우주를 움직이는 4가지 기본 힘

SCIENCE WAVE

 

 

우주에 존재하는 가장 거대한 은하에서부터 원자를 이루는 가장 작은 입자들까지, 세상 만물은 정지하고 있는 것처럼 보여도 어떤 힘에 의해 끊임없이 움직이고 있다. 태양과 지구 사이에는 중력이 작용하고, 자석은 쇠붙이를 끌어당기거나 밀거나 한다. 물질을 구성하는 수많은 원자들은 강력에 의해 서로 결합해 있다. 또한 원자의 핵이 깨어지면 약력이라는 거대한 힘이 발생한다.

 

 

우주 만물은 4가지 종류의 기본 힘(fundermental force)이 서로 작용함에 따라 움직이고 있다. 그것은 서로 끌어당기는 중력(重力 gravity), 전기와 자력으로 나타나는 전자기력(電磁氣力 electromagnetism), 원자를 구성하는 입자들을 결합시키는 강력, 원자의 핵이 깨어질 때 나오는 약력이다. (시계방향 순)

 

 

중력이라는 힘의 성질

중력을 설명할 때는 가속도라는 용어가 따라다닌다. 속도(速度 velocity)와 가속도(加速度 accelerration)는 다르다. 비행기는 속도가 빠르다. 만일 비행기가 같은 속도(등속도)로 비행하고 있다면, 그 비행기는 빨라지거나(가속) 느려지지(감속) 않고 있기 때문에 가속도는 0이다. 빠르게 달려오던 자동차가 정지신호를 보고 속도를 점차 줄이고 있으면 가속도가 감소하는 것(감속도 deceleration)이고, 다시 출발하여 속도를 높이는 중이라면 가속도가 증가하는 것이다.

​

돌을 공중으로 던지면 처음에는 빠른 속도로 올라가다가 차츰 느려지고, 드디어 순간적으로 정지했다가 다시 지상으로 떨어지면서 낙하하는 속도가 점점 빨라진다. 이처럼 운동하는 물체의 속도가 빨라지거나 느려지거나 할 때, 속도 변화의 정도를 가속도(가감속도)라 한다.

​

물리학에서는 가속도가 매우 중요하다. 그 이유는 물체가 운동하는 힘을 나타낼 때 가속도를 곱하는 공식을 사용하기 때문이다. 가속도는 일정한 방향으로, 일정한 시간에 변하는 속도 변화이다. 운동하는 물체는 가속도가 클수록 힘(운동량)이 강하다.

​

뉴턴의 공식에 나타내는 힘(force)이란 어떤 물체를 움직이도록 외부에서 작용하는 영향력을 뜻한다. 그리고 질량(質量 mass)은 물체를 구성하는 물질의 양을 말한다. 작은 새끼 고양이를 들어보면 가볍다. 이것은 고양이를 구성하는 물질의 양(질량)이 적기 때문이다. 반면에 코끼리가 무거운 것은 새끼 고양이보다 질량이 큰 탓이다. 같은 크기의 탁구공과 쇠공의 무게가 다른 것은 쇠공의 질량이 많기 때문이다. 태양은 지구보다 질량이 크다. 물체가 가진 중력은 질량이 클수록 강하다. 킬로그램(kg)이라는 단위(單位)는 바로 질량의 정도를 나타낸다.

​

공중에서 낙하하는 물체의 가속도가 증가하는 이유는 지구가 가진 중력의 영향 때문이다. 두 물체 사이에 작용하는 중력의 세기는 물체의 질량에 비례하고, 두 물체 사이의 거리에 반비례한다.

 

공이 땅으로 떨어지는 것은 지구의 중력이 워낙 큰 때문이다. 중력은 거리에 관계없이 작용한다. 지상을 걷는 우리 몸에는 태양의 중력, 목성의 중력, 달의 중력 모두가 작용하고 있다. 그러나 태양으로 끌려가지 않는 것은 거리가 워낙 멀어 중력이 약하게 작용하기 때문이다.

 

 

1600년대에 뉴턴은 운동하는 물체가 가진 힘을 질량 × 가속도 (F= ma)라는 공식으로 나타냈다. 이 공식을 보면, 운동하는 물체의 힘은 가속도의 가감(加減)에 따라 달라진다. 과학자들은 운동하는 힘의 단위를 ‘뉴턴’으로 나타내는데, 1뉴턴은 사과 1개를 들어 올리는 힘과 비슷하다.

