오늘 노벨 물리학상 수상자 면면을 들여다보니 그들이 노벨상을 수상하게 된 이유가

자연계의 네가지 기본 힘중 하나인 강력에 대해서 설명을 할 수 있는 이론을 세운

거였더군. 그래서 깅수가 주워들은 이런 저런 지식을 모아볼까 싶어서 써본다.

1. 전자기력

사람들에게 중력과 더불어 가장 친숙한 힘일 거다. 전기, 자석, 번개 등의 각종 현상을

일으키는 걸로 생각되기 쉽지만, 아주 광범위한 곳에서 영향을 미친다. 모든 화학반응,

그러니까 불이 붙고, 물이 되고 하는 모든 화학반응은 원자와 원자간의 전자 교환에

따른 전자기적 결합의 결과다. 숯을 태우면 산소와 탄소간에 전자의 교환을 통해 결합을

하게 되어 이산화탄소가 발생하는데 이런 것들이 모두 전자기력의 힘이라는 뜻.

또한 마찰력이나 타격, 그리고 우리 몸이 벽을 뚫을 수 없는 이유가 다 원자를 구성하는

전자간의 척력(밀쳐내는 힘)때문이다. 벽을 구성하는 원자의 전자도 마이너스(-),

우리 몸을 구성하는 원자의 전자도 마이너스(-)이기때문에, 우리 몸이 벽을 뚫으려고

하면 우리 몸의 전자와 벽의 전자가 밀쳐내기때문에 벽을 통과할 수 없는 거다.

야구공을 방망이로 치면 방망이의 에너지가 공의 전자에 반발력으로 전달되고, 공은

그대로 날라가게 되는 거다.

전자기력은 네 가지 힘중 강력 다음으로 강하며, 거리에 비해 반비례하는 식으로 되기

때문에 거의 무한대의 거리로 전달될 수 있으나, 각 원자들을 지나면서 플러스(+)와

마이너스(-)가 서로 상쇄되기때문에 실제로는 멀리 전달되기 어렵다.

2. 중력

중력은 자연계의 네 가지 기본 힘중에서 가장 약하다. 우리 옆에 있는 돌덩어리 하나도

우리에게 중력을 미치지만, 그 힘이 너무나 미약하여 우리는 느끼기가 힘들다. 하지만

중력은 전자기력과 달리 플러스/마이너스의 상쇄개념이 없어 입자가 모이면 모일수록

커진다. 그래서 지구 혹은 태양과 같은 거대한 천체에서는 그토록 강력하게 작용할

수 있다. 또한 전달 거리도 전자기력과 마찬가지로 거리에 반비례하는 식이기때문에

거의 무한대로 전달될 수 있다고 할 수 있다.

3. 강력

강력은 원자를 구성하는 양성자와 중성자, 그리고 양성자나 중성자 내부를 구성하는

쿼크간의 결합을 이끄는 힘을 얘기한다. 강력은 매우 강력하여 양성자와 중성자를

깨는 데에는 엄청난 에너지가 필요하다. 하지만 그 범위가 지수함수에 반비례하기때문에

극히 좁다. 딱 원자핵의 크기를 벗어나지 못한다. 반대로 말하면 원자핵의 크기는 강력의

전달거리밖에 되지 못하는 것이다.

강력의 크기와 원자핵의 크기에 관한 이해를 위해 잠깐 상상력을 발휘해보자.

딱딱한 껍질로 된 축구공이 있다고 치자. 그 속은 비어있지만, 우리는 공의 크기를 공간을

뺀 껍질만의 크기로 이해하는 게 아니라, 껍질이 둘러싸고 있는 크기를 공의 전체 크기로

인식하게 된다. 아주 딱딱해서 깰 수가 없다면 그 속에 빈 공간이 있다고 해봐야 그 공은

그 껍질이 둘러싼 크기를 공의 크기로 인식하는 거다.

이런 건 어떨까. 철퇴를 엄청나게 빠른 속도로 돌려 접근이 불가능한 무림의 고수를

말이다. 그러면 우리는 그 철퇴의 끝을 마치 공껍질처럼 인식하게 되고, 그 무림의

고수에 대한 접근 범위 혹은 크기는 그 철퇴의 길이만큼만 될 것이다.

원자핵도 마찬가지다. 양성자와 중성자로(철퇴의 끝) 이루어진 원자핵도 구성요소간에

딱 붙어있지 않고 강력이 미치는 공간 내에서 (철퇴줄의 길이) 무수한 속도로 회전하는

것을. 철퇴가 무한대의 속도로 회전하여 전혀 틈이 없으면 우리는 마치 철퇴의 잔영으로

둘러싼 공을 보는 것과 똑같을 거다. 그러면 우리는 그 고수의 크기는 모른 채 철퇴줄의

길이로 인한 철퇴의 궤적을 그 사람의 크기로 인식할 것이다.

상상이 되는가? 이해가 안되면 리플 달아라... 설명해준다...

이번 노벨 물리학상을 탄 사람들은 강력의 점근적 자유도라고, 원자핵 구성요소가 서로

간에 가까이 있으면 서로를 구속하는 힘이 적어서 자유롭게 움직이나, 거리가 멀어질수록

즉 강력의 한계 범위까지 갈수록 구속하는 힘이 강해져 한계범위에서는 거의 무한대로

커져, 원자핵의 구성요소들이 강력의 한계범위 이상으로 멀어지지 않는다는 걸 밝혀냈다는

공로로 상을 받은 거다.

