물질(物質)의 궁극(窮極)은 무엇인가? 쿼크(Quark)

산과바다

 

 

 

 

 

 

 

물질(物質)의 궁극(窮極)은 무엇인가?

 

 

☆ 쿼크(Quark) ☆

 

쿼크(Quark)는 소립자 바리온(baryon)과 메존(meson)을 이루는 기본입자이다. 즉 물질의 궁극(窮極)이라 할 수 있다.

쿼크의 이름(영문)	기호	전하량	질량 (MeV)
위(Up Quark)	u	+2/3	1.5 - 5
아래(Down Quark)	d	-1/3	17 - 25
맵시(Charm Quark)	c	+2/3	1100 - 1400
야릇한(Strange Quark)	s	-1/3	60 - 170
꼭대기(Top Quark)	t	+2/3	165000 - 180000
바닥(Bottom Quark)	b	-1/3	4100 - 4400

 

 

각 쿼크에는 해당하는 반쿼크(anti-Quark)라 불리는 반입자(antiparticle)가 존재하며, 전하량이 반대이다.

 

각 쿼크 알갱이는 기본 전하의 1/3 혹은 2/3에 해당하는 전하량을 갖는다. 양자색역학(QCD)에 따르면, 쿼크(Quark)는 홀로 존재할 수 없고 언제나 (쿼크와 반쿼크 쌍의) 메존(meson), 혹은 (세 개의 쿼크, 혹은 세 개의 반쿼크의) 바리온(baryon)의 형태로 존재하여, 언제나 기본 전하량의 정수배만이 검출된다.

* 바리온(baryon) 혹은 중입자는 복합 입자로써 세 개의 쿼크로써 이루어진다. 한 개의 쿼크와 한 개의 반쿼크로 이루어지는 중간자(메존)와 대비된다. 바리온과 메존을 합쳐 쿼크로 이루어진 더 큰 입자 가족인 강입자(hadron)로 분류한다. 바리온은 무거움을 뜻하는 그리스어 βαρύς(barys)와 입자를 나타내는 접미사 on이 합해진 말이다.   바리온은 쿼크로 이루어져 있으므로 강한 상호작용에 관계한다. 그러나 렙톤은 쿼크로 구성되어 있지 않으므로 강한 상호작용에 관계하지 않는다. 가장 잘 알려진 바리온은 양성자와 중성자이며 이들이 우주에서 눈에 보이는 물질의 대부분을 이룬다. 반면에 (원자핵의 또다른 주요 구성요소인) 전자는 렙톤이다. 각각의 바리온은 대응되는 반입자(반바리온(antibaryon))을 가지고 있는데 이 때 구성하는 각각의 쿼크들이 그 반쿼크로 대치된다. 이를테면, 양성자는 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 구성되는데, 이에 대응되는 반양성자는 두 개의 위 반쿼크(Up anti-Quark)와 하나의 아래 반쿼크(Down anti-Quark)로 구성된다.   대 통일 이론에 의하면 바리온 수는 깨질 수 있다. 양성자 붕괴가 대표적인 예이다. 그러나 아직까지 실험으로 검증된 바 없다.   * 중간자(中間子) 또는 메존(meson)은 강한 상호작용을 하는 매개입자들로, 양성자나 중성자와는 대비된다. 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크로 이루어져 있다. 힘의 매개체를 고전적인 마당대신 (또는 이를 양자화하여) 기본입자로 설명하는 최초의 이론이라 할 수 있다. 쿼크와 글루온이 도입된 양자색역학 이전의 이론에서는 기본입자로 보았다. 현재 정설은, 양자색역학의 카이랄 대칭의 자발적 대칭 깨짐을 통해 남는 유사 골드스톤 보존으로 이해하고 있으나, 고립파 등으로 설명하는 이론도 있다.

 

 

전하량 외에도 쿼크는 색전하(色電荷)란 물리량을 갖는데, 이 양은 '빨강', '초록', 혹은 '파랑'으로 나타낸다. 이 물리량에 대한 보존법칙은 합쳐진 입자는 언제나 '무색'이어야 한다고 말한다. 반쿼크는 '반빨강', '반초록', '반파랑'의 색전하를 갖는다.

 

이 보존법칙에 따라 쿼크는 홀로 관측될 수 없고, 다른 쿼크(Quark), 혹은 강한 상호작용 입자와 합쳐진 상태로만 관측된다. 따라서 위에 적힌 쿼크(Quark)의 질량은 정확한 값이 아니라 참값이 놓여 있을 것으로 여겨지는 범위만을 말하고 있다.

 

쿼크(Quark)라는 이름은 제임스 조이스의 "Finnegan's Wake"라는 작품 중에 나오는 의미 없는 문장 "three quarks for Muster Mark"에서 유래했다.

 

 

 

☆ 쿼크(Quark)의 종류 ☆

 

1. Up Quark(위 쿼크)

위 쿼크(up quark)는 1세대의 쿼크로, +(2/3) e의 전하량을 지니고 있다. 위 쿼크는 모든 쿼크 가운데가 가장 가벼우며, 순수 질량이 1.5-4 MeV/c² 정도이다. 입자물리학의 표준 모형에 따르면, 위 쿼크는 아래 쿼크와 함께 핵자를 구성하는 근본요소라는 것이다. 양성자는 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 구성되며, 중성자는 하나의 위 쿼크와 두 개의 아래 쿼크로 구성되는 것으로 설명된다. 또한, 핵자 질량의 대부분은 쿼크 질량에서 유래하는 것이 아니라, 쿼크를 서로 합쳐주는 글루온의 에너지에서 유래한다.

