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by NEW LIFE 뉴라이프 Jul 02. 2023

우주명상: 우주의 창조·유지에 불가결한 “4개의 힘”

Universe Meditation

이번에도 우리의 이해를 훨씬 뛰어넘는 우주의 신비에 대해 생각해 보는 '우주 명상'을 해보겠습니다.

지난 시간에는 ‘우주의 시작: 빅뱅’부터 ‘물질 우주의 탄생’까지 우주가 창조되는 과정을 과학적인 관점으로 살펴보았습니다.(*1)

하지만 단순히 물질이 거기에 있는 것만으로는 아무 일도 일어나지 않습니다. 물질 간의 '상호작용'이라는 힘이 작용하여 세계가 작동하고 있습니다. 이른바 '물리법칙', '자연의 법칙'이라고 불리는 규칙으로 어떤 것이 있는가 하면 그림에서 보듯이 '플러스와 마이너스는 서로 끌어당기고, 마이너스는 서로 반발한다', '원자핵과 궤도전자가 형성됩니다. 「원자핵과 궤도 전자가 형성된다」「행성끼리 인력이 작용한다」「자기장이나 전기장이 발생한다」등 다양한 힘이 존재합니다.

우리는 초등학교 과학시간부터 당연하게 '플러스와 마이너스는 서로 달라붙는다', '지구에는 중력이 있다'라고 배웠지만, 이것들은 선천적으로 그 성질을 가지고 있는 것이 아니라 '무언가에 의해 이런 힘이 부여되어 있다/무엇이 힘을 발생시키고 있다'라고 말할 수 있습니다.

표준모델

표준이론은 이 세상의 거의 모든 물질과 상호작용을 소립자로 체계화한 것입니다(그림 2). 예를 들어, 이 표의 왼쪽에 있는 '업 쿼크(up quark)'와 '다운 쿼크(down quark)'의 조합으로 양성자나 중성자를 만들 수 있습니다. 그리고 그 아래에 전자가 있기 때문에 이 표의 소립자만으로도 지구상에 존재하는 모든 원자를 생성할 수 있습니다. 이번에는 물질을 형성하는 소립자가 아닌, 오른쪽 파선으로 둘러싸인 '상호작용/힘의 전달을 관장하는 소립자'에 초점을 맞춰 설명하겠습니다.

힘의 소립자가 힘을 발생시키는 방법으로는 "이러한 힘을 매개하는 소립자가 힘의 작용을 하는 물질들 사이에서 교환됨으로써 힘이 발생한다", 또는 "힘의 소립자의 에너지로 가득 찬 '장'에 물질이 들어감으로써 그 물질에 힘이 발생한다."는 식으로 생각됩니다.

4개의 힘 (1): 전자기력

가장 먼저 누구나 들어본 적이 있고, 일상에서도 접할 기회가 많은 것이 바로 이 전자기력입니다(그림 참조, *3). 그림에는 이미지를 게재했지만, 형이상학적으로는 '힘을 관장하는 존재들', '우주의 법칙을 유지하는 존재들'이 존재한다고 생각하시면 됩니다. 기호나 문자의 나열을 싫어하는 '이공계 알레르기'인 사람에게는 이런 존재들이 더 쉽게 이해될 수 있을 것입니다.

전자기력이란 전기가 관여하는 모든 사물이 이 힘에 의해 작동하고 있습니다. 조명이나 가전제품 등 우리 생활에서 뗄레야 뗄 수 없는 존재입니다. 전자기력을 매개하는 소립자는 '광자(photon)'입니다. 광자는 우리가 보고 있는 '빛' 그 자체입니다. 정확히 말하면 광자=전자기파이며, 전파나 전파/적외선/가시광선/자외선/자외선/X선 등은 모두 전자기파의 일종으로, 우리가 눈에 보이는 '빛'이라고 부르는 것은 그중 극히 일부분일 뿐입니다.

하지만 더 기본적인 작용으로는 '분자끼리 서로 스며들지 않고 반발한다(그림 A)', '물질이 빛과 상호작용하여 반사한다(그림 B)', '원자끼리 전자를 통해 결합한다(그림 C)'는 법칙에 기여하고 있습니다. 즉, 우리가 사물을 만질 수 있고, 빛을 통해 사물을 볼 수 있으며, 우리 몸을 구성하는 원자끼리 결합하는 것은 이 '전자기력'의 상호작용이 있기 때문이라고 할 수 있습니다.

