2023. 4. 1. 23:27ㆍ잡다한 지식
우주 만물의 모든 근본은 네 가지 힘의 법칙에 의해 움직인다. 만유인력, 전자기력, 강한핵력, 약한핵력!
이 네가지 힘이 합쳐서 단 하나의 힘을 형성한다고 볼 수 있다. 아인슈타인은 죽는 날까지 그 힘들을 통일적으로 설명하는 '대통일의 법칙'을 찾아내고 싶어했다.
강한핵력은 높은 에너지밀도에서 약해진다. 하지만 점근적으로 유리되지 않는 전자기력과 약한핵력은 높은 에너지에서 오히려 더 강해지게 된다. 결국 일정한 수준의 초고에너지에서는 이 3가지 힘은 모두 동일한 힘을 가지게 된다. 따라서 단일한 힘의 서로 다른 측면이 되는 것이다. 대통일이론에서는 그 정도의 에너지에서 쿼크나 전자와 같은 스핀 1/2의 다양한 입자들이 본질적으로 모두 같은 입자가 될 것이며, 또 하나의 통일을 이룰 수 있을 것이라고 예측되고 있다.
"중력"은 매우 보편적인 힘이다. 세상 모든 입자는 중력의 영향을 받는다. 중력은 상당한 거리를 두고 작용하기 때문에 네 가지 힘 중에서 가장 약하다. 중력은 아무리 멀리 떨어진 거리라도 작용할 수 있으며 항상 끌어당기는 만유인력으로써 작용한다. 중력을 제외한 다른 3가지 힘은 짧은 범위에서만 영향을 끼친다. 그리고 인력이나 반발력으로 작용하기 때문에 서로 상쇄하는 경향을 가진다. 중력자는 그 자체가 질량을 가지지 않는다. 따라서 중력자가 나르는 힘은 먼 거리까지 이동할 수 있다. 태양과 지구 사이의 중력은 태양과 지구 사이의 중력자의 교환으로 설명될 수 있다. 이 효과로 지구가 태양 주위로 공전할 수 있게 된다.
"전자기력(Electromagnetic force)"은 전하를 띤 입자들과는 상호작용을 하지만 그 외 전하를 띠지 않는 입자들과는 상호작요을 하지 않는다. 전자기력은 중력보다 매우 강하다. 두 전자사이에 작용하는 전자기력은 중력에 비해 무려 10의 42승배나 크다. 전하에는 양*음 두가지가 있고 같은 종류의 전하끼리는 반발력이 작용하고, 다른 종류끼리는 인력이 작용한다. 지구나 태양은 거대하여 거의 같은 수의 음전하와 양전하를 가지고 있어서 개별 입자들이 가지는 반발력이나 인력이 거의 상쇄된다. 그래서 전자기력을 띠지 않는다. 하지만 원자나 분자 단위에서는 전자기력이 지배적인 힘으로 작용하게 된다.
"강한핵력(Strong nuclear force)"은 양성자와 중성자 속에서 있는 쿼크들을 하나로 묶어준다. 양성자와 중성자를 원자핵 속에서 결합시켜주는 힘이라고 할 수 있다. 이 힘은 글루온(gluon)이라는 스핀1의 입자에 의해서 전달되는 것으로 생각된다. 강한핵력은 구속이라는 신비로운 특성을 가지고 있다. 항상 입자들을 하나로 결합시킨다. 따라서 하나의 쿼크만으로 존재할 수 없다. 일반적으로 에너지장에서 강한 핵력은 매우 강하다. 그리고 쿼크들을 단단하게 결속시킨다. 하지만 거대한 입자가속기를 이용하면 고에너지하에서 강한핵력은 매우 약해지게 된다. 그 상태에서 쿼크와 글루온들이 자유로운 입자들처럼 움직이게 된다.
"약한핵력(Weak nuclear force)"은 방사능의 원인이 된다. 스핀 1/2인 모든 물질입자에 작용하지만 광자나 중력자와 같은 스핀 0, 1, 2의 입자에는 영향을 주지 못한다.
오늘날 입자가속기는 약 100기가전자볼트 에너지 상태에서 충돌시킬 수 있으며 수천기가전자볼트까지 높일 수 있는 가속기를 설계중에 있다. 하지만 입자들을 대통일 에너지까지 가속시키려면 기계는 태양계만한 크기가 될 것이다. 결국 우리는 대통일이론을 직접 테스트할 순 없다. 단지 전자기력과 약한핵력을 통일시킨 정도의 저에너지하에서 그 이론의 결론을 시험할 뿐이다.
우주에는 반쿼크보다 쿼크가 많다. 그렇기 때문에 서로 소멸하지 않고 지금의 별들이 생기고 인류가 진화할 수 있었을 것이다. 대통일이론에서는 고에너지하에서 쿼크가 반전자로 변환할 수 있다. 반대로 반쿼크가 전자로 그리고 전자와 반전자가 반쿼크와 쿼크로 바뀔수도 있다. 게다가 대통일 이론에서는 중력을 포괄하지 않는다. 중력은 아주 작은 힘이어서 미세세계를 다룰 때 무시할 수 있다. 하지만 중력은 먼 거리까지 영향을 미치고 힘의 방향이 항상 인력을 가리키기 때문에 그 힘이 누적된다. 따라서 충분히 많은 물질입자가 있다면 중력은 다른 모든 힘들보다 더 큰 지배력을 가질 수 있다. 중력이 우주의 진화를 결정한 것도 바로 이런 특성 때문이다. 항성 정도의 크기에서 중력의 인력은 다른 힘들을 압도해서 다른 별들을 붕괴하게 만든다. 이런 별의 붕괴와 그 주변의 강력한 중력장에 의해 발생하는 것이 블랙홀이다.
