제2장: 근본적인 힘과 상호작용에 따른 시공간(7)
이 세상을 구성하고 있는 가장 근본적인 형태와 움직임에 관해
그렇다면 시간과 공간으로서 모든 존재의 근간이 되는 확률적 시공간과 실체적 시공간은 빛을 포함한 모든 존재를 이루는 원자, 양자와 함께 어떤 형태와 움직임을 가지고 있는 것일까요? 이 세상을 구성하는 가장 근본적인 형태와 움직임은 무엇이며 어떻게 표현할 수 있을까요?
시간과 공간을 확률적/실체적 시공이 이루고 있고, 이것이 원자와 양자 간의 상호작용으로 존재한다면 이 4가지는 끊임없이 상호작용하면서 서로의 존재를 증명할 수 있어야 할 것입니다. 하나라도 없으면 전체가 증명되지 않는 것으로서 더 이상 이들의 존재를 증명하는 근본적인 무언가는 존재하지 않음을 의미합니다. 서로가 서로를 증명할 때 존재할 수 있는 존재(형태와 움직임을 가진 시스템)에게 있어서 이를 보다 근본적으로 증명하는 존재는 모순되기 때문입니다. 이 존재는 서로를 증명하고 어떤 시공간 기준이 존재하지 않는 우주를 담고 있는 만큼 어떤 기준 없이 모든 방향에서 상호작용이 이루어져야 할 것입니다. 이 존재를 이루는 각각의 요소들은 양방향 상호작용을 통해 어떤 모순 없이 온전히 이 존재(시스템 전체)를 설명할 수 있어야 하는 것입니다. 이 모든 것들을 만족시키면서 표현할 수 있는 방법은 바로 순환이 됩니다.
*이 글에서 원자와 양자의 차이에 관해, 그리고 양자들이 원자를 이루는 이유
원자: 온전히 자체적인 확률적/실체적 시공간을 형성한 존재이다. 독립적인 시공간을 형성하고 있는 것으로 온전히 자신의 존재를 실체와 확률의 중첩으로 유지할 수 있으며 빛을 통해 상대적인 위치를 결정지을 수 있다.
양자: 분명 실체적 입자를 이루고 있지만 ‘불완전한 확률적 시공간 = 실체적 존재와 온전히 중첩을 이루지 못한 시공간’(전하를 가져 전기력을 띄고 있지만 온전히 유지되는 자기장이 없어 자체적인 전자기력을 갖지 못한 상황 = 끊임없이 공간(위치)이 시간(파동)에 의해 변화되는 상황)을 가진 존재이다. 자체적인 시공간을 온전히 형성하지 못한 것으로 끊임없이 주변의 다른 양자들과 실체적/확률적 힘을 주고받으면서 자신의 불완전한 실체적/확률적 시공간을 증명하며, 완전한 시공간(원자)을 이루는 방향으로 움직인다. (완전한 시공간을 왜 이루려는 것이며 이것의 기준이 무엇인지는 뒤에서)
그렇다면 이렇게 확률적 시공간과 실체적 시공간이 하나로 중첩되어 존재하는 시공간을 이루는 물질(형태/크기)과 에너지(움직임)는 무엇으로 어떻게 이루어져 있기에 우주라는 거대한 시공간을 형성하고 스스로의 존재를 증명하고 있는 걸까요? 이를 알기 위해 우주를 구성하는 기본입자(페르미온)와 근간이 되는 4개의 힘 그리고 이 힘을 결정하는 매개입자(보손)에 대해 알아봤습니다.
현재까지 발견한 기본입자는 12개로 이루어져 있으며 양전하와 음전하로 이루어져 있습니다. 그리고 움직임의 근간이 되는 4개의 힘과 매개입자는 질량을 가진 두 존재가 서로 상호작용하면서 당기는 힘(중력)과 미는 힘(전자기력), 유지하려는 힘(중성자가 양성자와 중성자를 묶어 그 상태를 유지하는/강력)과 변하려는 힘(중성자가 베타붕괴로 인해 양성자로 변환됨/약력)을 가지고 있습니다. 이러한 상반된 힘의 특징은 순환에 부합되는 것으로, 기본적인 힘과 입자들이 각각 이 우주에서 어떤 역할을 하고 왜 이런 역할을 갖게 되었는지를 위에서 정립한 실체적/확률적 순환에 따라 해석해 본다면 알 수 있을 것입니다.
