스크랩 진기한 알갱이: 넷의 상호작용들(17)

[호민관]

진기한 알갱이: 넷의 상호작용들(17)

상호작용

   지난 번 글은 자연에 있는 넷(중력, 전자기력, 강력 그리고 약력) 힘들을 잠시 들먹이다말았다. 일본 도쿄 아들집엘 가려고 미리 일정을 잡아둔 탓에 여행을 서둘다보니, 그것들을 한 컷의 그림 위에다 그려놓고 설명하다 말았다. 그들이 어떻게 서로 달리 나눠지냐를 살핌은 또 다른 문제일 것이다. 우리가 소중히 여기야 할 우주는 근본 성분들인 쿼크들 그리고 렙톤들로 채워졌고, 자연의 넷 힘들은 그들이 서로 부딪쳐서 생겨난다.

   우리는 그 넷의 힘들을 넷의 '상호작용'들이라 부르기도 한다. 힘이라면 그뿐일 터인데 “상호작용”이란 어려운 낱말을 써야하는 까닭이 따로 있다. 구두창이 땅에 갈려 닳게 되는 마찰력, 자석이 쇠붙이를 끌어당기는 자성, 사과를 나무에서 땅으로 떨어지게 하는 중력, 방사성 동위원소들에서 튀겨나는 방사선들, …그런 예를 들자면, 한도 끝도 없는 자연현상들이 우리주변에 늘려있다.

   ‘힘’ 또는 ‘상호작용’은 경우에 따라 서로 뒤바꿔 불러도 크게 문제 삼을 일은 아닐 것이다. 그 둘의 뜻 그리고 서로의 차이점들은 분명히 알고 써야 할 것이다. 자성 그리고 중력은 우리주변에서 쉽게 경험할 수 있는 자연의 힘들이다. 하지만 태양이 지구를 끌어 댕겨 생겨나는 중력을 쉽게 설명하기란 여간 어렵지 않다. 둘 사이가 워낙 멀리 떨어져 서로 견줘볼 방법이 없기 때문이다.

   서로 맞닿아 일을 내는 것이 상호작용(interaction)이다. 삼성생명이 낸 한 “애니카 TV 광고” 장면이 생각난다. 차를 몰던 두 여성들이 갑자기 각기 몰던 차를 세우고 자기 차에서 내린다. 서로끼리 마주보며 화를 내고 눈총 쏘며 한끗 상을 찌푸리다  서로 힘겨루기를 시작한다. 곧바로 둘은 서로 내탓이라면서 화해하는 모습이 인간답게 느껴진다. 그런 일은 우리가 일상생활에서 자주 경험한다. 둘의 힘겨루기가 바로 둘 사이의 상호작용들이고, 둘의 화해로 힘겨루기의 상호작용은 끝난다. 다음 글귀는 ‘힘’의 설명이다.

   “본래의 성질에서, 한 힘은 알갱이들에 우연한 것은 결코 아니다. 그것은 두 알갱이들 사이에서 건네지는 한 사건이다(At a fundamental level, a force isn't just something that happens to particles. It is a thing which is passed between two particles.” 《Particle Adventure》

   오랫동안 물리학자들이 고심해온 것은 자연에 있는 물질들이 서로 맞닿지 않아도 힘겨루기가 일어나는 까닭을 모르고 있었다. 예컨대, 아래 그림처럼, 두 자석들을 놓고 생각해보자. 둘을 같은 극들끼리 서로 마주치면 서로 밀어내는 힘이 생겨난다.

   광물이 자성을 띠고 있는지를 알아보는 실험은 실험용 말굽자석(자석을 한 말굽모양으로 휘게 만든 것)으로 쉽게 가름한다. 그것의 크기는 어른 주묵의 반쪽쯤 된다. 그리고 그것이 가진 자기력선은 1 G(가우스; 자기력선 세기의 단위)나 된다. 같은 세기의 두 개 말굽자석들을 양손에 맞잡고 양쪽의 같은 극들끼리 서로 맞닿게 하려고 아무리 용을 썼어도 허사였다(제가 한국지질자원연구원에 있을 때 경험).

보이질 않는 효과(Unseen Effect)

   《Particle Adventure》에서는 '힘 나르개 알갱이(force carrier particle)'들에 관한 예를 들고, 쉽게 설명한다. 아래 글은 거기에 영문으로 쓰인 설명을 한글로 번역한 글이다. 설명이 좀 길긴 하지만, 힘을 이해하는 데 도움이 될 것이다.

   두 사람들이 한 연못의 얼음판 위에 마주 보면서 가까이 서서 한쪽이 두 팔에 힘을 주어 앞으로 세차게 밀치는 시늉을 하고, 상대방도 같은 시늉을 한다. 뒤따라 보이지 않는 운동량이 서로의 사이를 벌어지게 한다(동영상 참조: 아래 웹주소에 있음). 비록 배구공을 볼 수 없을 지라도, 한 사람이 상대에게 볼을 던진 것을 상대의 효과로써 추정할 수 있다. 물질 알갱이들에 작용할 모든 상호작용들은 모두가 다른 모양새인 힘 나르개 알갱이들을 서로 교환하기 때문이다. 이들 알갱이들은 물질 알갱이들(농구선수들) 사이에서 서로 주고받는 배구공들과 같다. 우리가 보통으로 “힘들”이라 생각하는 것은 실제로 물질 알갱이들에 관한 힘 나르개 알갱이들의 효과들이다. 

http://particleadventure.org/frameless/unseen.html

   물론, 배구경기의 활기는 달랑 밀힘들 만을 설명하면서 알갱이들이 끌힘들을 어떻게 서로 교환하는 지의 힌트를 주지 않으므로 한 아주 조잡한 유추법(a very crude analogy)이다.

   매일 생활에서 끌힘들(말하자면 자성 그리고 중력)의 예들을 보면서, 대개 한 대상이 있기에 바로 다른 대상에 작용하는 것임을 당연한 일로 여길 수 있다. “어떻게 두 대상들이 서로 접촉 없이 영향을 미칠 수 있을까?”의 의문을 가지고 깊이 접근할 때, 우리는 눈에 띄질 않은 힘은 힘 나르개 알갱이들의 교환이었음을 제안한다. 아마도 물리학자들은 믿기지 않을 정밀성으로 이들 힘 나르개 알갱이들을 서로 교환하는 것으로 다른 알갱이에 대한 한 알갱이의 힘을 설명하는 것임을 알고 있다.

   힘 나르개들에 관해 알아야 할 한 가지 중요한 사실은 한 특정한 힘 나르개 알갱이가 그런 특정한 힘으로 끌리는 물질 알갱이에 의해 흡수되고 그리고 생겨난다는 사실이다. 예컨대, 전자들 그리고 양자들은 전하를 가지므로 전자기 힘 나르개, 광자를 만들고 흡수할 수 있다. 한편, 뉴트리노들은 전하를 갖지 않으므로 광자들을 흡수 또는 만들어내질 못 한다.

/주승환 2008/09/03 07: 22