[박종진의 과학 이야기] 강력과 약력

박종진

태초에 하나였던 힘은 빅뱅으로 우주가 시작하면서 중력, 전자기력, 강력, 그리고 약력 등 4가지로 나뉘게 되었는데 그 중 중력과 전자기력은 우리 눈에 보이는 세상을 움직이는 힘이지만, 강력과 약력은 원자 규모의 미시세계에서 작용하는 힘이다.  
 
중력이나 전자기력은 평상시 느끼는 것이니까 그렇다 치더라도 평소에 들어본 적도 없는 생소한 이름의 강력과 약력은 일부러 알 필요가 없는 것처럼 보인다. 하지만 강력과 약력이 없었다면 우주도 존재하지 않았을 것이고 물론 우리 인간도 없었을 것이다. 그래도 모든 것의 근본이기에 그저 맛이라도 보고 지나치기로 하자.
 
중학교 물리 시간에 같은 자성이나 전하끼리는 척력이 생겨서 서로 밀친다고 배웠다. 원자핵 속에는 +전기를 띄는 양성자와 전하가 없는 중성자가 들어있다. 원자번호 1번인 수소는 양성자가 하나여서 문제가 없는데, 2번 헬륨부터는 양성자가 두 개 이상이 되므로 물리 법칙에 따라서 두 양성자는 서로 밀친다.  
 
그렇게 서로 싸우면 원자핵을 이룰 수 없으므로 어떤 강한 힘이 전하가 같은 두 개 이상의 양성자가 꼼짝 못 하게 붙잡아 준다. 그렇게 원자핵 속의 양성자를 묶어주는 힘을 강한 핵력이라고 한다. 강한 핵력, 즉 강력이 없다면 원자가 존재하지 않을 것이고, 원자가 없다면 물질이 있을 수 없다. 모든 물질은 원자로 되어있기 때문이다. 강력은 핵융합을 가능하게 해준다.
 

얼마 전까지 물질의 가장 기본 단위는 원자를 구성하는 양성자, 중성자, 전자였지만, 쿼크라는 더 작은 입자가 발견된 후 현재는 물질의 최하위 기본 단위는 입자다. 양성자와 중성자는 더는 쪼갤 수 없을 줄 알았는데 양성자와 중성자를 이루는 쿼크와 많은 소립자의 존재를 알게 되었다.  
 
중성자는 핵 속에서 양성자와 함께 있을 때는 안정적이지만, 중성자 홀로 있을 때는 불안정하여 전자를 방출하면서 양성자로 변하는 방사성 붕괴를 하는데 약력이 이에 관여하며 그때 생긴 힘이 지구 내부에서 발생하는 에너지의 원천이다. 핵분열은 약력이 어떤 일을 하는지 보여주는 좋은 예다.  
 
강력과 약력은 우리가 현실에서 경험하는 힘이 아니라 원자핵 속에서 일어나는 현상이기 때문에 뉴턴역학에서처럼 눈에 보이는 힘이 아니다. 그래서 강력은 강한 상호 작용, 약력은 약한 상호 작용이라고 부르기도 한다.
 
이상에서처럼 약력은 핵분열을 일으키는 힘이고 강력은 핵융합을 일으키는 힘이다. 태초에 그랬던 것처럼 지금 그 4가지 힘을 모두 합쳐보려고 했지만, 전자기력과 강력, 약력은 합칠 수 있어도 거기에 중력까지 섞었더니 영 엉망이 돼버렸다. 중력은 다른 세 힘에 비해 너무 약하기 때문이다. 혹시 또 다른 힘이 있을지도 모른다. 중력을 거스르고 우주를 가속 팽창시키는 블랙에너지의 존재는 아직은 상상의 단계지만 어쩌면 우리가 모르는 힘일지도 모른다.  
 
우주를 온전히 이해한다는 것은 불가능한 일이다. 무한한 우주는 너무 넓고 멀고 크기 때문이다. 하지만 허블 천체망원경이 우주 구석구석을 뒤진 이래로 많은 것이 전문 지식에서 일반 상식 수준으로 변했다. 비록 수박 겉핥기인 줄 알지만, 우주를 이루는 여러 힘 중 강력과 약력을 소개했다. (작가)
 
 

박종진