모든 존재를 이루고 있는 원자는 기본적으로 실체적 시공간 특징에 따라 실체적 형태(공간)를 이루고 있는 핵을 가지고 있어야 할 것이며, 이 핵은 원자라는 존재의 기준으로써 어떤 양자보다도 무거워야 할 것입니다. 원자의 이중성을 이루기 위해서는 확률적 시공간(파동)을 형성할 움직임을 가져야 하고, 이 움직임은 원형의 파동으로서(위치에 대한 정보를 가져야 하기에) 존재해야 하므로 원자는 끊임없이 핵을 중심으로 어떤 존재의 동그란 움직임이 될 것이기 때문입니다. (파동은 반복적인 형태의 움직임에서 나온다.) 여기서 이 원형의 움직임에 의해 원자핵이 쉽게 움직이거나 변형된다면 어떤 원자도 이루지 못하기에 원자의 핵은 양자 단위에서 가장 무거운 질량과 에너지로서 쉽게 변화될 수 없어야 하는 것입니다.
그리고 확률적 시공간에 따라 이 중심핵이 자신보다 훨씬 작은 질량의 존재를 묶어 끊임없는 원형의 움직임을 형성해야 합니다. 입자들을 모아주는 중력만이 아니라 입자들 간의 전기적 상호작용이 발생되어야 하는 것입니다. 여기서 원자핵은 하나의 전하를 가진 양자로서 원자핵을 기준으로 도는 작은 질량의 존재는 상반된 전하를 가진 존재가 됩니다. 원자는 모든 존재를 이루는 존재인 만큼 안정된 중성의 특징을 가져야 하고 다른 상반된 힘(척력, 인력 = 전자기력을 증명하는 힘)을 담아내야 하기 때문입니다. 이는 중력보다 훨씬 강하게 전자기력이 작용하여 원자핵이 상반된 전하를 가진 전자를 묶어야 함을 의미합니다. 만약 질량을 통한 중력이 더 강하게 작용한다면 전자는 원자핵에 붙어버려 어떤 움직임도 갖지 못할 것이기 때문입니다. 그러나 전자기력이 더 강하게 작용한다면 전자기적 특징에 따라 인력과 척력을 행사할 수 있으므로 끊임없는 움직임을 가질 수 있는 여지가 존재하게 됩니다. 이는 원자핵과 전자를 이루는 실체적 입자들의 질량이 가진 중력보다 전자기력이 더욱 강한 것으로 원자는 원자 전체 무게에서 매우 작은 크기와 질량을 가진 원자핵과 전자로 이루어져 있음을 의미합니다. 그럼에도 원자핵은 실체적 시공간 특징에 따라 전자보다는 훨씬 큰 질량을 가질 것입니다. 정리하면 전자보다는 무겁고 크지만 그래도 원자에 비해 매우 작고 가벼운 원자핵이 전자기력을 통해 주변의 상반된 전하를 가진 더욱 작은 크기와 질량을 가진 입자를 자신을 중심으로 묶을 수 있는 힘을 갖는 것입니다. 상대적으로 매우 큰 질량을 갖는 원자핵과 그 주위를 도는 작은 질량의 존재가 상반된 전하를 가진 채 전자기력을 행사하면서 원자는 존재하는 것입니다. 그리고 실제로 원자는 양성자(+)라는 가장 큰 질량을 가진 양자를 기반으로 한 핵을 중심으로 전자라는 상대적으로 매우 가벼운 질량의 -전하를 띈 전자가 주위를 돌고 있는 모습을 가지고 있습니다. 또한, 원자의 전체 질량에서 입자가 가진 질량은 1.13%에 불과하며 99.9999%가 비어 있습니다.