만약 누군가 강력(철퇴줄)보다 강한 힘으로 양성자나 중성자를 타격한다면? 그렇게

되면 양성자와 중성자는 강력의 범위 밖으로 이탈할 것이고, 그렇게 되어 원자핵은

기존의 구성요소와 달라져 변질되게 된다. 이것이 원자핵의 분열로 원자폭탄과 원자력

발전의 기본이 된다. 각 원소를 묶던 강력이 필요없어지면서 그 강력만큼의 에너지가

원자력으로 발생하는 것이다.

4. 약력

약력은 일반인에게는 조금은 기묘해보이는 힘으로서 물질의 붕괴와 관련이 되어 있다.

원자핵과 같은 곳에 약력이 작용하면 원자핵은 붕괴되어 버린다. 중성자에 약력이 존재하면

중성자는 양성자와 전자로 붕괴되어버리면서 베타파를 방출한다. 이게 베타붕괴다.

근데 이 약력에는 조금은 기묘한 면이 있는데, 그건 바로 대칭의 법칙을 어긋나는

힘이기때문이다.

위의 베타붕괴시 중성자에 약력이 작용해 양성자와 전자로 붕괴할 때 흔히들 중성자가

양성자와 전자의 합이었다가 깨어지는 것이라고 생각하기 쉽다. 하지만 실제로는 중성자에

약력이 작용하면 양성자로 변할 따름이다. 다만 중성자라는 이름에서 알 수 있듯이

전기적인 불균형이 전혀 없던 상황에서 양성자가 갑자기 생기면, 그 원상태를 유지하기

위해 동일한 전기량을 띠면서 무게는 작은 전자가 생겨나는 것이다. (+)가 하나 생기자

(-)가 생기면서 합치면 원래와 동일하게 하는 것, 그게 바로 대칭의 법칙이다.

그런데 이 약력은 기묘하게도 가끔씩 이 법칙을 깨뜨리는 경우가 생겨난다. 즉 전기

외에도 항상 보존되어야 하는 여러 것들이 있는데, 보통의 경우 이것을 유지하기

위해 쌍으로 물질이 태어나는데, 가끔은 쌍으로 태어나지 않고 혼자 태어나면서

균형이 깨지는 경우가 생기는 것이다. 법칙의 완벽함을 추구하는 물리학자들은 이러한

약력의 성질에 대단히 당황해했다. 오죽하면, '신이 이 세상을 삐뚤게 설계했단

말인가.'라고 했겠는가... (마치 '신은 주사위 놀음을 하지 않는다'라던 아인슈타인을

연상시킨다.)

하지만 이러한 약력의 불균형은 최근의 우주탄생 이론에서, 물질의 생성에 아주 중요한

작용을 했다고 여겨진다. 최근의 우주탄생 이론에서는 초기의 우주는 엄청난 에너지로

가득차 있었는데 이 에너지가 물질로 생성될 때, 앞에서 말한 것처럼 항상 입자가

쌍으로 태어났다면, 즉 양성자는 반양성자 (모든 성질은 양성자와 같으나 전기는

(-)인 입자), 전자는 반전자 (마찬가지로 전기가 (+)인 입자)로 태어났을 것이고,

이 쌍들은 태어나자 마자 다시 합해져 에너지로 되돌아가버리고 만다. 만약 약력이

철저하게 대칭의 법칙을 따랐다면 현재의 우주는 아무런 물질도 없이 끝없이 에너지로

가득찬 상태였을 것이다. 하지만 약력의 불균형은 가끔씩 저홀로 태어나는 입자를

만들었고, 에너지로 다시 되돌아가지 못한 입자는 그대로 물질로 굳어지게 되었던

것이다.

5. 힘의 통합

현대 물리학은 자연계에 있는 4가지의 기본 힘을 궁극적으로 하나의 힘으로 통합

하고자 한다. 통합한다는 의미는 서로 다른 성질의 힘을 하나의 힘이 여러 모습을

나타내는 거라고 정리하는 것을 말한다. 1 + 1 = 2 라는 덧셈과 1 - 1 = 0이라는

뺄셈을 1 + 1 = 2, 1 + (-1) = 0 이라는 덧셈 하나로 통일해서 설명하는 것과

비슷하다고 보면 된다.

이런 시도는 과학사적으로도 여러번 있어왔다. 서로 다른 힘으로 보이던 전기력과

자기력을 하나의 힘으로 설명하는 데에 성공한 맥스웰, 중력과 전자기력을 통일하려고

노력하던 아인슈타인이 대표적이다.

아인슈타인의 시대에 자연계에 보이는 힘이라고는 중력과 전자기력이었고, 강력과

약력은 막 발견되려고 하던 때여서 중력과 전자기력을 통일하려고 했는데, 문제는

전자기력과 중력의 힘의 크기의 차이가 너무 컸었기때문에 서로를 설명하기가

어려웠다.

결국 먼저 통합된 것은 비슷한 크기의 힘을 가진 전자기력과 약력이었다. GSW 이론이

바로 그것이었고, 그 이론을 만든 사람들과 그 이론을 증명한 많은 사람들이 노벨상을

타게 됐다.

현재로는 모든 힘을 아우르는 대통일 이론이 만들어지고 있으나 현재의 과학기술과

장비로는 그 이론을 입증할 수 없는 상황이다. 향후 거대한 입자가속기가 만들어지면

그때쯤에 가능할 것이다. 그리고 우주를 설명하고 우주를 바라보는 관점이 더욱 더

새롭게 변할 것이다.