4개의 힘 (2): 강한 핵력

이 '강한 핵력'(*4)은 잘 듣지 못하고 평소에 의식하지 못하지만, 매우 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 그 주된 역할은 '소립자(쿼크)를 결합시켜 양성자나 중성자를 형성하는 것'이며, 이를 매개하는 소립자를 '글루온(gluon)'이라고 합니다. 양성자나 중성자 내부에서 작용하는 힘이기 때문에 그 범위는 10^-15m(1펨토미터femtometre)라는 극히 작은 범위에서 작용합니다(그림 참조). 또한, 원자핵에서 양성자와 중성자를 결합시키는 것도 이 '강한 상호작용'이 담당하고 있습니다.

이 힘의 특징으로는 이름 그대로 '매우 강력하다'는 점을 들 수 있습니다. 구체적으로 10^-15m라는 극소 거리에서 다른 힘과 비교하면 '전자기력'의 약 137배, 후술할 '약한 핵력'의 약 100만 배, '중력'의 약 10의 38배, '중력' "중력"의 약 10의 38제곱배라는 엄청난 힘을 가지고 있습니다. 이 때문에 전기적으로는 반발하는 양성자 간의 전자기력을 억제하여 원자핵을 형성하고 있습니다. 대신 그 유효 범위는 매우 작아 원자핵의 크기를 넘어서는 범위에서는 급격히 약해져 무시할 수 있을 정도로 작아집니다. 이를 통해 원자핵을 하나로 묶으면서도 주변의 궤도전자에 영향을 주지 않는 절묘한 균형을 유지하고 있습니다. 이처럼 '강한 핵력'은 보이지 않는 곳에서 원자의 존재 자체를 유지하는 '숨은 공로자'와 같은 존재입니다.

4개의 힘 (3): 약한 핵력

다음으로 설명할 것은 '약한 핵력(약한 상호작용*5)'인데, 이것도 세 가지 힘 중에서는 잘 알려져 있지 않은 것 같습니다. 매개하는 소립자를 W/Z 보손이라고 하는데, 위에서 설명한 바와 같이 그 강도는 원자핵을 묶는 '강한 핵력'에 비해 약 1/100만 정도로 작으며, 유효 범위도 10^-16~10^-17m로 '강한 핵력'보다 더 좁습니다. "강한 핵력"보다 더 좁은 범위로 제한되어 있다. 하지만 이 '약한 핵력'에는 특이한 능력이 있습니다. 이 힘은 "소립자(쿼크)를 다른 것으로 바꾸는" 특수한 능력이 있습니다. 구체적으로는 그림의 오른쪽 상단에 있는 것처럼 중성자(업쿼크×1+다운쿼크×2)의 다운쿼크를 업쿼크로 변화시켜 양성자(업×2+다운×1)로 바꿀 수 있습니다. 이때 동시에 전자는 1개와 중성미자를 방출하여 전기적으로 플러스 마이너스 성질이 됩니다(그림 오른쪽 가운데).

중성자가 양성자로 바뀌면 어떤 일이 일어나는가 하면, '원자의 기본 성질은 원자번호(양성자 수)에 따라 결정된다'는 법칙에 따라 '원자번호가 바뀌어 다른 성질의 원자가 된다'는 일이 일어납니다. 구체적인 예로 아르곤(Ar)은 상온에서는 안정한 기체이지만, 베타붕괴라는 약한 핵력의 작용으로 금속인 칼륨(K) 원자로 변합니다. 이외에도 '패리티 대칭성 파괴' 등 특이한 성질을 갖는 것으로 알려져 있지만, 다른 힘처럼 기본적으로 '서로 끌어당기고 밀어내는' 역학적 성질이 아니라 '물질을 변화시킨다'는 점에서 매우 독특한 존재라고 할 수 있습니다.

4개의 힘 (4) : 중력

두 번째는 누구나 잘 알고 있는 '중력'(*6)입니다. 물질에는 질량이 있고, 질량을 가진 것들 사이에는 반드시 중력이 발생합니다. 하지만 분자 수준에서 중력은 거의 무시해도 될 정도로 미미한 힘입니다. 위에서 언급한 '강한 핵력'과 비교하면 그 10^38승분의 1밖에 되지 않으니, 힘만 놓고 보면 가장 약할지도 모릅니다. 하지만 그 영향 범위는 무한히 넓어 우주 공간 전체에 도달할 정도라고 할 수 있다. "강한 핵력"/"약한 핵력"은 원자 크기를 넘어서면 거의 영향력이 없어지고, "전자기력"도 지구 규모로 가면 중력보다 힘이 약해집니다. 태양계 행성의 운동을 보면 알 수 있듯이, 이 규모가 되면 모든 행성은 거의 태양의 중력과 행성 자체의 중력에 의해 공전 운동이 결정된다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 태양계뿐만 아니라 *지름이 수십만 광년인 은하계의 움직임도 중력에 의해 지배되고 있으며, 은하끼리 서로 중력에 의해 충돌/융합하는 모습이 허블 망원경으로 관찰되고 있습니다(7).