여기서 한 가지 의문을 가질 수 있습니다. 원자가 상반된 전하를 가진 양자로 이루어져 있다면 중력과 함께 전자는 원자핵에 붙어버려야 할 것입니다. 원자가 끊임없는 원형의 움직임을 가질 여지가 없는 것입니다. 전자기력에 따라 서로 반대되는 전하를 가진 양자는 인력으로 붙어버리고 중력 또한, 시공간의 휘어짐으로 질량들을 한 위치로 모으기 때문입니다. 이는 지금과 같이 모든 존재들이 끊임없이 중력과 함께 서로 부딪히면서 상호작용하고 있지만 시시각각 수축되지 않은 채로 형태와 크기를 유지할 수 있는 현실을 설명할 수 없습니다.
*만약 중력과 전자기력만이 존재했다면 우주의 모든 질량들은 지금과 같이 무수히 다양한 형태와 움직임을 가진 채 중첩되어 유지와 성장(결합)을 이루는 것이 아닌 BigBang 이후 빠르게 수축되었을 것이다. 전자 축퇴압(백색왜성을 존재하게 하는 힘), 양자 축퇴압(중성자별을 존재하게 하는 힘) 없이 급격하게 증가하는 중력에 따라 빠르게 뭉쳐지는 질량은 ‘찬드라세카르 한계’와 ‘톨만-오펜하이머-볼코프 한계’를 빠르게 지나쳐 블랙홀로 붕괴되는 것이다. 이는 별들의 폭발(척력으로 발생되는 슈퍼노바, 킬로노바 등)로 인해 이 우주에 기본적인 양자만이 아닌 양자들이 합쳐진 무거운 물질(인, 황, 철, 탄소, 질소, 산소 등등)들이 흩뿌려졌고, 이 물질들로 하여금 지금의 행성과 자연, 그리고 생명 등이 만들어졌다는 점에서 우리의 존재가 부정한다. 무엇보다도 이렇게 모이는 힘만이 존재한다면 애당초 BigBang과 같이 한 점에서 모든 질량들이 폭발과 같이 퍼져 나간 원인을 설명할 수가 없다. 즉, 존재하는 모든 물질과 현상을 설명할 수 없는 것이다.
*찬드라세카르 한계: 전자 축퇴압으로 백색왜성이 스스로 중력붕괴되지 않는 최대 질량
*톨만-오펜하이머-볼코프 한계: 중성자별이 존재할 수 있는 상한선, 중성자별은 찬드라세카르 한계와 톨만-오펜하이머-볼코프 한계 사이에 존재한다.
*전자와 양성자는 서로 구성된 입자가 다른 완전히 다른 양자로서 각자의 에너지를 유지한 채 붙어 있겠지만 어느 순간 중력의 에너지로 인해 전자와 양성자가 합쳐져 중성자를 이룰 것이다.
그렇다면 원자는 어째서 상반된 전하를 가진 전자가 원자핵에 떨어지지 않은 상태를 유지할 수 있을까요? 그것은 전자가 양성자 주위에서 정상파를 이루고 있기 때문입니다. 정지한 위치의 파동을 의미하는 정상파가 원자핵 근처에 전자의 움직임과 함께 형성되었고, 이 전자는 파동으로서 정상파에 묶여 원자핵에 떨어지지 않고 끊임없이 주변에 존재하고 있는 것입니다. 여기서 전자는 실체적 입자이면서도 확률적 파동으로서 반복적인 형태의 움직임을 가집니다. 전자도 하나의 존재로서 입자임과 동시에 반복적인 형태와 움직임을 가진 파동인 것입니다. 그리고 이 파동은 현대 물리학에서 입자와의 중첩을 표현하기 위해 ‘스핀’이라고 불립니다. (스핀은 고유 운동량으로서 고전적인 형태로 입자가 어떤 축을 중심으로 회전함을 의미하지 않습니다.)(스핀에 관한 보다 자세한 내용은 5장 '4차원 시공간 순환파'에서)
전자의 고유한 파동이 자체적인 실체적 움직임과 함께 정상파에 묶이게 되면서 전자는 원자핵 근처에서 구형태로 존재하는 것입니다. 이는 원자핵 또한 자체적으로 반복적인 형태의 움직임을 가지고 있어야 함을 의미합니다. 전자의 스핀값과 같이 원자핵이 하나의 스핀값을 형성하면서 원자라는 하나의 스핀값을 이루는 것입니다. 전자가 가진 파동과 원자핵이 가진 파동이 원자라는 파동을 입자의 위치와 함께 스핀값으로써 이루는 것입니다. 정상파는 서로 반대 방향으로 진행되는 두 파동으로 형성되는 정지된 위치(궤도)에서 움직이는 파동이기 때문입니다.