위 쿼크의 존재는 머리 겔만과 조지 츠바이크 (George Zweig)가 1964년 쿼크 모형을 수립하였을 때 처음으로 가정되었다. 그리고 1967년 SLAC에서의 심층 비탄성산란 실험에서 처음으로 존재 증거가 발견되었다.

 

위 쿼크를 가지는 강입자

다음과 같은 일부 강입자는 위 쿼크(업 쿼크)를 지니고 있다.

 

하전 파이온(π±)은 하나의 "위 쿼크(업 쿼크)"와 하나의 "반 아래 쿼크(다운 쿼크)", 혹은 하나의 "반 위 쿼크"와 하나의 "아래 쿼크"를 가지는 중간자이다.

중성 파이온(π0)은 ρ나 ω 중간자와 같이 "위 쿼크"와 "반 위 쿼크", 혹은 "아래 쿼크"와 "반 아래 쿼크"의 선형결합이다.

η 및 η와 같은 맛깔 없는 중간자는 "위 쿼크"-"반 위 쿼크" 쌍을 포함하는 "쿼크"-"반 쿼크" 몇 쌍의 선형결합이다.

다수의 관측된 바리온은 하나 이상의 위 쿼크를 포함한다. 핵자와 같이 Δ 바리온은 몇 개의 위 쿼크와 아래 쿼크만으로 이루어져 있다. Δ++ 바리온은 세 개의 위 쿼크를, Δ+ 바리온은 두 개의 위 쿼크를, 그리고 Δ0 바리온은 단지 하나의 위 쿼크를 지닌다.

 

2. Down Quark (아래 쿼크)

아래 쿼크(down quark)는 1세대의 쿼크로, -(1/3) e의 전하량을 지니고 있다. 아래 쿼크는 모든 쿼크 가운데가 두번째로 가벼우며, 순수 질량이 4-8 MeV/c² 정도이다. 입자물리학의 표준 모형에 따르면, 아래 쿼크는 위 쿼크와 함께 핵자를 구성하는 근본요소라는 것이다. 양성자는 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 구성되며, 중성자는 하나의 위 쿼크와 두 개의 아래 쿼크로 구성되는 것으로 설명된다. 또한, 핵자 질량의 대부분은 쿼크 질량에서 유래하는 것이 아니라, 쿼크를 서로 합쳐주는 글루온의 에너지에서 유래한다.

 

아래 쿼크의 존재는 머리 겔만과 조지 츠바이크 (George Zweig)가 1964년 쿼크 모형을 수립하였을 때 처음으로 가정되었다. 그리고 1967년 SLAC에서의 심층 비탄성산란 실험에서 처음으로 존재 증거가 발견되었다.

 

아래 쿼크를 가지는 강입자

다음과 같은 일부 강입자는 아래 쿼크를 지니고 있다.

 

하전 파이온(π±)은 하나의 "위 쿼크"와 하나의 "반 아래 쿼크", 혹은 하나의 "반 위 쿼크"와 하나의 "아래 쿼크"를 가지는 중간자이다.

중성 파이온(π0)은 ρ나 ω 중간자와 같이 "위 쿼크"와 "반 위 쿼크", 혹은 "아래 쿼크"와 "반 아래 쿼크"의 선형결합이다.

η 및 η와 같은 맛깔 없는 중간자는 "아래 쿼크"-"반 아래 쿼크" 쌍을 포함하는 "쿼크"-"반 쿼크" 몇 쌍의 선형결합이다.

다수의 관측된 바리온은 하나 이상의 아래 쿼크를 포함한다. 핵자와 같이 Δ 바리온은 몇 개의 위 쿼크와 아래 쿼크만으로 이루어져 있다. Δ+ 바리온은 하나의 아래 쿼크를, Δ0 바리온은 두 개의 아래 쿼크를, 그리고 Δ− 바리온은 세 개의 아래 쿼크를 지닌다.

 

3. Strange Quark(야릇한 쿼크)

야릇한 쿼크(strange quark)는 2세대의 쿼크로, -(1/3) e의 전하량과 -1의 기묘도를 지니고 있다. 위 쿼크와 아래 쿼크를 제외하고는 가장 가벼운 쿼크이며, 질량은 80-130 MeV/c² 정도이다. 최초의 야릇한 입자(야릇한 쿼크를 포함하는 아원자 입자)는 1947년 케이온의 발견과 함께 발견되었지만, 야릇한 쿼크 그 자체는 1964년 머리 겔만과 조지 츠바이크 (George Zweig)가 쿼크 모형을 수립할 때에서야 정의되었다.

 

야릇한 쿼크를 지니는 강입자

다음과 같은 일부 강입자는 야릇한 쿼크를 지니고 있다.

 

케이온은 하나의 야릇한 쿼크(혹은 그 반입자)와 하나의 위 쿼크 또는 아래 쿼크를 지니는 중간자이다.

η와 η 와 같은 맛깔 없는 중간자는 "야릇한 쿼크"-"반 야릇한 쿼크" 쌍을 포함하는 "쿼크"-"반 쿼크" 몇 쌍의 선형결합이다.

φ 맛깔 없는 중간자는 순수한 "야릇한 쿼크"-"반 야릇한 쿼크"만의 결합이다.

야릇한 바리온은 하이퍼론으로 불린다. Σ 및 Λ는 하나의 야릇한 쿼크를 지니며, Ξ는 두 개를, Ω는 세 개를 지닌다.

