반물질 이론이란?

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디랙(Dirac)의 반물질 이론

 

 

영화 <스타 트랙>에 등장하는 우주선 ‘엔터프라이스 호’는 반물질의 힘으로 비행한다. 반물질은 공상과학이 아니라 현실이다. 영국의 물리학자 아서 슈스터(Arthur Schuster 1851-1934)는 1898년에 ‘일반 물질과 반대되는 성질을 가진 신기한 물질'도 존재할 수 있다는 생각을 가지고 있었다.

 

영국의 이론 물리학자 폴 디랙(Paul Adrien Maurice Dirac 1902-1984)은 슈스터의 꿈을 실현했다. 그는

 

‘소립자에는 마치 거울의 상처럼, 질량은 같으면서 전하가 반대인 반입자(antiparticle)가 모두 있다’

 

는 것을 증명하는 ‘반물질(反物質) 이론’(Dirac's Antimatter Theory)을 1928년에 발표한 것이다. 그는 이론에서, 음(-)전하를 가진 전자와 반대되는 양(+)전하를 가지면서 질량이 같은 반전자(反電子 antielectron)가 있다고 예측했다. 반전자를 지금은 양전자(陽電子 positron)라 부른다.

 

 

미국의 물리학자 칼 앤더슨(Carl Anderson 1905-1991)은 1932년에 디랙의 예측대로 양전자를 발견했고, 그로부터 23년 후인 1955년에는 캘리포니아 대학에서 가속기(加速器 accelerator)로 음전하를 가진 반양성자(antiproton)를 만들어냈다. 앤더슨은 이 연구로 1936년에 노벨 물리학상을 수상했다.

 

일반 물질과 반물질이 만나면 폭발이 일어나면서 물질은 없어진다. 아인슈타인이 지적한대로 물질이 에너지로 변하는 것이다. 만일 이 우주와 태양계에 물질과 반물질이 함께 있다면 태양계나 우주는 소멸할 것이므로, 반물질은 다른 우주에 존재한다고 추측하고 있다.

 

반물질에 대한 연구가 진행되자, 과학자들은 일반물질은 당기는 인력(引力)을 가졌고, 반물질은 밀어내는 척력(斥力)을 나타낼까? 하는 의문도 갖게 되었다. 가속기는 이러한 연구와 실험에도 이용된다. 디랙은 양자 역학에 불가결한 중요 방정식을 정식화하는 등, 20세기 물리학 발전에 공헌한 거인이다. 

 

 

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