힘이란 무엇일까?

전통적인 뉴턴 역학에 의하면 힘이란 물체의 움직임을 바꾸는 것을 의미한다. 정지하던 물체를 움직이게 하거나, 움직이던 물체를 정지하게 하는 또는 느리게 하는 것을 의마한다.
여기서 말하는 네 가지의 힘이란 이런 전통적인 힘의 의미 보다는 조금 더 넓은 의미의 힘이다. 단순히 물체의 운동을 변화시키는 것이 아닌 물체를 잡아당기거나 밀거나, 입자의 종류를 바꾸거나 하는 것을 의미한다.
”우리가 평소에 경험하는 힘에는 헤아릴 수 없을 정도로 많은 종류가 있다. 그것을 단 네 가지의 힘으로 설명할 수 있다는 것은 멋진 일이다. 이 놀랄 만한 사실에 이르기까지는 물리학자들의 오랜 연구의 역사가 있었다. 물리학자는 다양한 현상을 관찰하고 분석해 법칙으로 정리해 왔다. 그리고 마침내 도달한 것이 기본적인 네 가지의 힘이다. 아주 적은 종류의 힘으로 모든 현상을 설명하려는 것이 물리학의 방향성이다” (무라야마 박사)
물리학의 최종 목표는 매우 적은 수의 힘으로 모든 현상을 설명하는 것이다. 그리고 최종적으로는 궁극의 ‘통일 이론’을 만들어 하나의 힘, 즉 하나의 기본 법칙으로 물리학의 모든 현상을 설명하는 것이다. 현재 우린 그 길로 가는 중간 지점에 있다. 그 길의 중심에 있는 4가지 힘을 지금부터 살펴보자.

네 가지의 힘

중력 : 모든 질량을 가진 물체가 서로 잡아당기는 힘
전자기력 : 전기나 자기를 가진 물체가 서로 잡아당기거나 미는 힘
강한 핵력 : 양성자와 중성자가 서로 끌어당기는 힘
약한 핵력 : 중성자가 양성자로 스스로 변하는 힘

우리 주위의 물체는 무엇으로 이루어져 있을까?

”양성자나 중성자는 업 쿼크와 다운 쿼크로 이루어져 있다. 그러므로 원자는 전자, 업 쿼크, 다운 쿼크의 3종의 소립자만으로 모두 설명할 수 있다는 것이 지금의 생각이다. 물질의 기본을 탐구해 가면 정말로 적은 종류의 것으로 모든 현상을 설명할 수 있게 된다. 그 궁극적인 것이 소립자이다.” (무라야마 박사)
앞서 포스팅한 ‘반물질이란 무엇인가?(1)’에서 언급했듯이 우리 주위의 있는 물체들은 원자로 이루어져 있고 원자는 양성자, 중성자 그리고 전자로 이루어져 있으며 양성자, 중성자는 업 쿼크와 다운 쿼크로 이루어져 있다. 따라서 모든 물질의 근본은 업 쿼크, 다운 쿼크 그리고 전자 이 세 가지 소립자로 이루어져 있다.

중력

과거 전통적인 의미의 중력은 만유인력의 일종으로 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 인력을 의미한다. 즉 달이 지구를 돌고 행성들이 태양을 도는 것은 모두 중력에 의한 인력에 의한 것이라는 것이다. 그러다 1915년 아이슈타인이 일반 상대성 이론을 발표하고 나서 이런 중력의 의미는 다르게 해석되었다. 아인슈타인은 질량에 의해 물체 주위의 공간이 휘어져 태양 주위를 행성들이 돌 때 휘어진 공간을 따라 도는 것이라는 거다.

전자기력

”전자는 하나하나가 자전한다. 전기를 가진 것이 빙글빙글 돌면 그것은 작은 전자석이 된다. 미시 세계의 자석인 전자를 회전 방향에 맞추어 많이 모으면 전체적으로 큰 자석이 된다. 이것이 자석의 정체이다.”
”자석의 정체는 19세기가 되기까지 누구도 몰랐다. 회전하고 있는 전자에 의해 서로 끌어당기는 자석의 힘이, 양전기와 음전기가 서로 끌어당기는 전기의 힘과 본질적으로 같은 것임을 알아낸 사람은 맥스웰이다. 자석을 사용해 전기를 만들 수 있다는 사실을 패러데이가 발견한 무렵부터, 자석의 힘과 전기의 힘은 어떤 관계가 있을 것 같다는 점이 차츰 알려졌다.” (무라야마 박사)
이처럼 자석의 힘과 전기의 힘은 서로 밀접하게 관계가 되었음을 알 게 되었고 전자력과 자기력은 전자기력으로 통합되어 이해하게 되었다.
힘은 소립자가 왕복운동 함에 따라 작용한다. 전자기력이라는 힘은 소립자의 일종인 광자에 의해 발생한다. 광자는 빛의 더 이상 분할할 수 없는 기본적인 단위라 생각되는 소립자이다.

강한 핵력

앞서 말했듯이 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 그런데 여기서 의문점이 하나 있다. 양성자는 전기적으로 양을 띄고 있고 중성자는 중성을 띄고 있는데 어떻게 전기가 양인 것끼리 또는 양인 것과 중성인 것을 묶어놔도 반발하지 않고 붙어있는 걸까?
”유카와 히데키 박사는 양성자와 중성자를 결합하는 미발견 입자인 ‘중간자’가 있다는 것을 이론적으로 예언하면서 1935년에 ‘중간자론’을 발표했다. 중간자의 ‘중간’은, 중간자의 질량이 전자와 양성자의 중간에 있다고 생각되었기 때문에 붙여진 이름이다” (무라야마 박사)
강한 핵력의 경우 중간자가 양성자와 중성자 사이를, 중성자와 중성자 사이를, 양성자와 양성자 사이를 이동하며 발생한다. 이 인력은 양성자와 양성자 사이에 발생하는 반발력인 전자기력보다 강하기 때문에 ‘강한’ 핵력이라고 불린다.
강한 핵력을 더 자세히 살펴보자면, 강한 핵력은 양성자와 중성자 속에서 쿼크를 결합한다.
”양성자와 중성자 속에는 쿼크가 들어 있다. 쿼크들을 양성자와 중성자라는 덩어리로 결합하는 것은, 쿼크가 글루온을 주고받음으로써 작용하는 강한 핵력이다.” (무라야마 박사)
글루온은 힘을 전하는 소립자의 일종으로 쿼크와 쿼크 사이를 왕복하며 강한 핵력을 전한다.

소립자

소립자는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. ‘물질을 구성하는 소립자’와 ‘힘을 전하는 소립자’ 이렇게 두 가지로 나누어 진다. 물질은 ‘물질을 구성하는 소립자’에 의해 이루어지고 ‘힘을 전하는 소립자에 의해 서로 결합된다.
물질을 구성하는 소립자는 쿼크 6종(업 쿼크, 다운 쿼크 포함)과 렙톤 6종(전자 포함)가 있고, 힘을 전하는 소립자에는 전자기력을 전하는 ‘광자’, 강한 핵력을 전하는 ‘글루온’, 약한 핵력을 전하는 ‘위크 보손’ 그리고 중력을 전하는 ‘중력자’ (아직 발견되지 않음)가 있다.