 

4. Charm Quark(맵시 쿼크)

맵시 쿼크(charm quark)는 2세대의 쿼크로, +(2/3) e의 전하량을 지니고 있다. 모든 쿼크 가운데서 세번째로 무거운 쿼크이며, 질량은 양성자보다 약간 더 무거운 1.3GeV/c² 정도이다. 1970년 셸던 글래쇼, 요한네스 일리오폴로스, 루치아노 마이아니에 의해 예측되었으며, 1974년 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)의 Burton Richter 연구진과 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)의 Samuel C. C. Ting 연구진이 J/ψ 맵시 입자와 함께 발견하였다. 그 당시 발견한 맵시 입자를 BNL 연구진은 J 입자로, SLAC 연구진은 ψ 입자로 이름 지었으며, 이후 타협을 통해 J/ψ라는 이름이 사용되게 되었다.

 

맵시 쿼크를 지니는 강입자

다음과 같은 일부 강입자는 맵시 쿼크를 지니고 있다.

 

D 중간자는 하나의 맵시 쿼크(혹은 그 반입자)와 하나의 위 쿼크 또는 아래 쿼크를 지니는 중간자이다.

Ds 중간자는 하나의 맵시 쿼크와 하나의 야릇한 쿼크를 지닌다.

J/ψ을 비롯한 많은 맵시 입자가 존재한다. 이러한 입자는 "맵시 쿼크"와 "반 맵시 쿼크"로 이루어진다.

맵시 바리온은 관측된 적이 있으며, 야릇한 바리온과 대응되도록 이름 지어졌다.

 

5. Bottom Quark(바닥 쿼크)

바닥 쿼크(bottom quark)는 3세대 쿼크로 -(1/3) e의 전하량을 지니고 있다. 모든 쿼크가 양자색역학에 의해 비슷한 방법으로 표현되긴 하지만, 바닥 쿼크는 꼭대기 쿼크를 제외한 다른 종류의 쿼크에 비해 상당히 무겁다. 질량은 4 GeV/c² 정도이며, 이는 양성자 질량의 네 배가량이다. 이러한 높은 질량은 바닥 쿼크가 B 표지라는 기법을 통해 실험적으로 매우 관측이 용이하도록 해준다. 또한 거의 모든 꼭대기 쿼크의 붕괴는 바닥 쿼크를 생성하기 때문에 발견하기도 쉽다. 힉스 보존이 충분히 가볍다면, 역시 붕괴 과정에서 자주 생겨나기도 한다.

 

바닥 쿼크는 1977년 페르미 연구소에서 발견되었다.

바닥 쿼크가 발견 되었을 때, 많은 입자물리학자들이 이를 "미"("B"eauty)로, 꼭대기 쿼크는 "진리"("T"ruth)로 이름 붙이려고 하였다. 하지만 이후 이러한 작명 대신, 처음 단어는 유지한 채로 각각 바닥("B"ottom)과 꼭대기("T"op)로 명명되었다.

 

바닥 쿼크를 지닌 강입자

다음과 같은 일부 강입자는 바닥 쿼크를 지니고 있다.

 

B 중간자는 바닥 쿼크 혹은 반바닥 쿼크와 함께 위 쿼크 혹은 아래 쿼크를 지닌다. Bc 와 Bs 중간자는 바닥 쿼크와 함께 각각 맵시 쿼크 혹은 야릇한 쿼크를 지닌다.

웁실론 중간자()를 비롯하여 많은 bottomonium 상태의 입자가 있다. 이들은 바닥 쿼크 및 반바닥 쿼크로 구성되어 있다.

바닥 바리온은 관측된 적이 있으며, 야릇한 바리온과 동일한 작명법으로 명명되었다.

 

6. Top Quark(꼭대기 쿼크)

꼭대기 쿼크(영어: top quark)는 3세대 쿼크로 +(2/3) e를 지니고 있다. 모든 쿼크가 양자색역학에 의해 비슷한 방법으로 표현되긴 하지만, 꼭대기 쿼크는 다른 종류의 쿼크에 비해 현저하게 무겁다. 2006년 현재에도 꼭대기 쿼크의 질량은 금 원자핵과 비슷한 수준인 183 GeV 가량인 것으로 측정된다. 이러한 이유로, 꼭대기 쿼크는 빠르게 붕괴하며, 강입자화 되지 않는다. 즉 그 자체를 연구할 기회가 매우 부족하며, 꼭대기 쿼크를 연구한다는 것은 꼭대기 쿼크가 붕괴해서 생겨난 바닥 쿼크나 W 보존을 연구하는 것과 동일한 의미이다. 꼭대기 쿼크의 예외적으로 높은 질량은 초대칭의 증거가 아닐까 하는 설도 있다.

 

꼭대기 쿼크는 1995년 페르미 연구소에서 발견되었으며, 테바트론 가속기는 2007년 현재까지도 꼭대기 쿼크를 만들만큼 강력한 유일한 가속기이다. 현재의 테바트론 에너지는 1.96 TeV로, 7 피코반 가량의 단면적에 꼭대기/반-꼭대기 쌍을 생성할 수 있다. 꼭대기 쿼크의 단일 생성은 예측되고 있으나, 통계적으로 유의미할 수준까지 관측된 적은 없다.

 

꼭대기 쿼크가 발견 되었을 때, 많은 입자물리학자들이 이를 "진리"("T"ruth)로, 바닥 쿼크는 "미"("B"eauty)로 이름 붙이려고 하였다. 하지만 이후 이러한 작명 대신, 처음 단어는 유지한 채로 각각 꼭대기("T"op)와 바닥("B"ottom)으로 명명되었다.