 

 

 

전자기의 힘

중력과 달리 전자기의 힘은 서로 끌어당기기도 하고 밀기도 하는, 인력(引力)과 척력(斥力)이 결합해 있다. 자석의 경우, 두 자석 사이의 거리가 가까울수록 강하게 자력이 작용하고 멀수록 약하다. 또한 동일한 극과 마주하면 서로 척력이 작용한다. 중력은 모든 물체 사이에 작용하지만, 자기력과 전기력은 자성이나 전기(전하)를 가진 물체 사이에만 영향을 미친다.

​

자기력과 전기력은 하나로 작용한다. 쇠막대에 전류를 흘려 전자석을 만들 수 있고, 자석의 극을 교대로 바꾸는 방법으로 전류를 만든다. 이런 전자기력은 물체를 구성하는 핵 둘레를 에워싼 전자들(전자구름)에 의해 만들어진다. 전자기의 힘은 중력보다 비교할 수 없도록 강하다(1에 0을 36개 붙인 배수).

​

원자의 강력

 

수소 또는 탄소를 산소와 함께 태우면 빛과 열이 발생하고, 수소의 핵을 융합시키거나 우라늄 원자의 핵을 깨뜨려도 엄청난 에너지가 나온다. 이런 놀라운 일이 일어날 수 있는 이유는 핵이 가진 강력(强力)과 약력(弱力)이라는 두 종류의 힘이 작용하기 때문이다.

​

세상 물질은 모두 100여 종의 원소로 구성되어 있으며, 원소의 최소 단위는 원자이다. 원자의 모습은 원소의 종류에 따라 다르다. 예를 들어 수소 원자의 핵은 양성자가 1개만 있고, 우라늄의 핵은 92개의 양성자와 146개의 중성자로 이루어져 있다.

​

일반인들은 원자라고 하면 중심에 핵이 있고 핵 주변에 전자가 돌고 있다는 정도로 알고 지낸다. 원자의 세계를 더 자세히 알기란 어렵고 복잡하다. 그런데 양성자는 양전하(+)를 가졌으므로, 여러 개의 양성자가 핵을 구성하고 있을 경우, 양성자들은 서로 밀어내는 척력(斥力)이 작용하여 핵을 구성하지 못할 것이다. 그러나 양성자와 중성자는 강력(강핵력)이라는 강한 핵력이 작용하여 서로 떠밀지 않는다. ​

​

강력(strong interaction, strong nuclear force)이라는 이러한 힘이 없다면, 핵을 구성하는 입자들은 서로 붙어 있지 못하여 원자를 이룰 수 없을 것이다. 지극히 작은 원자 사이에 작용하는 힘에 ‘강력’이라는 이름을 붙이게 된 것은, 그 힘이 전자기력보다 137배나 강하기 때문이다.

 

 

헬륨의 핵은 양전하를 가진 양성자 2개로 이루어져 있다. 양성자(+)와 양성자(+) 사이에는 전자기력이 작용하므로 서로 반발할 것이다. 그러나 강력이 전자기력보다 137배 강하기 때문에 핵은 깨어지지 않는다.

 

 

 

원자의 약력

양성자와 중성자를 더 쪼개 보면, 쿼크(quark)라 부르는 몇 가지 더 작은 입자들로 이루어져 있다. 약력(weak interaction, weak nuclear force)은 쿼크 같은 것들 사이에 작용하는 작은 힘이다. 쿼크 사이의 힘의 관계는 복잡하다. 태양(별)이 막대한 에너지를 발생하는 것은 핵융합이 일어나기 때문이다. 별들의 엄청난 에너지의 근원을 약력이라 부르니 잘 어울리지 않는다.

​

원자가 강력과 약력이라는 자연의 힘을 가지지 않는다면 만물을 구성하는 원자 자체가 형성될 수 없으므로 우주 만물이란 존재할 수 없을 것이다.

 

 

약력이란 지극히 작은 핵 내부의 쿼크 사이에 작용하는 힘이다. 이 힘은 극소의 공간에서만 작용하는 미약한 힘이다. 그러나 태양(별)을 구성하는 핵들이 가진 전체 약력은 초강력이다.

 

 

원자의 내부 구조는 거의 허공

쇠나 돌을 만져보면, 그들을 이루는 원자의 핵은 빈틈없이 붙어 있을 것이라는 생각이 든다. 그러나 원자의 구조를 알고 보면, 거의 전부가 빈 공간(空間)이다. 핵 1개의 크기를 비유로 설명해 보자. 원자 1개의 모습을 축구장 크기의 모형으로 만든다면, 핵의 크기는 운동장 중앙에 놓인 축구공만 하고, 전자는 축구장 주변을 날아다니는 벌의 크기라 할 수 있다고 표현한다. 그러므로 원자의 핵과 주변을 도는 전자 사이는 거의 전부가 축구장 만한 텅 빈 3차원 공간인 것이다.

