는 인력이 작용하고, 같은 종류의 전하 사이에는 척력이 작용한다. 광자가 척력을 전달하는 방식은 얼음판 위에서 스케이트선수 두 사람이 볼링공을 주고받는 상황에 비유할 수 있다. 둘 중 한 사람이 볼링공을 받을 때마다 얼음판 위에 미끌어져 공을 던진 사람에게서 멀어진다. 반대로 인력은 초보자 두 사람이 플라스틱 원반을 서로에게 던지는 상황과 비슷하다. 서로 멀어지는 스케이트선수 두 사람과 달리 초보자 두 사람은 원반을 덜 잘 잡기 위해 서로 더 가까워진다.
광자는 게이지보존gauge boson이라는 힘을 전달하는 기본입자의 첫 번째 사례이다. 게이지란 단어를 사용하기 시작한 것은 1800년대 후반으로 철길궤도의 두 쇠줄 사이의 너비를 뜻하는 이 단어를 ‘접선에 따라 작용하는 힘이나 운동’ 등을 뜻하는 비유로 사용했다. 게이지보존에는 광자 말고도 약력보존과 글루온gluon(쿼크 사이의 상호작용을 매개하는 입자)이 있으며 이들은 각각 약력과 강력을 전달하는 입자이다. 글루온은 쿼크의 양자 수 사이에 작용하는 힘을 매개하는, 하전입자와 전자기장으로 이루어진 입자다.
1920년대 후반과 1940년대 사이, 영국의 물리학자 폴 디랙Paul Adrian Maurice Dirac(1902~84)과 미국의 리처드 파인만Richard Phillips Feynman(1918~88), 줄리언 슈윙거Julian Seymour Schwinger(1918~94) 또 전후 일본에서 독립적으로 연구하던 도모나가 신이치로朝永振一郞(1906~79)는 광자에 대한 양자역학이론을 발전시켰다. 그들은 자신들이 발전시킨 양자론을 양자전기역학quantum electrodynamics(QED)이라고 불렀다. 양자전기역학은 고전 전자기이론의 결과를 모두 예측할 뿐 아니라 양자 입자를 생성하거나 교환함으로써 생겨나는 상호작용처럼 물리반응에 나타나는 입자(양자) 효과들을 모두 포함한다. 양자전기역학은 전자기력이 광자 교환을 통해 어떻게 나타날 수 있는지를 보여준다. 그렇지만 양자전기역학에 등장하는 광자가 모두 소멸되는 것은 아니다. 광자처럼 전자기 상호작용을 이끌어내고 만들어졌다가 순식간에 사라지는 중간입자intermediate 혹은 내부입자internal particle 외에도 실재하는 외부입자external particle로서 상호작용 영역을 출입하는 광자도 존재한다. 때로 이 입자들은 방향이 바뀌기도 하며 다른 입자로 변하기도 한다. 상호작용 영역에 들어가거나 외부에 남아있는 입자들은 어느 쪽이든 실재하는 입자들이다.