 

산은 산이요. 물은 물이로다.

산은 산이 아니요. 물은 물이 아니로다.

산은 물이요. 물은 산이로다.

산은 산이요. 물은 물이로다.

 

성철스님의 법어이다. 물질의 궁극을 불심 參禪의 경지에서 깨달음으로 알고 나서 세상에 비추었으나 <물리학에서는 벌써 알아내었네!> 라고 하였단다. 

 

 

 

 

 

☆ 물질의 궁극은? 쿼크(Quark)의 설명으로 ☆

 

 우리는 물질계 안에서 산다. 우리를 둘러싸고 있는 모든 것들은 물질로 이루어져 있다. 심지어 우리 몸 자체도 물질이다. 의식도 물질의 작용에 다름 아니다. 물질을 떠나서 우리는 살 수도, 존재할 수도 없다. 물질로 이루어진 것들을 흔히 물체라고 한다. 그러니까 물체를 이루는 재료가 바로 물질인 것이다.

 

그럼 이 물질이란 대체 무엇인가? 사전적인 뜻이야 ‘일정한 부피와 질량을 가진 것’으로 풀이하지만, 그렇게 간단하게 답할 성질의 것이 아니다. 단언하건대, 모래알 하나의 근원을 완벽히 알 수 있다면 우주의 비밀을 푼 것이나 다를 바 없다. 그래서 모래알 하나 속에도 우주가 들어 있다고 말하는 것이다.

 

먼저, 이 물질에 대해서 우리 인류는 어떤 생각들을 해왔는가를 간단히 살펴보도록 하자.

 

고대인들은 이 세상 모든 물체는 네 가지의 기본 물질-흙, 공기, 물, 불-로 이루어져 있다고 생각했다. 이 기본 물질을 적당한 비율과 건습도, 열, 냉을 이용해 혼합하면 무엇이든 만들 수 있다고 믿었다. 이른바 4원소설이다.

고대인 중에서 물질에 관해 가장 독특한 생각을 한 사람은 2500년 전쯤의 그리스 사람인 데모크리토스였다. 의심할 바 없이 당대 최고의 지성이었던 데모크리토스는 “모든 물질이 더 이상 나눌 수 없는 작은 것, 곧 원자(atomon)로 이루어져 있으며, 이것이 바로 물질의 보이지 않는 가장 작은 구성요소로서, 세계는 무수한 원자와 공(空) 외에는 아무것도 존재하지 않는다”고 했다. 현대 물리학은 이 데모크리토스의 착상에서부터 출발했다고 해도 과언이 아니다. 그는 또 원자를 설명하면서, 원자는 영원불변하며, 절대적인 의미에서 새로 생겨나거나 사라지는 것은 아무것도 없으며, 사물들이 안정되어 있고 시간이 흘러도 변하지 않는 것은 모든 원자들이 똑같은 크기를 갖고 자기가 차지하고 있는 공간을 꽉 메우고 있기 때문이라고 했다.

 

데모크리토스의 우주론 역시 놀라울 정도로 현대적이다. 그는 우주의 기원에 대해 이렇게 말했다. “원자는 원래 모든 방향으로 움직이고 있었다. 이 운동은 일종의 '진동'이었기 때문에 원자들 사이에는 충돌이 일어났고, 특히 회전운동으로 말미암아 비슷한 원자들이 서로 결합함으로써 큰 덩어리들과 세계들이 생겨났다. 이것은 어떤 목적이나 계획이 가져온 결과가 아니라, 단순히 '필연'의 결과로 일어난 것, 즉 원자 자체의 성질이 정상적으로 나타난 결과이다. 원자와 공간은 그 수와 면적이 무한하고 운동은 처음부터 항상 존재해왔기 때문에 우주에는 항상 무수한 세계가 존재해왔다. 그 무수한 세계는 성장과 쇠퇴의 단계가 서로 다를 뿐 모두 비슷한 원자로 이루어져 있다.”

 

여담이지만, 내친 김에 위대한 지성 데모크리토스의 인생론 훈수도 한번 들어보자. 그는 궁극적인 선(善)으로 ‘유쾌함’을 들었는데, 이는 ‘우리 영혼이 두려움이나 미신, 또는 그 밖의 어떤 감정에도 방해받지 않고 평화롭게 조용히 사는 상태’라고 말했다. 바로 옛 선사들이 말한 안심입명(安心立命)의 경지다.

 

어쨌든 데모크리토스의 원자론이 부분적으로는 옳았음이 밝혀졌다. 원자가 영원불변하다는 그의 주장은 근대 원자론의 개척자 존 돌턴에 의해 입증되었다. 돌턴은 “수소원자를 새로 만들거나 파괴하는 것은 태양계에 새 행성 하나를 만들어 내거나 파괴하는 것과 같다”고 말했다. 그리고 또 <여섯 개의 수>를 쓴 영국의 물리학자 마틴 리스는 원자의 수명이 아마 10^35년은 될 거라 했는데, 이는 거의 영원이라 해도 무방할 정도의 시간이다. 19세기 초, 현대 원자론은 화학에 의해 태동되었다. 물질들이 최소 단위 곧,고 또 <여섯 개의 수>를 쓴 영국의 물리학자 마틴 리스는 원자의 수명이 아마 <IMG src=".\PIC12.gif"  width=26px  height=19px border=0>년은 될 거라 했는데, 이는 거의 영원이라 해도 무방할 정도의 시간이다. 1

 

원자는 물질세계의 가장 기본적인 질료이자 현대 물리학의 화두이다. 물리는 원자에서 시작하여 원자로 끝난다고 할 수 있다. 그래서 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인먼은 원자에 대해 이렇게 한 마디로  규정했다.

