0. 목차
- 아인슈타인의 꿈
- 자연계의 최소 단위 '소립자'
- 양성자와 중성자를 만드는 '강한 핵력'
- '약한 핵력'과 '중성미자'
- '전자기력'과 '약한 핵력'은 본래 같은 힘이다.
- 우주 탄생 직후, 힘이 넷으로 갈라졌다.
- '양성자의 붕괴'가 예언되어 있다.
- '초대칭성 입자'의 존재가 예언되어 있다.
1. '힘'의 통일을 향해
1-1. 아인슈타인의 꿈
상대성 이론으로 유명한 '알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'은 만년에 '중력과 전자기력의 통일'에 착수했다. '전자기력(Electromagnetic force)'이란 정전기를 띤 책받침이 머리털을 잡아당기는 힘이나, 자석과 자석 사이에 작용하는 힘 등이다. 아인슈타인은 다른 것으로 보이는 중력과 전자기력이 본질적으로 같은 것임을 나타내려고 했다.
하지만 유감스럽게도 그는 이 시도를 성공시키지 못하고 세상을 떠났다. 하지만 아인슈타인의 꿈은 그 형태를 바꾸어 계승되고 있다. 뒤에서 자세히 소개하겠지만, 물리학자들은 자연계에는 '기본적인 4가지 힘'이 존재한다는 사실을 규명했다. 자연계의 모든 힘은, 결국 4가지 힘으로 설명할 수 있다. 더욱이 물리학자들은 이 4가지 힘이 하나의 힘으로 통일될 것으로 굳게 믿고 있다. 현재도 연구가 진행되고 있다.
2008년 9월에는 제네바 교외에 길이 27km의 사상 최강의 가속기 'LHC(대형 하드론 충돌형 가속기)'가 완성되었다. 또 전체 길이 30km의 ILC(국제 선형 가속기)' 건설도 추진되고 있다. 이런 거대 가속기들은 힘의 통일에 크게 공헌할 것으로 기대된다. 가속기란 양성자나 전자 등을 광속에 가까운 속도로 충돌시켜 소립자의 반응을 조사하는 실험 장치를 말한다.
1-2. 천상과 지상 세계의 '힘의 통일'
17세기까지는 지상의 사과가 지면에 떨어지는 운동과, 달이 지구를 도는 운동이 전혀 다른 운동이라고 생각되었다. 즉, 당시에는 '천상의 세계'와 '지상의 세계'는 서로 다른 운동 법칙이 지배한다고 생각되었다. 하지만 '아이작 뉴턴(Issac Newton, 1642~1727)'은 이들 운동이 같은 만유인력에 의해 일어나고 있음을 밝혀냈다. '천상의 운동 법칙'과 '지상의 운동 법칙'을 하나로 통일한 것이다.
'전기력(Electric Force)'과 '자기력(Magnetic Force)'도 '제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)'에 의해 '전자기력'으로 통일되었다. 예컨대 코일에 '전류(전기력으로 유발되는 전자의 흐름)'를 흐르게 하면, 전자석이 생긴다. 전류가 자기력을 생기게 하는 것이다. 이처럼 전기와 자기는 서로 뗄 수 없는 관계에 있다. 전기력과 자기력은 '전자기력'이라는 하나의 힘이 다른 측면으로 나타나는 것이다.
1-3. 우리 주변에 있는 힘의 정체
'힘(Force)'이란 '물체를 움직인다.', '물체를 변형시킨다.', '물체와 물체를 연결한다.'는 식의 작용을 가진 것이다. 하지만 '소립자 물리학(Elementary Particle Physics)'에서 힘은 좀더 넓은 의미를 가지고 있어, '소립자끼리 영향을 미치는 일'이라고 말할 수 있다.
