[박종진의 과학 이야기] 자연계의 힘

박종진

고전역학적 관점에서의 힘이란 물체의 속도나 방향, 그리고 형태를 변화시키는 원인인데 자연계에는 크게 나누어 4가지 힘이 작용한다. 힘의 세기로 늘어놓으면 강력, 전자기력, 약력, 중력의 순이다.  
 
 
 
물체가 땅으로 떨어지는 중력을 빼놓으면 전자기력은 이 세상에서 벌어지는 모든 힘과 관계되어 있다. 원래는 전기력과 자기력이 따로 존재한다고 생각했으나 멕스웰은 두 힘이 서로 같이 존재하며 전자기파는 빛의 한 부분이고 속도도 빛과 같다고 정의했다.  
 
지금 우리가 사용하는 거의 모든 전자 기기는 멕스웰의 덕분이라고 할 정도로 현대 문명에 크게 기여한 사람이다. 그런 업적에도 불구하고 이름은 잘 알려지지 않은 사람이다.
 

세상의 모든 물체는 땅으로 떨어지는 힘, 그러니까 지구 중심에서 끌어당기는 힘을 중력이라고 하는데 넓게 보면 질량을 가진 모든 물체는 서로 당기는 힘이 있는데 이 힘을 만유인력, 즉 중력이라고 한다. 천체 등 거시세계에서는 중력이 가장 크고 원천적인 힘이지만 전자나 양성자를 다루는 원자의 세계에서는 거의 영향력이 없다.
 
핵력에는 강약의 두 가지가 있다. 그 중 강한 핵력을 줄여서 강력이라고 하며 원자 규모의 미시세계에 존재하는 힘이다. 원자 속에는 양성자와 중성자가 있는데 이 둘은 쌍둥이처럼 똑같다. 다른 점이 있다면 전하뿐이다. 양성자는 양전하를 가지고 있고 중성자는 말 그대로 전하가 없다. 수소처럼 원자핵 속에 양성자가 하나면 문제가 없지만, 헬륨은 양성자가 두 개다.  
 
그런데 양성자는 양전하를 가지고 있어서 같은 양성자끼리는 서로 밀치는 힘이 있다. 이런 척력을 막아주는 메커니즘이 있는데 이것이 바로 강한 핵력이다. 그러므로 강력이 없으면 우주에는 수소 말고 아무 것도 존재할 수 없다.  
 
약한 핵력은 상대적으로 잘 알려지지 않은 힘이다. 방사선 중에 베타선이란 것이 있는데 베타선은 전자의 흐름이다. 양성자와 중성자로만 구성되어있는 원자의 핵에 전자는 애당초 존재하지 않는다. 그런데 약한 핵력이 작용하여 핵 속의 중성자가 깨지면 양성자와 전자로 분리된다.  
 
하지만 원자핵은 양성자와 중성자를 위한 공간만 있어서 방출된 전자는 있을 곳이 없자 밖으로 뛰쳐나간다. 그런 전자의 흐름이 바로 베타선이다. 약한 핵력은 이렇게 방사성붕괴를 담당한다.
 
빅뱅 직후 이 4가지 힘은 하나였다고 한다. 그래서 과학자들은 어떻게 해서라도 그런 힘을 합쳐보려고 했다. 다행히 전자기력과 약력을 합치려는 첫 번째 시도는 성공했다. 거기에 강력을 합친 대통일이론을 시도했지만, 현재 지구상에서 만들 수 없는 온도가 요구돼서 실패했다. 빅뱅 직후의 온도였기 때문이다. 그렇게 대통일이론은 우주의 시작과 밀접한 관계가 있었다. 나아가서 대통일이론에 중력까지 합치면 모든 것의 이론이 된다.  
 
결국, 모든 힘을 합치려는 시도는 초기 우주를 재현하려는 것이었다. 우리가 어디서 왔는지, 무엇이지, 어디로 갈 것인지 답을 내는 것은 자연계의 4가지 힘을 합치는 데 있다. 아직은 상상의 단계지만 언젠가 우리는 우주와 생명의 비밀을 벗기게 되는 날을 맞을 것이다. (작가)
 
 
 
 
 
 

박종진