 

다음 세대에 물려줄 과학지식을 단 한 문장으로 요약한다면 <모든 물질은 원자로 이루어져 있다>는 것이다.

 

 

 

☆ 원자의 세계 ☆

 

원자의 크기는 대체 얼마나 될까? 전형적인 원자의 크기는 10^-8cm다. 1억분의 1cm란 얘기다. 상상이 안 가는 크기다. 중국 인구와 맞먹는 10억 개를 한 줄로 늘어놓아야 가운데 손가락 길이만한 10cm가 된다. 각설탕만한 1cm^3의 고체 속에는 이런 원자가10^23개쯤이 들어 있다. 얼마만한 숫자인가? 지구의 모든 바다에 있는 모래알 수와 맞먹는 숫자이다.

 

그럼 원자는 어떤 모양을 하고 있을까? 10^-8cm라는 극미의 존재를 직접 들여다볼 수 있는 방법은 없다. 오늘날에는 원자의 중심에 중성자와 양성자로 된 핵이 있고, 그 둘레를 전자가 도는 모양이라고 알려져 있지만, 20세기 초까지도 원자의 모습은 오리무중이었다. 최초로 전자를 발견한 톰슨은 원자란 양전하로 대전된 둥근 푸딩처럼 생긴 거에 전자가 건포도처럼 박혀 있는 꼴이라고 생각했다.

 

대체로 이런 경황인 가운데 1911년, 원자의 내부를 최초로 들여다본 사람이 나타났다. 어니스트 러더퍼드였다. 물론 직접 눈으로 본 것은 아니고, 방사성 원자들이 방출하는 알파 입자를 통해서였다. 원래 러더퍼드는 방사성 원소 전문가였다. 그는 이미 1908년 노벨 화학상을 받았는데, 방사성 원소가 방사능 현상을 일으키며 다른 원소로 변한다는 사실을 증명한 공로였다. 당시 원소란 절대로 다른 원소로 바뀔 수 없다고 믿어지고 있었기에 이것은 대단한 발견이었다. 그런데 원소가 바뀌는 것을 화학반응으로 잘못 알고 화학상을 주는 우스운 꼴이 연출되었던 것이다. 평소 “물리학을 제외한 다른 과학은 우표수집에 불과하다”고 말했던 러더퍼드는 수상연설에서 자기가 물리학자에서 화학자로 바뀐 것은 원소 변화보다도 더 놀라운 일이라고 말해 자신의 씁쓰레한 기분을 에둘러 표현했다. 당시 원자론의 수준이 대체로 그 정도였다.

 

여담이 길었지만, 러더퍼드가 알파 입자(헬륨 핵)로 한 짓은 실로 간단한 것이었다. 방사성 원자에서 고속으로 방출되는 알파 입자를 얇은 금박에다 쏘아본 것에 지나지 않았다. 금박을 통과한 입자의 방향과 속도의 변화를 검토한다면 원자 구조에 관해 어떤 결론을 이끌어낼 수 있지 않을까 하는 기대에서였다. 예상대로 거의 대부분의 알파 입자들은 금박을 꿰뚫고 반대편에 모습을 나타냈다. 그런데 문제가 생겼다. 극히 일부분이기는 하나 몇몇 입자들은 금박에 부딪친 후 되 튀어나왔던 것이다. 러더퍼드는 경악했다. “내 생애의 체험 중에서 가장 믿기 어려운 일이었다. 그것은 마치 15인치 구경 대포알이 휴짓장에 맞고 되 튀어나와 나를 맞춘 것 같은 놀라운 일이었다.”

 

금박을 향해 쏜 수많은 알파 입자들이 마치 아무것도 없다는 듯이 금박을 통과해 반대편에 모습을 나타냈지만, 일부 몇 몇 입자들은 금박에 부딪쳐 되 튀어나왔다는 것은 무엇을 뜻하는가? 금박 안에 극히 좁은 부분이기는 하나 아주 무겁고 단단한 물체가 있으며, 여기에 원자 질량의 대부분이 몰려 있다고 결론짓고, 러더퍼드는 그것을 원자핵이라고 이름 지었다. 이리하여 러더퍼드는 인류 중에서 원자핵을 가장 먼저 발견하여 원자핵 시대를 열어 제친 사람이 되었다. 

 

원자핵의 크기는 얼마나 될까? 약 10^-13cm다. 원자의 100,000분의 1 정도다. 그럼 원자의 크기는 무엇으로 결정되는가? 원자핵을 중심으로 돌고 있는 전자 궤도가 결정한다. 고로 결론은, 원자는 그 부피의 10^-15(부피는 세제곱), 곧 1천조분의 1을 원자핵이 차지하고 그 나머지는 모두 빈 공간이란 말이다.지구상의 모든 물질을 원자핵과 전자의 빈틈없는 덩어리로 압축한다면 지름 200m의 공을 얻을 수 있다. 자연은 원자를 제조하는 데 너무나 많은 공간을 남용 했다고 해도 항말이 없을것 같다. 그야말고 색즉시공(色卽是空)이다. 문제는 이것뿐이 아니다. 