우리 주변에서 볼 수 있는 힘은 그 근원을 찾아가 보면, '중력(Gravity)' 외에는 모두 '전자기력(Magnetic Force)'이 그 근원이라고 해도 좋다. '장력(끈 등으로 잡아당기는 힘)', 물건을 미는 힘, '마찰력(접촉하고 있는 두 물체 사이의 상대적인 움직임을 방해하는 힘)', '공기 저항의 힘' 등도 그 근원은 모두 '전자기력'으로 귀착된다. 원자의 중심에는 양의 전기를 띤 '원자핵(Atomic nucleus)'이 있고, 그 주위에 음의 전기를 띤 '전자(Electron)'가 분포되어 있다. 원자는 원자핵과 전자가 '전자기력'으로 서로 잡아당김으로써 이루어진다. 물질은 원자로 되어 있다. 따라서 물체 사이에 작용하는 힘도 미시의 시점으로 보면, 결국 물체의 내부나 표면의 원자끼리의 작용하는 전자기력의 복잡한 조합으로 생긴다고 할 수 있다. 예컨대, 끈의 '장력'은 끈을 이루는 원자끼리 전자기력으로 서로 잡아당김으로써 생기는 것이다.
전자기력과 중력은 멀리 갈수록 약해지며, 매우 멀리까지 전해진다. 단, 전자기력의 경우, 양과 음 전하의 작용이 상쇄되므로 큰 규모에서는 영향을 볼 수 없다. 그래서 천체의 규모의 세계에서는 중력이 지배한다.
2. 자연계의 최소 단위 '소립자'
소립자의 세계에 대해 알아가면서, 전자기력이나 중력과는 다른 힘이 존재한다는 사실을 알게 되었다. 원자보다 작은 소립자의 세계의 힘 가운데, 강한 쪽을 '강력(강한 핵력)', 약한쪽을 '약력(약한 핵력)'이라고 한다. 이들 힘을 이해하기 위해, 우선 소립자에는 어떤 것이 있는지 알아보자.
2-1. 페르미온 (물질을 구성하는 입자)
소립자(Elementary Particle)'란 물질을 구성하는 가장 기본이 되는 요소로, 더 이상 분해할 수 없는 입자이다. 원자핵은 양의 전기를 띤 '양성자'와 전기를 띠고 있지 않은 '중성자'로 이루어져 있다. 그리고 양성자와 중성자는 '쿼크(Quark)'라는 소립자로 이루어져 있다. 양성자는 2개의 '업 쿼크(Up quark)'와 1개의 '다운 쿼크(Down quark)'로, 중성자는 1개의 '업 쿼크(Up quark)'와 2개의 '다운 쿼크(Down quark)'로 이루어져 있다. 우리 주변에 있는 물질은 모두 '업 쿼크', '다운 쿼크', '전자(Electron)'의 셋으로만 이루어져 있다.
'중성미자'는 물질을 구성하는 소립자는 아니지만, 태양의 내부 등에서 생성되는 데 지구에도 대량으로 내리 쏟아지고 있다. 그러나 물질과는 거의 힘을 서로 미치지 않으므로, 지구마저 쉽게 관통해 지나간다. 중성미자는 일본의 '고시바 마사토시' 박사가 2002년에 '가미오칸데(KAMIOKANDE)'에서 검출에 성공하였다.
'업 쿼크(Up Quark)'와 다운 쿼크(Down Quark)'가 쌍을 이루는 것처럼, '전자(Electron)'는 '전자 중성미자(Electron Neutrino)'는 쌍을 이루고 있다. 그리고 이 4개의 소립자를 '제1세대'의 소립자라고 부른다. 이들 넷과 아주 비슷하지만 질량이 다른 4개의 소립자가, 각각 2세대와 3세대에도 존재한다. '물질을 구성하는 입자'를 '페르미온(fermion)'이라고 부르는데, 결국 페르미온은 합계 12종이 있는 셈이다. 단, 각 소립자에는 질량이 같고 전하 등의 성질이 반대인 '반입자(Antiparticle)'도 존재한다. 예컨대 '전자(Electron)'와 같은 질량이고 양의 전하를 가지는 '양전자(Positron)'등이 있다.
