물질이란 무엇인가?
단순한 질문의 답이 가장 어렵습니다. 물질이란 무엇일까요
사건은 왜 일어날까요 그리고 왜 그런 식으로 일어날까요
단계별로 알아봅시다. 여러분은 무엇으로 구성됩니까
사람은 물질입니다. 물질은 분자 로 구성되고 분자는 원자로 원자
는 소립자로 구성됩니다. 소립자가 존재하는 가장 작은 것이
라면 소립자는 무엇으로 구성되어 있을까요
단순한 질문에 답하기 위해 단순하게 시작해봅시다. 우주를 깨끗하게
치워 보죠. 물질도 반물질도 방사선 도 입자도 없습니다. 모든 것을
지웁니다. 이제 아무것도 없는 곳을 자세히
들여다봅시다. 빈 공간이란 무엇일까요 진공이라고 부르는 걸까요
원자도 물질도 아무것도 없습니다. 정말 그 정도로 텅 비어있을까요
무에서 유가 창조된다고 합니다. 텅 빈 공간은 넓고 잔잔한 바다와
아주 비슷합니다. 아무 일도 없을 때는 물이 잔잔하지만 바람이 크게
불면 엄청난 파도가 생깁니다. 우주도 이와 같습니다. 이런 바다
가 곳곳에 있죠. 물리학자는 이를 필드 또는 장이라 합니다.
이상하고 새로운 개념일 수도 있지만 방사선을 생각해보세요.
전자기장이라는 것을 자극하면 약한 뒤틀림이 생기는데 이게 우리가
광자라 부르는 입자로 방사선을 운반합니다. 우리는 이것을 빛으로
인식하죠. 빛에만 이런 현상이 있는 건 아닙니다.
우주의 모든 입자가 이렇습니다. 모든 물질 입자에는 고유의 규칙
을 갖는 장이 있습니다. 예를 들어 전자기장 외에 전자장도
우주 모든 곳에 있으며 전자는 이 전자장의 뒤틀림입니다.
우리 우주에 있는 장을 모두 합 하면 총 17종의 입자가 나오고 이는
세 가지 유형으로 나뉠 수 있습니다. 렙톤
쿼크 보손이 바로 그것입니다.
렙톤에는 전자와 그 사촌인 뮤온 타우 입자가 속합니다. 각각에는
쌍을 이루는 중성미자가 있습니다. 다음은 쿼크입니다. 쿼크는 입자
세계의 핵가족입니다. 항상 그룹 이나 쌍으로 붙어 발견되며 양성
자와 중성자를 이뤄 원자핵을 구성 합니다.
렙톤과 쿼크를 합쳐 물질 입자라고 합니다. 보이는 모든 물질을 구성하는
입자죠. 마시는 공기 따스한 햇살 여러분
이 지금 할 일은 안 하고 보고있는 컴퓨터까지.
물질은 단지 존재하기만 하는 게 아니라 일을 합니다.
철학적으로 이야기하면 물질의 속성은 그 물질의 존재 그 자체
만큼이나 그 물질을 규정합니다. 여기서 보손과 보손을 만드는 장
이 등장합니다. 쿼크와 렙톤은 물질 장에 의해 만들어
지지만 보손은 힘의 장 즉 역장 에 의해 만들어집니다.
우리는 우주의 규칙을 힘이라고 부르며 지금까지 네 가지 기본 힘이
발견되었습니다. 전자기력
중력 강핵력과 약핵력입니다.
우리 우주를 보드 게임이라고 했을 때 매뉴얼은 힘 기물은 입자입니다.
힘은 입자가 할 수 있는 일과 행동 방식을 결정합니다.
비숍은 대각선으로 움직이고 질량이 없는 입자는 빛의 속도로 움직입니다.
나이트는 건너 뛸 수 있고 중력 은 끌어당깁니다.
이 힘들은 입자의 상호 작용을 결정 합니다. 따라서 궁극적으로는 우주의
모든 큰 물체를 구성하는 원리를 만듭니다.
중력은 태양의 공전 궤도와 나무 에서 떨어지는 사과에만 적용되는
게 아닙니다. 원칙은 물질이 서로 끌어당긴다는
겁니다. 행성과 별이 만들어지는 원리죠.
전자기력은 단순하게 자석이 끌고 미는 힘이나 전구에 흐르는 전류
만 이야기하지 않습니다. 모든 원자 폭탄 모든 분자의 구성
을 결정합니다. 힘과 입자는 존재 그 자체를 다루는
팅커토이 장난감 같습니다. 보손 은 물질 입자 사이를 연결하는 메신저
역할을 하여 입자들이 서로에게 하는 이동 명령을 전달합니다.
각 입자는 몇 가지 힘을 이용하여 다른 입자와 상호 작용합니다.
예를 들어 쿼크는 전자기력과 강 핵력을 통해 소통하지만 전자는
강핵력은 사용하지 못하고 전자기력 만 사용합니다.
쿼크는 강핵력 보손을 교환하며 서로 강핵력을 전달하고 쿼크로
구성된 양성자는 전자기력 입자 인 광자를 전자와 교환합니다.
따라서 쿼크는 핵에 갇히고 전자 는 전기적 인력을 통해 핵에 달라
붙어 원자를 만듭니다. 우주에는 생명 초신성 컴퓨터같이
표면적으로 굉장히 복잡해 보이는 현상이 많지만
어떤 것이든 자세히 보면 17개의 입자와 그 입자를 만들어내는 장
그리고 이들이 네 개의 규칙으로 펼치는 게임이 나옵니다.
지금까지 물질에 대해 밝혀진 것을 가장 단순한 형태로 알아보았습니다.
물리학자는 이를 입자 물리학 표준 모형이라 부릅니다.
잠자는 바다를 깨우는 에너지와 우주의 원리를 결정하는 힘 그것이
바로 우리입니다.