 

원자핵의 둘레를 돌고 있는 전자. 전자는 정말 골 때리는 존재다. 우주 안에 이보다 더 오묘한 존재는 달리 없을 것이다. 삼라만상을 이루는 가장 기본적인 입자가 이 전자다. 가장 단순한 원자로 우주 물질의 90%를 차지하는 수소 원자는 한 개의 양성자로 된 핵 주위에 전자 한 개가 돌고 있는 구조다. 전자는 양성자 질량의 약 2,000분의 1인 10^-33g이다(1914년에 밀리컨이라는 귀신같은 사람이 이 기막힌 질량을 쟀다). 그러니까 물 1kg 속에는 3*10^25개의 전자가 들어 있는데, 다 합쳐봐야 0.3g밖에 안 된다는 말이다. 나머지는 모두 핵, 곧 양성자와 중성자의 무게다.

 

전자는 원자 속에서 어떤 운동을 하는가? 핵 크기의 10만 배쯤 되는 바깥 공간을 맹렬한 속도로 돌고 있다. 얼마만한 속도로? 무려 초속 2,000km다. 10^-8cm 크기의 원자 속에서 이런 속도로 돌아다닌다면 그 운동 궤적은 이미 하나의 막이라고 봐야 할 것이다. 그래서 전자구름이라고 하기도 한다. 모든 원자는 이런 전자구름으로 싸여 있는 것이다. 우리가 걸상 위에 앉아 있는 것은 기실 전자구름 위에 올라앉아 있는 셈이다. 원자의 내부가 거의 공간임에도 우리 엉덩이는 결코 핵자에 닿지 못한다. 음전하를 띤 살 원자의 전자와 나무 원자의 전자가 서로 강력하게 밀어내기 때문이다. 당구공이 서로 부딪치는 것도 마찬가지다. 만약 전자구름이 없다면 두 당구공은 서로를 관통해 지나갈 것이다. 마치 유령처럼, 또는 우주공간에서 서로 관통해가는 두 은하처럼. 우리가 서 있거나 앉아 있거나 만지거나 간에 그것들은 모두 전자구름이다. 말 그대로 우리는 구름 위의 인생인 셈이다.

 

전자로 하여금 원자핵 둘레를 그처럼 맹렬하게 돌게 하는 힘은 무엇일까? 전자가 핵에서 멀리 탈출하지 못하고 붙잡혀 있는 것은 핵의 양성자가 양전하를 띠고 있기 때문이지만, 전자를 움직이는 힘은 가끔 손가락을 찌릿하게 하는 정전기력이다. 이 두 힘이 균형을 이룸으로써 일정 거리를 유지하면서 전자가 운동하는 것이다. 만약 이 정전기력이 사라진다면 우주의 모든 원자는 한순간에 핵자와 전자의 먼지로 변하고 말 것이다. 그러나 다행히 그런 일은 일어나지 않는다. 우리는 전기에 마땅히 감사를 표해야 할 것이다.

 

수소 원자를 만드는 것은 실로 간단하다. 양성자 하나에다 전자 하나를 가져가면 저들끼리 철썩 들러붙어 수소 원자가 된다. 그런데 수소 원자는 지구의 것이든 안드로메다은하의 것이든 모두 지름 10^-8cm로 크기가 일정하다. 왜 이렇게 원자는 안정적인가? 이것이 20세기 초 20년간 물리학자들의 골머리를 썩였던 문제였다. 보어는 “소수 원자의 크기가 똑같은 것은 기적이다”라고까지 말했다.

 

전자가 특정 궤도를 돌면서 에너지를 잃고 핵으로 추락하지 않는 이유는 그의 제자 하이젠베르크가 불확정성 원리로 밝혀냈다. 불확정성 원리란 운동하는 물체의 위치와 속도를 동시에 정확하게 알 수 없다는 이론이다. 속도를 알게 되면 위치를, 위치를 정확히 알게 되면 속도를 놓치게 된다는 이 이론은 관측기술상의 문제가 아니라, 물질의 필연적인 속성이다. 이 불확정성 원리와 함께 모든 계는 최저 에너지 상태로 머물려 하는 경향에 힘입어 원자의 안정성이 확보되는 것이다. 원자의 안정성이란 심오하다. 이 원자의 안정성 때문에 우리의 키가 하룻밤 새 170cm에서 200cm로 늘어나지 않으며, 물체들이 일정한 형태를 유지하고, 생명체가 한정된 수명을 살다 죽을 수 있는 것이다. (더욱 자세한 내용을 알려면 양자이론을 알아야 하지만 이 글의 목적이 아니라 생략한다)

 

전자가 그렇게 애지중지 끼고도는 핵이란 어떤 존재일까? 가장 간단한 수소 원자의 핵은 한 개의 양성자이다. 양의 전하를 띤 양성자가 음의 전하를 가진 전자 한 개를 붙잡고 있는 것이다. 이것이 대우주의 모든 물질 중 90%를 차지하고 있는 수소다. 핵자 중에는 또 중성자란 게 있다. 전기력은 없지만 질량은 양성자와 똑같다. 이것이 강한 핵력으로 양성자와 결합되어 있다. 수소에 중성자 하나가 결합하면 수소와 비슷하나 두 배 무거운 원자를 만든다. 이것이 바로 중수소다. 중수소가 산소와 결합하면 중수(重水)가 된다. 물과 똑같지만 밀도가 조금 크다. 바다에 물 분자 1만 개 중 하나 꼴로 중수가 있다. 

