공부하고 정리하고

힘의 근원에 대해서 생각해본 적이 있으신가요?
우리가 사는 이 세상은 가장 기본을 이루는 입자들의 조합으로 이루어지고 있다고 우리는 알았습니다.
-세상을 이루는 물질
-표준 모형이 뭐지?

그렇다면!! 이 가장 기본을 이루는 입자들은 어떻게 이렇게 저렇게 모여서 태양을 만들고 지구를 만들고 사람을 만들었을까요?

도자기 만들기 체험을 가서 도자기를 만들었다고 생각해봅시다. 우린 도자기라는 한 물체를 진흙을 이용해 탄생시켰습니다. 이때 이 진흙들이 도자기로 탄생할 수 있도록 우리는 열심히 힘들게 만들었겠죠? 이때 진흙이 입자라면 도자기로 만드는 과정에 우리는 힘을 이용해 에너지를 부여한 것입니다. 이 세상에 뭐 하나 손쉽게 되는 일이 없죠. 저지르는 것은 쉽지만요.

마찬가지입니다. 자연계의 가장 기본 되는 입자들은 상호작용을 하는 힘을 부여받습니다. 여기서 힘은 중력과 강력 그리고 약력 마지막으로 전자기력이 있죠. 그런데 이 4가지 힘을 부여하는 것 또한 입자가 합니다. 한 번 알아보겠습니다.

기본적인 힘

가장 기본적인 힘은 4가지가 있습니다. 전자기력, 중력, 강력, 약력이 있습니다. 이 4가지 힘으로 세상에서 생기는 힘이 설명이 됩니다. 하나씩 알아보죠.

중력

중력은 친숙한 힘이죠? 어느 누구나 어느 물건이나 중력의 영향을 받고 살고 있으며 우주선이 그 많은 연료를 소모해가면서 우주로 나가는 이유도 이 중력을 이겨서 탈출하기 위해서이죠. 중력은 뉴턴의 만유인력 법칙으로 설명이 되며 현대에 와서는 뉴턴의 이론보다 더 나아가 아인슈타인의 일반 상대론으로부터 나온 중력장이론을 사용해 설명합니다. 이 중력은 우주영역에서의 눈으로 관측가능한 거의 모든 현상을 지배한다고 할 수 있으며 이 중력이 매우 커서 생기는 블랙홀도 존재하게 됩니다. 이 중력을 매개하는 입자는 중력자라고 생각이 되어지고 있고 아직 직접적인 검출은 하지 못했습니다. 대신 중력파를 검출했었죠. 검출이 힘든 이유는 현재의 검출기에서의 검출방식은 검출기와 대상의 상호작용으로 결과를 얻어내는 것인데 이러한 방식의 한계가 있을 수 있고 혹은 검출이 되고 있지만 잡음에 묻혀서 알아내지 못하고 있는 것일지도 모릅니다. 하지만 중력파를 통해 간접 증명했듯이 중력을 매개하는 입자가 중력을 부여하는 것으로 생각이 됩니다.
하지만 이 중력은 4가지의 힘 중에 가장 약합니다. 이것보다 강한 힘이 존재하기 때문이죠. 실제로 미시 세계서는 무의미한 힘이 돼버립니다.

강력

강력은 자연계의 4가지 힘 중에 가장 강력한 힘입니다. 하지만 상호작용하는 범위는 아주 짧습니다. 만약 중력처럼 멀리서도 작용하는 힘이었다면 이 세상은 또 달랐겠죠. 우주가 생기지 못했을지도 모르지요. 하지만 이 강력은 핵 안에서 정도의 거리에서만 작용이 됩니다. 이 강력을 매개하는 입자는 글루온이라는 입자로 쿼크들의 결합을 매개하게 됩니다. 이렇게 쿼크들의 결합을 매개하여 양성자와 중성자를 만들어내게 됩니다. 참고로 양성자와 중성자가 결합해 만들어진 핵은 핵력에 의해서 강하게 상호작용을 합니다. 과거 쿼크의 존재를 모를 때는 강력이 곧 핵력으로 생각되었지만 지금은 쿼크의 존재가 알려진 만큼 구별해서 사용합니다.

약력

약력은 이름에서 알 수 있듯이 약한 상호작용입니다. 그럼 약할까요? 아닙니다. 중력보다 강합니다. 이 약력은 W 보존과 Z 보존의 상호작용으로 발생하게 됩니다. 제가 방사선 이야기를 하면서 자주 등장하던 베타 마이너스, 플러스 붕괴가 이 약력으로부터 발생하게 되는 결과입니다. 베터붕괴는 중성자가 전자 하나와 양성자로 바뀌거나 또는 양성자가 에너지를 받아들여 중성자가 되거나 하게 됩니다. 이 베타붕괴를 일으키는 힘이 곧 약력입니다.

전자기력

전자기력은 익숙하실 겁니다. 클롱힘이나, 맥스웰 방정식으로 설명을 해왔던 힘입니다. 일상에서 우리가 보는 TV나 휴대폰 각종 전자기기들이 작동하는 원동력입니다.
또한 기본적으로 물분자를 생각했을 때 각각은 전자기력으로 상호작용을 하죠? 공유결합을 생각하시면 됩니다. 마찬가지로 우리몸의 세포들이 모여있게 된것도 이 전자기력에 의한 힘이라 할 수 있습니다. 그럼 여기서 생각 되는 것이 중력보다 전자기력이 크다고 했는데 만약 작다면? 어떻게 될까요… 저희는 없을지도 모릅니다.
어쨌든, 이 전자기력은 광자에 의해 힘을 부여받습니다. 이 광자는 질량이 없습니다. 그렇기 때문에 장거리에서도 상호작용이 가능합니다.

이 4가지 힘은 각각이 매우 중요하며 우리의 세상을 지배합니다.
그래서 물리학과에서는 각각의 힘에 대해서 중력은 고전역학을 통해, 전자기력은 전자기학을 통해서 그리고 강력과 약력은 양자역학, 핵물리, 입자 물리에서 다루게 됩니다.

그만큼 4가지 힘을 아는 것이 중요한 것이죠. 다음 시간에는 마지막으로 힉스입자에 대해서 조금 소개해볼까 합니다. 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”