이는 순환의 특징에 따라 지구 주위를 공전하는 위성, 태양 주위를 공전하는 (소)행성과 같은 것으로서 위성과 지구가 어떤 중심으로 돌 때 나가려는 원심력과 당기려는 구심력의 평행으로 이루어지는 것과 같을 것입니다. 이러한 작용은 행성의 형태와 크기, 위치에 대한 정보를 담고 있는 실체적 시공간장들이 각각 시간과 공간의 균형으로 정상파와 같은 하모니를 이루었다고 볼 수 있습니다. 기준이 되는 실체적 시공간이 중력으로 만든 ‘공간’ 위에서 자신을 중심으로 계속해서 움직이는 실체적 시공간의 ‘움직임(시간)’과 하나의 하모니를 이루어 어느 하나 붕괴되거나 변하지 않고 온전히 유지되는 하나의 실체적 시공간을 형성한 것입니다. 그렇다면 이러한 실체적 시공간과 중첩되어 하나로 존재하는 확률적 시공간에 따라 원자는 자신을 구성하는 각각의 확률적 시간(전기장의 움직임)의 힘과 확률적 공간(자기장의 움직임)의 힘이 평행을 이루어 하나의 온전한(유지되는/정상파를 만드는) 확률적 시공간을 형성할 것입니다.
원자는 기본적으로 -전하를 띈 전자가 +전하를 가진 원자핵으로부터 전자기적인 힘으로 인해 붙잡히게 되면서 만들어지는데, 이때 전자가 가진 파동이 원자핵이 가진 파동과 정상파를 이루게 됩니다. 덕분에 전자는 입자로서 원자핵으로 떨어지는 것이 아닌 원자핵을 중심으로 구형태의 움직임을 통해 끊임없이 방향을 바꾸면서 존재합니다. 동시에 파동으로서 원자핵을 중심으로 파동을 형성하게 됩니다. 여기서 전자가 입자로서 하나의 기준을 중심으로 존재할 때 비로소 온전한(유지되는) 원형의 파동을 형성할 수 있다는 점에서 전자의 파동과 원자핵의 파동이 이루는 정상파는 각각 입자가 서로 전자기적으로 상호작용함과 동시에 발생되는 것을 알 수 있습니다.
먼저 (실체적 시공간) 입자를 보면 전하를 띈 입자가 각운동량(원형의 움직임)을 가질 때 자기모멘트를 갖게 됩니다. 이는 전자가 원자핵을 중심으로 돌 때 전기력의 변화(전류), 자체적인 스핀과 함께 자기장을 형성하게 되는 것을 의미합니다. 여기서 전기력과 자기장으로 발생되는 전자기력은 파동의 존재를 입자와 함께 증명하게 해주는 존재(확률적 시공간)라는 점에서 전자의 파동(스핀)과 원자핵의 파동(스핀)이 하나의 (정상)파동(스핀)을 형성하는 것은 전자의 확률적 시공과 원자핵의 확률적 시공이 완벽한 하모니를 이룸으로써 존재한다는 것을 알 수 있습니다.