 

우주 안에서 수소 다음으로 흔하면서 단순한 원소로 헬륨이 있다. 헬륨의 핵은 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어져 있고, 그 주위를 두 개의 전자가 돌고 있다. 수소와 헬륨을 합치면 우주 내 물질의 약 99%를 차지한다. 양성자가 세 개인 원소는 리튬이다. 이처럼 양성자가 늘어날 때마다 새로운 원소가 만들어진다. 이처럼 양성자는 원소의 정체를 결정하고 양성자 수만큼 늘어나는 전자는 원소의 개성을 결정한다. 우라늄은 146개의 중성자와 92개의 양성자, 92개의 전자로 되어 있다. 자연계에 존재하는 92개의 원소들은 모두 이렇게 하여 만들어졌다. 그리고 수소 외의 모든 원소는 뜨거운 별 속에서 제조되어 우주 공간으로 흩뿌려지고, 그것들이 지구와 인간 등 뭇 생명체를 빚어냈다는 사실을 기억해야 할 것이다.

 

인류 역사상 최고의 천재로 알려진 뉴턴이 한때 뜬금없는 일에 종사했던 적이 있었다. 바로 연금술이었다. 봄, 가을로 약 6주간씩 그의 실험실 불이 꺼지지 않았다고 한다. 그는 특히 납으로 금을 만들 수 있다고 믿었다. 그는 납, 구리, 비소, 수은 등을 가지고 스토브에 가열시켜 가스로 변환시키고, 연기를 들이마시고, 때로는 맛을 보기까지 했다. 그러나 당연히 성공하지 못했다.

 

납과 금의 차이는 무엇인가? 두 원소는 원자 구조가 놀랍도록 닮았다. 금의 원자는 118개의 중성자, 79개의 양성자, 79개의 전자로 되어 있고, 납은 126개의 중성자, 82개의 양성자, 82개의 전자로 이루어져 있다. 납 원자핵 안의 3개 더 있는 양성자가 열쇠를 쥐고 있다. 이들이 전자 3개를 더 끌어와 결과적으로 누런 금덩이를 만드는 것이다. 그러니 뉴턴이 아무리 납을 가열하고 혼합해도 그것은 납의 거죽만을 주무른 꼴이며, 문제의 심장인 핵을 때리지 못했던 것이다. 부질없는 야심으로 중금속과 오래 동거하는 바람에 뉴턴은 때때로 정신이상 증세를 보이기까지 했다. 사람들은 그것이 거의 수은 중독 때문이라고 보았다. 

 

여담이 길었지만, 우리는 뉴턴과는 달리 다시 핵심을 찔러보자. 핵 안에 들어앉아 있는 양성자와 중성자는 전자와 함께 물질을 구성하는 기본 입자로 물질 입자라 하기도 한다. 전자가 더 이상 쪼갤 수 없는, 즉 하부구조를 갖지 않은 기본물질인 데 반해 양성자와 중성자는 각각 전자의 약 2,000배 질량을 갖고 있을 뿐만 아니라, 하부구조를 가진 보따리라는 사실이 1960년대 중반에 밝혀졌다. 그 하부구조가 다름 아닌 쿼크(Quark)라는 입자다.

 

안정된 핵 물질을 짓는 데는 두 종류의 쿼크(Quark)가 필요하다. 이를 각각 업(u)쿼크(Up Quark)와 다운(d)쿼크(Down Quark)라 한다. 한 개의 양성자는 두 개의 u쿼크와 한 개의 d쿼크로, 중성자는 두 개의 d쿼크와 한 개의 u쿼크로 지어져 있다. 전하를 띠고 있는 쿼크는 전기와는 무관한 세 가지 전하를 띠고 있는 것으로 알려졌는데, 쿼크 종류만 해도 6가지나 되고, 그밖에 바리온, 중간자, 렙톤 등, 물질을 구성하는 기본 입자들의 수는 수십 가지나 된다. 이들의 복잡한 작용과 성질에 대해서는 물리학자들에게 맡겨두기로 하고, 궁극적인 물질인 쿼크의 성질을 잠시 살펴보도록 하자. 어쩌면 여기에 물질과 우주의 신비가 숨어 있을지도 모르니까.

 

먼저 이 u쿼크와 d쿼크가 전자와 함께 결합하여 이 세 가지 물질이 은하와 별, 행성, 식물과 동물, 인간 등등, 다양하기 짝이 없는 삼라만상의 모든 것을 조립해내고 있다는 것은 참으로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 그러나 이것은 엄연한 사실이다. 80kg의 몸무게를 가진 인간은 u쿼크 7*10^28개, d쿼크 6.5*10^28개, 전자 2.5*10^28개로 이루어져 있다. 그래서 파인먼은 이렇게 말했다.

 

생물학 분야에서 가장 중요한 가설은 ‘동물이 하는 일은 원자도 한다.’는 것이다. 살아 있는 생명체의 모든 행위는 그 생명체들이 물리법칙을 따르는 원자들로 이루어져 있다는 관점으로 모두 이해될 수 있다. 위치마다 다르고, 반복되지 않는, 그리고 온갖 종류의 원자들이 다양하게 배열되어 수시로 변하는, 그런 복잡하기 짝이 없는 배열로 이루어진 물질(곧 사람)이 제대로 작동한다는 것은 얼마나 기적 같은 일인가?

 

파이먼의 말을 거칠게 요약한다면, 세계와 그 안의 모든 생명체 현상은 한마디로 물질들의 소동에 다름 아니라는 것이다. 물론 인간이란 40억 년에 걸친 지구의 역사 속에서 수소와 산소, 탄소를 가지고 생화학 법칙에 따라 진화 발전되어 특수한 분자들을 형성한 전자와 쿼크들의 대단히 특수한 조합이긴 하지만. 이처럼 우주 안의 모든 물체는 우주의 오랜 역사와 환경과 뗄 수 없는 관계를 맺고 있다. 우주 공간을 떠도는 외로운 수소 원자 하나도 우주 역사의 산물인 것이다.