2-2. 보손 (힘을 전하는 소립자)
모든 소립자는 '페르미온(Fermion)' 또는 '보손(Boson)' 가운데 하나에 반드시 포함되어 있으며, '보손(Boson)'은 '힘을 전하는 소립자'이다. '물질 입자'에 작용하는 힘은 '보손'을 주고받음으로써 생긴다. 전자기력을 전하는 것은 '광자(Photon)', 중력을 전하는 것은 '중력자(Graviton)'이다. '광자'와 '중력자'는 모두 질량이 0인 소립자이다. 다만, 중력자는 존재가 예언되어 있으나, 아직 발견되지는 않았다.
그러면 소립자가 어떻게 힘을 주고받는다는 것일까? 이를 이해하기 위해 미끄러운 얼음판 위에 있는 두 사람을 생각해 보자. 얼음판 위에서 '공받기'를 하면, 공으로부터 받는 힘에 의해 두 사람은 서로 멀어진다. 이것은 '척력(반발력)'이 생긴 것에 해당한다. 한편, 두 사람이 서로 등지고 부메랑을 주고 받으면, 두 사람은 서로 가까워진다. 이것은 '인력'에 해당한다. 소립자의 주고받음에 의해 생기는 '척력'과 '인력'은 사실 '양자론'에 의해 설명되는 복잡한 과정이다. 하지만 이 비유의 설명으로 그 이미지는 파악될 것이다.
3. 양성자와 중성자를 만드는 '강한 핵력'
'강한 핵력'은 쿼크끼리 결합시켜서, 양성자나 중성자를 형성하는 힘이다. '글루온(Gluon)'이라는 힘의 입자를 주고받음으로써 생긴다. '글루(glue)'는 '풀'이라는 뜻이다. 단, 렙톤에는 '강한 핵력'이 작용하지 않는다.
'강한 핵력'은 쿼크의 끝에 단 고무줄 같은 것이라고 할 수 있다. 고무줄에 늘어나는 한계가 있는 것처럼 '강한 핵력'의 고무줄은 양성자의 크기 정도까지 늘어나버리면 끊어진다. 그래서 '강한 핵력'은 양성자 크기 정도보다 멀리 작용하지 않는다. 그리고 불가사의하지만, 이때의 고무줄의 절단부에서는 한쪽에 쿼크, 다른 한쪽에 반쿼크가 생긴다. 그래서 쿼크를 단독으로 잡아당겨 꺼낼 수는 없다. 마치 N극과 S극을 가진 자석을 깨뜨려도 N극과 S극이 다시 나타나, N극와 S극을 단독으로 만들 수 없는 것과 비슷하다. 더욱이 양성자나 중성자를 결합시키고, 원자핵을 만드는 힘을 '핵력'이라고 하는데, 결국 '핵력'은 '강한 핵력'이 복잡하게 조합된 것으로 이해된다.
3-1. 중간자
노벨상 수상자 '유카와 히데키(1907~1981)'박사에 의해, 핵력(Nuclear force)'은 양성자나 중성자 사이에서 '중간자(Meson)'라는 입자를 주고받음으로써 생긴다는 사실이 밝혀졌다. 중간자는 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크가 '강한 핵력'으로 결합되어 생긴다. 예컨대 '업 쿼크'와 '반업 쿼크가 글루온으로 결합한 것, 또는 '다운 쿼크와 '반다운 쿼크가 글루온으로 결합한 것' 등이 있다. '중간자'는 약 100종류 이상이 알려져 있으며, '파이온(π중간자)', '케이온(K중간자)' 등이 유명하다. 중간자를 주고받을 때는, 양성자나 중성자 안의 쿼크와 '강한 핵력'으로 영향을 서로 미치므로, 결국은 '강한 핵력'으로 설명된다.
4. '약한 핵력'과 '중성미자'
'약한 핵력'은 쿼크뿐만 아니라 렙톤에도 작용하는 힘이다. '위크 보손(weak boson)'이라고 불리는 소립자를 주고받음으로써 생긴다. 위크 보손에는 양의 전하를 가진 'W+입자(W+ Boson)', 음의 전하를 가진 'W-입자(W- Boson)', 중성의 'Z입자(Z Boson)' 등 3종이 있다.
