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[박종진의 과학 이야기] 강력과 약력

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) 박종진박종진의 과학 이야기 강력과 약력 강력과 약력 작용 약력 양성자 중성자

[박종진의 과학 이야기] 모든 것의 이론

우주에는 4가지의 힘이 작용한다. 중력, 전자기력, 강력, 그리고 약력이다. 일상에서 우리가 느끼는 힘은 중력과 전자기력이고, 강력과 약력은 원자의 세계에서 작용하는 힘이다. 힘의 크기로 늘어놓으면 강력이 가장 세고 전자기력, 약력, 중력의 순이 된다. 중력은 태양 주위를 지구가 공전하는 것처럼 모든 천체가 서로 붙잡혀서 운행되고, 심지어는 우리도 지구 표면에 붙어살고 있는 힘이다. 쉽게 말해서 사과가 땅으로 떨어지는 현상이 바로 중력이며, 만유인력이 바로 중력이다. 큰 우주를 관장하는 힘이 중력이지만 원자의 세계에서는 전혀 맥을 못 춘다. 전자기력은 자석이 쇠붙이를 끌어당기는 힘이다. 중력 때문에 못은 허공에 떠 있지 못하고 땅에 떨어진다. 그런데 땅바닥에 있는 못에 자석을 대면 바로 튀어 오르며 붙는다. 전자기력이 중력보다 세다는 것은 이렇게 간단히 알 수 있다. 강력과 약력은 아원자 세계에 작용하는 힘이다. 강력은 원자핵 속의 양성자끼리, 아니면 양성자 속에 있는 쿼크끼리 묶는 힘이다. 수소 원자는 양성자가 하나지만, 헬륨은 양성자가 둘이고, 산소는 여덟 개, 철은 스물여섯 개의 양성자를 원자핵 속에 가지고 있다. 단지 양성자의 개수에 따라서 원소의 성질이 달라진다. 우주에는 총 92개의 기본 원소가 있는데, 양성자가 1개인 수소에서 시작하여 우라늄은 92개의 양성자를 갖는다. 그런데 양성자는 양의 전하를 갖기 때문에 두 개 이상의 양성자끼리는 서로 밀치게 되므로 그런 양성자들을 꽉 묶어 둘 힘이 필요한데, 그 힘을 강한 핵력, 줄여서 강력이라고 한다. 약력은 방사성 붕괴 때 발생하는 힘인데 이상 4가지 힘 중에서 상대적으로 가장 중요하지 않다. 과학자들은 원래 힘은 하나였는데 빅뱅 때 4가지로 분리되었을 것으로 추측했다. 그래서 아인슈타인이 그 4가지 힘 중 중력과 전자기력을 합쳐보려고 시도했지만 실패했다. 그 후 과학자들은 실험실에서 약력과 전자기력을 합치는 데 성공했다. 여기에 강력까지 합치는 것을 '대통일 이론'이라고 하고, 중력까지 합쳐서 모든 힘의 통일을 이룰 경우가 '모든 것의 이론'이다. 전자기력과 강력과 약력 등 세 힘을 합치는 대통일 이론을 달성하기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하다. 스위스와 프랑스 국경에 세계에서 가장 큰 입자가속기가 있는데 지금 그 기계가 낼 수 있는 최대 에너지의 천억 배가 필요하다. 그렇다면 4가지 힘을 몽땅 합치는 모든 것의 이론에 필요한 에너지는 얼마나 될까? 현재 그 입자가속기의 길이가 27km인데, 이것을 빛이 1,000년 동안 움직일 길이로 늘려야 한다는 계산이다. 이쯤 되면 고에너지를 이용해서 문제를 해결하려는 시도는 애당초 틀렸으니 다른 방법을 찾아야 할 것 같다. 모든 것의 이론은 물리학의 끝이다. 작지만 그래도 질량을 가진 전자의 움직임이 뉴턴의 운동 법칙을 따르지 않았을 때, 순진한 과학자들은 고전물리학과 양자역학 모두 아우를 수 있는 하나의 멋진 이론을 찾기 시작했다. 그것에 모든 것의 이론이라는 좀 낭만적인 이름까지 만들어 붙였다. 그러나 현재 우리의 과학 기술 수준으로는 어림없는 상상이다. (작가) 박종진박종진의 과학 이야기 이론 중력 전자기력 약력과 전자기력 전자기력 약력