[펌.한국천체물리학연구원.2.12] 소립자 세계-우주의 기본적인 4가지 힘

[박희용]

소립자 세계> 기본적인 4가지의 힘

<[안내]태그제한으로등록되지않습니다-BGSOUND src="images/268.wav" loop=infinite> 물질의 기본적인 힘을 다룬 코너입니다.. 강력, 약력, 전자기력, 중력을 다루고 있습니다. 더욱 심화적인 내용을 원하시면 missboy7@lycos.co.kr로 메일을 보내주세요.. 소립자들 사이의 기본 상호작용 소립자론(小粒子論)에서 물질 구조의 질서를 유지하려는 힘이나 소립자 상호간의 충돌에 의해서 일어나는 현상. 불안정한 소립자의 자연붕괴 등은 소립자 사이에 작용하는 몇 종류의 기본적인 힘 때문에 일어나는 현상으로, 이것을 기본상호작용이라고 합니다. 전자기적 상호작용·강한 상호작용·약한 상호작용·중력상호작용 등은 모두 기본상호작용이라고 합니다. 우주가 처음 탄생한 직후 원래 힘은 하나였답니다. 물질이 존재하지 않았으니 모든 힘이 존재할 수 없었겠죠. 그 하나의 힘을 초힘이라고 부른답니다. 그런데 힘이 각각 분리되어 나가게 됬습니다. 이것을 힘의 상전이라고 부른답니다. 그래서 지금은 4개의 힘만이 존재하고 있답니다. 운동에너지, 위치에너지 등등의 말을 들어보셨는데 왜 4개밖에 없냐고요? 그것은 에너지와 힘이 다르기 때문입니다. 에너지는 크기만 같는 스칼라인데 힘은 방향도 갖는 백터이기 때문입니다. 다시 말해서 힘과 에너지는 개념이 틀린 것이죠.   강한 상호작용 - 강력 강력(강한 상호작용): 2개의 소립자가 약 10-15m의 거리에 있을 때 작용하는 힘 또는 상호작용 강력에 대한 부연설명 2개의 소립자가 약 10-15m의 거리에 있을 때 작용하는 힘 또는 상호작용을 말한다. 자연계에서 발견되는 입자간의 상호작용은 그 세기에 따라서 강한상호작용 ·전자기적 상호작용 ·약한상호작용 ·중력상호작용의 4가지로 분류할 수 있다. 그 중 강한상호작용과 전자기상호작용의 가장 큰 차이점은 강한상호작용을 매개하는 입자인 글루온은 색깔을 전달지만 전자기상호작용을 매개하는 광자(빛)는 그 자체가 절대 색깔전하를 매개할 수 없다는 것이다. 강한상호작용에는 원자핵 속의 핵자(核子:양성자와 중성자), π중간자와 핵자, Λ입자와 핵자, K중간자와 Σ입자의 상호작용 등이 있다. 강한상호작용 도달거리는 10-15cm이다. 쿼크 모형에서는 이들 입자의 구성요소인 쿼크(quark)가 글루온(gluons ; 접착자)을 흡수 또는 방출하는 과정에서 강한상호작용이 일어난다. 쿼크와 글루온들은 색깔전하를 교환하는 입자들이다. 전하량을 띤 물체들이 광자를 매개입자로 힘을 교환하는 것처럼 색깔전하를 띤 쿼크들은 글루온이라는 매개입자를 교환하여 강한상호작용을 한다. 이 작용에 의하여 색깔전하를 띤 입자들은 접착(glued)된다. 예컨대, 핵력은 양성자와 중성자를 구분하지 않고 인력으로 작용한다. 핵력은 가까운 거리까지만 작용하고 멀어지면 급격하게 힘의 크기가 약해진다. 핵력은 다른 상호작용에 비하여 제일 강하므로 강한상호작용이라고도 한다 글루온: 글루온은 강한 상호작용을 매개하는 쿼크 사이의 소립자 기호 g, 질량 0, 전하 0, 전자스핀의 크기는 1이다. ‘글루’는 아교를 뜻한다. 소립자 중 강한상호작용을 하는 강입자족(양자 ·중성자 ·π중간자 등)은 쿼크나 반쿼크가 결합된 복합입자로, 이들 사이의 힘은 글루온의 교환에 의해 발생한다. 글루온에는 ‘색전하(色電荷)’라는 양자수(量子數)가 있다. 광자(光子)는 전하를 띠는 입자와 전하를 통해서 상호작용을 하고, 이들 대전입자 사이의 전자기력을 매개한다. 이와 마찬가지로 글루온은 색전하를 가진 입자, 즉 쿼크 ·반쿼크 및 다른 글루온과 색전하를 통해서 상호작용을 한다. 그 결과 생긴 힘은 색전하를 지닌 입자 사이의 거리가 강입자가 퍼진 넓이 정도로 클 경우에는 매우 강하여, 그 때문에 쿼크 ·반쿼크 ·글루온은 강입자 내부에 갇혀버리는 것으로 생각된다. 