'위크 보손(weak boson)'은 놀랍게도 양성자의 100배 정도의 질량을 가지고 있다. 이것이 '약한 핵력'이 약한 이유가 된다. 위크 보손은 매우 무겁기 때문에 '공받기'를 해도 멀리 갈 수 없다. 그래서 양성자 크기의 수백 분의 1까지 접근하지 않으면 '약한 핵력'은 작용하지 않는다. '약한 핵력'이 우리가 보는 거시 세계에 얼굴을 내밀지 못하는 것은 이 때문이다.
'약한 핵력'의 또 하나의 특징은 '위크 보손'을 주고 받음에 따라, 소립자의 종류가 변하는 일이다. (변하지 않는 경우도 있다) 예컨대 원자핵 안의 중성자가 양성자로 바뀌는 '베타 붕괴(β-decay)'라는 핵반응이 있다. '베타 붕괴'를 소립자 차원에서 보면, 중성자 안의 다운 쿼크가 '약한 핵력'에 의해 업 쿼크로 변하고, 그 결과 중성자가 양성자로 변신하는 반응이라고 할 수 있다.
중성미자는 전하가 없기 때문에, 전자기력은 작용하지 않고, '강한 핵력'도 작용하지 않는다. 중력을 제외하면, 오직 '약한 핵력'만 중성미자에 작용한다. 중성미자가 지구도 관통할 수 있는 것은 '약한 핵력'의 영향밖에 받지 않고, 그 '약한 핵력' 자체도 매우 약하기 때문이다. '가미오칸데'는 중성미자가 물 분자 속의 쿼크나 전자와 '약한 핵력'에 의해 극히 드물게 반응하는 것을 검출하는 장치이다.
5. '전자기력'과 '약한 핵력'은 본래 같은 힘이다.
1967년에 '전자기력'과 '약한 핵력'을 통일하는 '와인버그 살람 이론'이 등장하였다. '와인버그 살람 이론'에 따르면, '전자기력'과 '약한 핵력'은 본래 같은 성질을 가지고 있었다. 그런데 '광자(Photon)'의 질량이 0인데 비해, '위크 보손(Weak Boson)'이 질량을 가지게 되었다. 그래서 '전자기력'과 '약한 핵력'의 세기에 큰 차이가 생기게 되었다고 한다. 요컨대, 우주 탄생으로부터 약 10-11초 후에 광자와 위크 보손의 질량에 차이가 생겨, '전자기력'이 '약한 핵력'과 갈라서기 시작했다는 것이다.
5-1. '위크 보손'은 어떻게 질량을 획득했는가?
'질량(Mass)'이란 물체를 움직이기 어려운 정도'를 의미하는 양이다. 그러면 '위크 보손'은 왜 언제부터 질량을 획득하게 된 것일까? 현재 생각되는 시나리오는 다음과 같다.
우주에는 진공을 포함해 모든 장소에 '힉스장(Higgs Field)'이 가득 차 있다. '장(Field)'이란 '공간 자체가 가진 어떤 성질'을 가리키며, '전기장(전기 마당)'이나 '자기장(자기 마당)'이나 '중력장(중력 마당)' 등이 있다. 예컨대, 자석 부근처럼 '자기장이 존재하는 공간'에 쇠못을 놓으면 못은 자기력이라는 힘을 받는다. 한편, '힉스장'은 어떤 종류의 '저항'을 소립자에게 미친다. '질량을 갖는다는 것'은 '진공에 차 있는 힉스 입자와 충돌한다는 것'을 말하며, 비유하면 물속에서 운동하는 물체가 물의 저항을 받는 것과 같다. 힉스장의 작용은 네 가지 기본적인 힘과는 별도의 어떤 종류의 힘이라고 말할 수 있다. 힉스장에서 받는 '저항'은 소립자에 따라 다르다. '광자(Photon)'는 힉스에서 '저항'을 받지 않으므로 질량은 0이다. 한편, '위크 보손(Weak Boson)'은 '저항'을 크게 받으므로 큰 질량을 갖게 된다.