이는 원자핵 또한 전자와 원자를 이룰 때 자체적인 스핀 값과 함께 끊임없이 방향이 바뀌는 전하의 움직임에 의한 자기장을 형성하고 있음을 의미합니다. 원자핵과 전자가 발생시키는 각각의 전자기력(확률적 시공간)이 서로 상반된 방향으로 진행되어 (상반된 전류의 방향에 따른)척력을 형성하고 동시에 정상파를 형성하는 것입니다. 원자핵과 전자가 상반된 전하로 인해 발생되는 인력과 함께 서로 상반된 전자기적 방향으로 인해 발생되는 척력이 존재하는 것이며 이 척력과 인력이 완벽한 균형을 이룬 곳에 정상파가 형성되는 것입니다. 확률적 시공간과 실체적 시공간이 하나로서 상호작용할 때 비로소 파동과 입자는 중첩된 상태로 존재할 수 있기 때문입니다.
그렇다면 원자핵은 전자와 마찬가지로 원자를 이룰 때 각운동량을 전자와 함께 가지고 있어야 하는데 이는 상대적인 관점에 따라 이루어집니다. 전자가 원자핵 주위를 돌면서 +전하와 각 운동량에 따른 전자기적 파동(전자기력 + 파동)을 형성한다는 점은 원자핵 또한, 전자의 이러한 움직임을 통해 전자기력과 파동을 형성할 수 있음을 의미하기 때문입니다. 실체적 시공간(중력)으로 보면 더 큰 질량을 가진 원자핵이 상대적으로 고정되고 보다 가벼운 전자가 그 주위를 돌고 있지만, 확률적 시공간(전자기력)으로 보면 +전하가 – 전하 주위를 도는 것과 -전하가 +전하를 도는 것을 구별할 수 없는 것입니다. 때문에 원자핵은 전자와 원자를 이룰 때 전자와 함께 전자기적 파동을 이룰 수 있는 것이며 이 두 전자기적인 파동이 하나의 하모니를 이루어 원자를 형성하는 것입니다. 그리고 이러한 전자기적 파동이 바로 빛으로서 원자를 빛을 통해 양자들이 서로 정보를 주고받으면서 존재하는 것입니다. 그리고 이 빛을 통해 원자들은 서로 상대적인 정보를 주고받으면서 각각의 실체적/확률적 존재를 증명하는 것입니다.
*정상파의 형태와 움직임: 파란색 파동과 빨간색 파동은 서로 같은 파장과 진폭을 가진 채 반대 방향으로 가고 있다. 위의 내용으로 원자핵과 전자의 형태와 움직임을 해석해 보면 파란색 파동이 원자핵의 파동이라고 했을 때(빨간색 파동은 전자의 파동) 원자핵의 전하 힘(양성자)이 클수록(더 많은 중성자와 함께 더 많은 양성자들이 묶여 있을수록) 더 큰 파동을 형성하게 될 것이다. 원자핵의 파동은 +전하를 띄는 양성자의 운동량(스핀)에 따라 형성되기 때문이다. 이는 더 큰 빨간색 파동(전자의 파동)을 가질 수 있는 것으로서 전자들은 더 많이 원자핵 주변으로 모이게 된다. 동시에 전자들은 서로의 부딪힘(중첩)이 최소화될 수 있는 다양한 오비탈(Orbital)을 형성한다.
오비탈의 모습: https://m.blog.naver.com/applepop/221097062325
*이런 원자는 각각의 실체적/확률적 시공간을 이루고 있지만 하나로 상호작용하여 존재할 때 비로소 그 의미와 가치가 증명되는 것을 증명한다. 원자핵과 전자라는 입자가 이루는 자기장과 전기력이 원자라는 실체적 입자로서 하나가 되어 전자기적 파동(전자기력과 파동)을 이루는 것이다. 이렇게 온전한 확률적 시공간을 형성하면 중첩되어 있는 실체적 시공간 또한 당연하게 온전히 존재하게 하는 것이다. 모든 존재를 이루는 원자가 이렇게 존재하기에 서로가 에너지를 잃지 않은 채, 중력으로 인해 뭉치지 않은 채 각자의 형태와 움직임을 독립적으로 유지하면서 자신의 존재를 이루고 유지할 수 있는 것이다. 동시에 이러한 존재들이 중력과 전자기력을 통해 상대적으로 다른 형태와 움직임을 가지고 있기 때문에 이 우주는 서로의 존재를 증명하면서 존재할 수 있는 것이다.