 

최후의 물질, 쿼크는 현재까지 알려진 바로는 내부 구조가 없는, 즉 더 이상 쪼갤 수 없는 궁극적인 기본입자다. 그러나 쿼크는 양성자와 중성자 안에서만 존재할 수 있을 뿐, 자유로운 입자로 분리될 수 없는 것이다. 양성자 자신은 공간을 자유롭게 이동할 수 있지만, 그 안의 세 쿼크는 항상 다른 두 동료와 함께 행동한다. 그래서 아직까지 독립적인 입자로서 존재한다는 증거는 하나도 발견된 적이 없지만, 입자 가속기를 통해 그 존재를 확인할 수는 있다.

 

이론적으로 양성자 안의 세 쿼크를 떼어놓을 수는 있다. 쿼크들 사이의 거리는 보통 10^-13cm인데, 이를 약 1cm 떼어놓으려면 1톤 무게의 바위를 1m 높이로 들어 올리는 데 필요한 에너지가 든다. 이 엄청난 힘이 바로 핵력이다. 이 힘은 우리의 상상을 뛰어넘을 만큼 강하여 핵자들을 끌어당겨 1cm^3당 10억 톤의 밀도를 가진 초고밀도 물질을 만들 수 있다. 이 핵력이 만약 일시에 사라진다면 우리 몸은 물론, 우주의 모든 원자들이 붕괴되어 종말을 맞을 것이다.

 

핵력과 함께 원자 속에 작용하여 외부 전자를 끌어들이고 베타 붕괴를 일으키는 약력이 있고, 그 다음으로 전기력이 있다. 전기력은  핵력의 약 100분의 1로, 전자를 원자 속에 묶어두고 원자들을 결합시켜 고체로 만드는 역할을 한다. 그리고 미미하나마 원자에 작용하는 중력이 있다. 힘의 세기는 핵력의 10^-40에 지나지 않는다. 이 값은 정말 작은 것이다. 지구 5대양의 모래알 수가 10^24개라는 것을 생각하면 짐작이 갈 것이다. 하지만 이 힘이 낙상하는 사람의 골반 뼈를 부러뜨리기도 하니 결코 작은 힘이 아니다. 작다니, 행성을 태양 둘레로 뺑뺑이 돌리고, 수십만 개의 항성을 가진 구상성단을 뭉치고, 거대한 은하를 빚어내는 위력을 가진 것이 바로 다름 아닌 이 중력이다.  파인먼은 구상성단 사진을 보고도 중력을 느끼지 못하는 사람은 영혼이 없는 사람이라고 말했다.

 

가장 작은 원자핵에서 수십만 광년 크기의 은하에 이르기까지 이 대우주에 작용하는 힘은 강력(핵력), 전기력, 중력, 약력 이 4가지뿐이라는 사실은 정말 놀라운 일이라 하지 않을 수 없다.

힘의 크기순으로 줄 세우면, 강력(1)>전기력(10^-2)>중력(10^-14)>악력(10^-40)>이 된다. 괄호 안의 숫자는 강력을 1로 할 때 힘 크기의 비율이다.

 

다시 쿼크로 돌아가자. 핵력으로 뭉쳐진 쿼크를 분리해내려면 엄청난 힘이 필요하다고 했지만 그것도 이론일 뿐, 실제로는 쿼크의 분리 자체가 불가능하다. 핵력을 매개하는 중간자는 쿼크와 반쿼크(anti-Quark)가 결합되어 있는 구조다. 이 두 쿼크를 떼어놓으려면 엄청난 에너지를 쏟아 부어야 한다. 그런데 에너지는 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc^2에 따르면 질량으로 전환될 수 있다. 쏟아부은 에너지는 진공속에서 새로운 쿼크-반쿼크쌍들을 만들어낸다. 그리고 처음의 두 개 쿼크를 묶고있던 사슬이 끊어지지만 이들과 결합하여 또 다른 중성자들을 짓는것이다. 따라서 쿼크의 분리는 원칙적으로 불가능한 것으로 밝혀졌다.

 

궁극의 물질로 알려져 있는 쿼크. 이것은 동료끼리 결합해야만 존재할 수 있는 것으로, 결코 떼어낼 수 없는 물질이다. 더 이상 쪼개는 일이 무의미해지는 경계에 존재하는 궁극의 물질 쿼크는 물질은 무엇이든 쪼갤 수 있다고 믿는 우리의 상식을 거부하는 물질인 것이다.

 

데모크리토스는 원자는 더 이상 쪼개질 수 없으며 영원불변이라고 말했다. 그러나 오늘에 와서 우리는 원자는 쿼크와 전자라는 벽돌로 이루어진 구조물이라는 것을 알고 있다. 물질의 궁극적 입자인 쿼크와 전자도 데모크리토스의 말처럼 영원한 존재는 아니다. 그것들은 모두 빅뱅 직후에 생겨났으며, 시간이 지남에 따라 복사를 방출하여 자연발생적으로 붕괴될 것이며, 우주의 진화에 따라 약 10^40년 뒤에는 우주에서 거의 자취를 감추게 될 것이다. 삼라만상의 모든 것들이 그렇듯이 물질의 궁극적인 구성요소에게도 창조와 소멸은 피할 수 없는 운명인 것이다. 

 

 

출처 http://blog.naver.com/joand999/120101320068

 

산과바다 이계도