'고온에서의 수증기'의 성질과 '저온에서의 물'은 성질이 다르다. 마찬가지로 우주 탄생 직후 '초고온인 우주에서의 힉스장'은 '현재의 식은 힉스장'과 성질이 달랐다고 생각된다. 수증기 안이 물속보다 저항이 작은 것처럼, 초고온 우주에서의 힉스장은 위크 보손에 '저항'을 미치지 않았다. 우주가 식어 힉스장의 성질이 변했기 때문에, 위크 보손은 2차적으로 질량을 얻게 된 것이다.
6. 우주 탄생 직후, 힘이 넷으로 갈라졌다.
물리학자들은 '전자기력'과 '약한 핵력'을 통일한 '와인버그 살람 이론'에, '강한 핵력'까지 통일한 '대통일 이론'을 완성을 목표로 여러 후보 이론들을 제창하고 있다. 더욱이 중력까지 포함하여, 4가지 힘을 모두 통일하여 '모든 것의 이론(Theory of Everything)'을 완성하려는 시도도 있다.
앞에서 말한 것처럼, 탄생 직후의 우주에서는 '전자기력'과 '약한 핵력'의 구별이 없었다. 더욱 시간을 거슬러올라가 탄생으로부터 10-36초 후에는, '약한 핵력(Weak Force)', '강한 핵력(Strong Force)', '전자기력(Electromagnetic Force)'이 모두 구분되지 않았다고 생각된다. 현재의 우주에서는 세기가 크게 달라진 세 힘이, 탄생 직후의 우주에서는 같은 세기를 가지고 있었다고 한다. 더욱 시간을 거슬러 올라가서, 우주 탄생으로부터 10-44초 후에는 '중력(Gravity)'도 나머지 세 가지 힘과 구별되지 않았다고 한다. 결국 탄생 직후의 우주에서는 극히 순간적이기는 하지만, 기본적인 4가지 힘이 구별되지 않은 통일된 상태에 있었다. 우주는 그 후 차례차례 4가지 힘으로 갈라졌다고 한다.
다만, 힘이 갈라졌다는 시나리오는 아직까지는 가설의 단계이다. 앞으로 다양한 실험이나 관측을 통해 후보 이론의 압축이나 이론의 개량이 이루어질 것이다.
7. '양성자의 붕괴'가 예언되어 있다.
세 가지 힘을 통일하려는 '대통일 이론'은 '양성자 붕괴(Proton Decay)'를 예언한다. 양성자는 안정되어 붕괴되지 않는 것으로 생각되어 왔지만, 제창되고 있는 대통일 이론이 옳다면 양성자는 반드시 붕괴하게 된다. 단, 붕괴할 때까지의 수명은 이론 모델에 따라 다르다. 지금까지 양성자 붕괴 관측에 성공한 사례는 없다. 수명이 예상 이상으로 길어서, 붕괴가 극히 드물어 관측되지 않는 것으로 보인다.
8. '초대칭성 입자'의 존재가 예언되어 있다.
또 중력까지 포함한 통일을 고려하면, '초대칭성 입자'라는 발견되지 않은 소립자군의 존재도 예언된다. 초대칭성 입자는 수수께끼에 둘러싸인, 우주의 보이지 않는 중력원인 '암흑 물질(Dark matter)'의 유력한 후보이기도 하다. 소립자는 '스핀(Spin)'이라는 양을 가진다. 스핀은 지구로 말하면, '자전(Rotation)'의 힘을 말한다. 물질 입자인 '페르미온'과 힘의 입자인 '보손'의 차이는 '스핀'의 차이이다. 스핀을 수치로 나타낼 때, 페르미온은 그 수가 '반정수(2분의 2분의 3 등)'이지만, 보손은 그 수가 '정수'가 된다.
'초대칭성 입자'는 현재 알려져 있는 소립자와 전하 등의 성질이 같고, 스핀이 2분의 1만큼 다른 '파트너 입자'를 말한다. 예컨대 '전자(스핀이 2분의 1인 페르미온)'의 경우, '스칼라 전자(스핀이 0인 보손)'를 파트너 입자가 있다. 마찬가지로 모든 소립자에는 파트너 입자까 있다고 한다. 결국 페르미온에는 보손의 파트너, 보손에는 페르미온의 파트너가 존재하는 것이다.