​

이러한 원자의 구조를 알고 나면, 대자연은 지극히 적은 원료로 무한한 규모의 우주를 만들고 있다는 생각을 하게 된다. 과학자들이 설명하는 빅뱅 이론에서 주장하는 대폭발이 일어난 최초의 한 점은 크기가 어느 정도였는지 알 수 없지만, 원자를 이루는 공간이 얼마나 허공인지 알고 나면 빅뱅 이론이 가까이 느껴진다.

​

중성자별이라든가 블랙홀이라는 천체 이야기가 자주 등장한다. 중성자별은 극도로 응축된 천체로서 직경이 수십 km에 불과하지만, 그 중력은 태양의 중력에 버금가며, 블랙홀은 중력이 너무 커서 중력이 미치는 범위 안에 있는 것은 모조리 빨아들인다고 말하고 있다.

​

물리학자들은 물질을 구성하는 입자들 간에는 뉴턴의 물리 이론과는 다른 법칙이 작용한다는 것을 발견했다. 원자의 세계에서 전개되는 현상을 일반 물리학 법칙으로 설명할 수 없기 때문에, 이 분야의 연구를 양자역학(量子力學) 또는 양자물리학이라 한다.

​

물리학자들은 중력, 전자기력, 원자력 등의 현상을 통합하는 자연법칙이 있는지 찾으려고 노력한다. 상대성 이론, 통일장 이론(unified field theory), 대통일 이론(Grand Unified Theory), 초끈 이론(superstring theory) 등은 이와 관련된 여러 이론 중에 대표적인 것이다. 대자연이 가진 힘 전체를 지배하는 가상(假想)의 이론을 만물 이론(The Theories of Everything, ToE)이라 한다. 최고의 명성을 가진 물리학자들이 만물 이론에 대해 연구하지만, 아마도 이 문제는 끝이 없는 숙제일지 모른다.

 

 

 

원소들은 핵이 깨어지면(핵분열) 강한 에너지를 가진 방사선을 방출한다. 핵분열이나 핵융합 에너지는 약력의 작용이다. 과학자들은 약력과 전자기력을 다른 성질의 힘이라고 오래도록 생각해왔다. 그러나 약력과 전자기력 사이에 어떤 관계가 있다는 사실이 계속 밝혀지고 있다.* 이런 연구가 계속되면, 언젠가는 4가지 자연의 힘이 하나로 합쳐질지도 모른다.

 

 

기본 힘들의 정체(正體)는 무엇인가?

4가지 자연의 기본 힘은 어떤 모습일까? 서로 끌어당기는 중력과 자석 사이에 작용하는 척력의 정체는 무엇인가? 과학자들은 이들이 ‘미지의 입자’일 것이라고 생각한다. 빛이 광자(光子 phton)라는 입자이듯이 자연의 기본 힘들도 입자일 것이라고 생각한다.

​

원자의 핵들이 결합해 있도록 하는 핵력(강력)의 입자를 글루온(gluon)이라 부르는데, gluon은 glue(접착제)에서 나온 말이다. 약력의 입자에 대해서는 아직 모른다. 중력의 입자는 그래비톤(graviton)이라 부르지만, 아직 발견하지 못했다.

​

대자연은 중력이라는 미약한 힘으로 전 우주를 다스리고, 전자기력으로는 모든 물질과 생명활동을 지배하고 있으며, 강력과 약력이라는 힘으로는 원자라는 소우주를 관장하고 있는 것이다.

​

롤러코스터를 타보면 순간순간 중력의 변화에 정신을 차리지 못한다. 지상에서 무의식 상태로 안전하게 살도록 해주는 지구의 중력이 고마워진다. 자연의 4가지 기본 힘 중에 가장 약한 것이 중력이다. 강력은 전자기력보다 137배 강하고, 약력보다는 6,000,000배, 중력보다는 1에 0을 38개 붙인 수배만큼 강하다. 이런 것을 연구하고 계산해 내는 과학자들이 참으로 위대하게 느껴진다. - YS

​

* 전자기력과 약력은 높은 에너지에서 전자기-약력(전약력, electroweak force)이라는 동일한 힘으로 통합되었다. 그 이론에 대한 공로로 글래쇼, 살람, 와인버그가 공동으로 1979년 노벨 물리학상을 수상하였다.

 

 

 

동물의 완전 변태, 불완전 변태, 탈피의 차이