양자색역학의 게이지입자가 글루온이다. 글루온은 강입자 내부에 갇혀 있으므로, 직접 입자로서 관측할 수는 없으나, 간접적이기는 하여도 실험을 통해서 앞서 서술한 것과 같은 성질은 확인될 수 있다. 약한 상호작용 - 약력 약력(약한 상호작용): 소립자 사이의 붕괴 현상 약력에 대한 부연설명 약한상호작용에 의해 일어나는 현상으로서는 β붕괴, 핵외(核外) 전자의 전자포획, μ입자의 원자핵에 의한 포획, π중간자의 μ붕괴, 중성미자(中性微子) 포획에 의한 역β붕괴와 같은 경입자(렙톤)가 관계한 현상과, K중간자의 π중간자로의 붕괴와 같이 경입자가 관계하지 않은 현상의 2종류가 있다. 약한 상호작용이 일어나는 이유는 페르미 상호작용과 관계가 깊다고 하는데 나는 잘 이해할 수가 없다. (죄송..) 전자기적 상호작용 - 전자기력 전자기력: 전하를 가지는 입자(또는 場)와 광자(光子:또는 전자기장)의 상호작용. 전자기력에 대한 부연설명 중력상호작용·강한상호작용·약한상호작용과 함께 자연계의 기본상호작용 중 하나이다. 전하의 크기는 이 상호작용의 세기를 나타내는 것이다. 상대적인 세기는 강한상호작용의 1/10 정도이다. 전자기적 상호작용에 의해서 전하와 전하 사이에는 원거리력이 작용한다. 이런 뜻에서 중력과 마찬가지로 전자기력은 경험적으로 가장 오래 전부터 알려져 있었다. 다만, 초기에는 전기현상과 자기현상을 전혀 관계가 없는 본성이 다른 것으로 간주했었다. 이러한 입장은 전류의 자기작용에 관한 외르스테드의 발견(1820)까지 계속되었다. 이 발견으로 전기력은 전하에, 자기력은 전하의 운동에 의하는 것으로서 상관관계가 확립되었는데, 이런 종류의 힘은 모두 뉴턴역학에서의 중력과 같은 원격작용력으로 간주되었다. 전자기력에 대한 연구에서 특수 상대성이론이 출범하였다. (이유는 관측자에 따라서 자기력과 전기력에 판단 기준이 바뀌어버리기 때문이다. 그리고 맥스월의 방정식에서 빛의 속도를 넘어서는 가속은 있을 수 없다는 사실과 빛의 속도는 어디에서 보나 30만km/s 로 일치한다는 사실이 나왔는데 이 것들은 특수 상대성이론의 밑바탕이 되었다.) 전자기력에 대한 보충설명: 전자기력은 실생활에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 전기력과 자기력은 서로 같은 것으로서 광자의 매개에 의해서 생겨납니다. 그렇기 때문에 전자기파가 빛의 일종이된거죠. 중력 상호작용 - 중력 중력: 행성이나 항성과 같은 천체 사이에 작용하는 힘, 힘의 원인은 질량은 가진 물질에 의한 공간의 휨 때문이다. 중력에 대한 부연설명 케플러가 발견한 행성(行星)의 운동에 관한 세 법칙을 기본으로 하여 1665년 I.뉴턴이 귀납적(歸納的)으로 발견하였다. 뉴턴은 이 이론을 근거로 하여 그 당시 알려져 있던 행성의 운동을 해명했을 뿐만 아니라 조석(潮汐)의 문제와 혜성의 문제 등을 다루고, 자연계에서 일어나는 운동의 여러 현상을 만유인력(萬有引力)과 운동법칙에 의해 통일적으로 파악하는 역학적 자연상(自然像)을 전개하였다. 중력은 물체와 지구 사이에 작용하는 만유인력의 한 예이다. 그러나 뉴턴은 만유인력을 아주 먼 거리에 있는 물체들 사이에도 작용하는 힘으로 생각했을 뿐이며, 그 힘이 생기는 원인에 대해서는 설명하지 않았다. 이 문제는 1915년 발표된 A.아인슈타인의 일반상대성이론에서 질량을 가진 물체 주위에 생기는 공간의 구부러짐으로 파악되었다. 이 이론은 수성의 근일점(近日點) 이동, 태양 부근의 강력한 만유인력에 의한 별빛의 휨 등 몇 가지 천문학상의 사실을 설명하는 데 성공하여 가장 믿을 만한 이론으로 인정되고 있다. 【만유인력의 법칙】 F=Gmm'/r^2 (G= 만유인력의 상수 = 6.67259×10^-11 N ·m^2 ·kg^-2) 중력에 대한 보충설명: 중력이 생기는 원인은 중력자의 주고받은 때문이라는 소리도 있습니다만 그래도 아인슈타인의 일반상대성이론이 더 유명합니다. 다시 말해서 시공이 휘어져있기 때문에 중력이 생긴다는 것이죠.