폴리매스

오늘은 끈이론을 향한 대장정에 앞서 4대 힘에 대해 정리해보려 합니다

중력, 전자기력, 강력(강한핵력), 약력(약한핵력) 이 그 주인공입니다.

1.중력

우리에게 가장 친숙하면서 무심한 힘입니다. 현재 이 글을 읽고있는 여러분도 중력으로지구 위에 있을 수 있습니다.또한 중력을 서술하는 방정식을 이용해 떨어지는 컵에서 지구의 공전운동까지 계산할 수 있습니다.이 방정식은 뉴턴이 불과 20대 때에 개발했는데아직까지도 잘 쓰여 인공위성을 쏘는데 쓰이고 있죠.

또한 , 중력이 흥미로운 이유는 질량(무게)만 있으면 작용하기 때문입니다.이러한 특성때문에 과학자들은 ‘중력자’ 즉, 중력알갱이라는 것을 도입했습니다. 질량이 있는 물체들이중력자들을 주고받는다는 것이지요. 그러나, 중력자를 도입하면 계산과정에서 무한대가나와 학자들을 당혹케 하였습니다.(한 과학자에 따르면 계산 과정에서 무한대가 나온다는것은 어딘가에 문제가 있다는 신호라고 합니다.)

그래서 중력은 끈이론이 나오기 전까지 여전히 미스터리로 남아있었습니다.

2.전자기력

전자기력은 제임스 맥스웰과 마이클 패러데이의 공이 크다고 볼 수 있습니다. 패러데이가실험적으로 증명하고 맥스웰이 공식으로 정리했으니 말이죠. 수학을 못했던 패러데이가만일 수학을 잘했다면 맥스웰방정식이 아니라 패러데이 방정식이었을 수도 있었을 것이란 이야기가 나오기도 합니다.

전자기력은 전자들이 광자(빛 알갱이) 를 주고받으며 작용합니다. 서로 광자를 주고받는전자 두 개에는 척력이 작용해 서로 멀어지게 됩니다.(학교에서는 같은 전하를 띠고 있어서 밀어낸다고 배웁니다.)

전자기력은 빛에서 라디오까지, 꽤 많은 것을 설명합니다. 심지어 여러분이 보고있는 이글을 이해하고 넘기는 행동도 뇌에서 전기적 신호를 보내기 때문이지요.

앞으로 남은 두개의 힘(악력, 강력)을 이해하려면 원자에 대해 알아야 합니다

What is atom(원자가 뭐야)

원자는 이세상을 구성하는 기본단위로 한때 알려져있던 점입자입니다.

원자의 발견은 현재 우리의 풍요를 안겨주기도 했죠. 물리학자인 리처드 파인만은 지구가멸망할 때 다음 세대에게 한마디만 남길 수 있다면 ‘모든 것은 원자로 이루어져 있다!’라고 할것이라고 하기도 했습니다.

원자의 구조

원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 원자핵은 가운데 자리잡고 있고 전자가 그주위를 뱅글뱅글 돌고있죠. 여기서 원자핵은 양성자와 중성자가 이루고 있는데, 양성자는플러스 전하를, 중성자는 중성, 전자는 마이너스 전하를 띠어 원자는 전기적으로 중성입니다.

이 중성자를 다시 쪼개면 쿼크가 나옵니다. 이 쿼크가 이번 이야기들의 주인공입니다.

3.강력(강한핵력)

강력은 ‘원자 핵 내에서 척력 (전자기력)에 대항하여 양성자와 중성자 즉 쿼크를 함께 묶어 놓는 힘 ‘ 입니다.

이게 무슨 말이냐, 쿼크끼리 묶어 원자핵을 잘 묶는다는 이야기입니다.

여러분이 원자를 만드는 대장장이 라고 가정을 해봅시다. 원자핵을 만들때마다 원자핵을이루는 중성자 구슬과 앙성자 구슬이 떨어져서 민원이 속출함니다. 그래서 당신은 이 두가지 구슬을 묶어두는 끈을 만들어 묶어놓습니다.(중성자는 결국 쿼크로 이루어져 있으니까요) 이 끈이 강력입니다.(그렇다고 하여 강력이 끈 형태라는 것은 아닙니다.)

4.약력(약한 핵력)

약력은 ‘베타 붕괴는 중성자가 양성자와 전자로 바뀌는 과정으로 한 종류의 입자가 다른종류의 입자로 바뀌는데 작용하는 힘’ 입니다.

어려운 단어 베타붕괴!!!!!

베타붕괴(β-decay)란 일반적으로 불안정하고 무거운 방사성원소와 같은 원자핵이 중성자에서 양성자로 또는 양성자에서 중성자로 바뀌는 현상을 의미합니다. 

일반적으로 원자핵속의 중성자는 안정되어 있으나, 양성자의 수에 비해 중성자의 수가 더욱 많으면 원자핵 속의 중성자가 베타붕괴를 일으켜 양성자로 바뀝니다. 이때 전자가 발생하는데 이러한 전자가 β선입니다. 이러한 베타붕괴는 음의 베타붕괴(β-)와 양의 베타붕괴(β+)가 있습니다.

후아! 어려운 내용이었네요!

추려서 말하면, ‘베타붕괴라는 무언가를 일으키는 힘이구낭!!’

이라고 이해하시면 됩니다.

여기서 소개한 이 네가지 힘이 우주의 유일무이한 힘들이라고 합니다.

과학자들은 오래전부터 이러한 힘들을 여러개 묶어서 통일이론을 만들기를 원했습니다. 아인슈타인도 말년에 통일이론을 연구하며 지냈다고 하죠.

다음 글 PART 2에서는 끈이론과 M이론에 대해 알아봅니다.

‘우리가 만일 대통일이론을 발견하게 된다면 우리는 비로소 신의 마음을 알게 될 것이다.’

-Stephen Hawking-