중력을 매개하는 소립자는 힉스 입자(*8)인데, 힉스 입자가 입자로 존재하기보다는 '힉스장'이라는 '전기장'이나 '자기장'과 같은 영역을 형성하고 있습니다. "같은 영역을 형성하고 있습니다. 간단히 설명하면, 그 힉스장 안에 있는 물질은 질량이 부여되어 중력이 발생하는 구조입니다(정확하게는 '진공 기대값'에 의한 '자발적 대칭성 깨짐'이 질량 부여에 관여합니다. 자세한 내용을 알고 싶으신 분은 링크를 참고하세요(*9). 이 힉스장은 우주의 탄생과 함께 전 우주에 퍼져 있다고 생각됩니다. 그래서 현재로서는 '중력이 존재하지 않는 영역'은 우주 공간에서 발견되지 않았습니다. 만약 힉스장이 없다면 지구는 질량이 0이 되기 때문에, 새총알과 부딪혀도 튕겨져 어디론가 날아가 버릴 것입니다. 애초에 물질에 인력이 작용하지 않으면 별이 탄생할 수 없습니다. 그런 점에서도 중력은 우주 형성에 필수적인 힘이라고 할 수 있습니다.

4가지 힘의 특징 정리

지금까지 언급한 4가지 힘의 특징을 정리하면 그림과 같습니다.

- '전자기력'은 원자 간의 결합에 관여하는 보편적인 힘이다. 전자기 상호 작용을 통해 우리는 '사물을 만질 수 있고', '전자기파를 통해 사물을 볼 수 있다'고 할 수 있다.

- '강한 핵력'은 양성자와 중성자를 형성하는 강력한 힘이다. 원자핵이 견고하게 결합되어 있는 것도 이 힘에 의해서다.

- '약한 핵력'은 물질을 변화/변형시키는 유일한 힘이다. 또한 다른 힘과 달리 '패리티 대칭성 깨짐(10)'의 성질을 가지고 있어, 앞서 언급한 '물질과 반물질에서 물질이 약간 남았다'는 물질 우주의 탄생의 열쇠를 쥐고 있다.

- '중력' 은 미시적으로는 0에 가깝지만, 무한히 먼 곳까지 도달한다. 우주에서는 은하끼리 끌어당길 정도로, 또 블랙홀이라는 물리법칙 마저 무너뜨릴 정도로 강력한 힘을 발생시킨다.

이처럼 창조주는 우주를 창조하면서 쿼크, 전자, 중성미자, 반물질 등을 만들어냈지만, 그것만으로는 지금의 우주가 만들어지지 않았습니다. 거의 같은 수의 물질과 반물질에서 물질만 남으려면 '약한 핵력'의 비대칭성이 작용했을 것으로 생각되며, 만들어진 쿼크에서 양성자나 중성자를 형성하는데 '강한 핵력'이 작용하고 전자가 전자가 포획되어 수소나 헬륨과 같은 원자가 생기는데 '전자기력'이 작용하고, 이러한 물질의 가스가 중력에 의해 응집되어 별이 탄생하는 데 '중력'이 기여하고 있습니다. 이러한 '물질'과 '힘', 이 두 가지가 모여야만 우주가 형성되고 우주를 유지하는 모든 요소로 보는 표준모델이 물리학계의 통설이 되었습니다.

이 4개의 힘 외에 다른 힘은 존재하지 않는 것일까?

현재 물리학계에서는 우주의 모든 힘은 이 4개로 집약된다고 생각하며, 이 3개(전자기력/강핵력/약핵력)를 하나로 묶는 통일이론(*11), 더 나아가 중력을 하나로 묶는 초통일 이론을 구축하기 위해 매일 연구를 거듭하고 있습니다. 하지만 정말 우주에 존재하는 힘은 이 세 가지 힘만 존재하는 것일까요?

양자 역학의 신비한 성질을 증명한 실험으로 '이중 슬릿 실험'이라는 것이 있습니다(*12, *13, *14). 이에 대해서는 다양한 실험이 이루어지고 있고 이 명상 글에서도 여러 번 다루었습니다(*15, *16, *17).

개요는 그림 A와 같으며, 일어나는 현상으로는 '1 개의 광자가 이중 슬릿을 통과할 때, 보통은 '파동'으로 간섭무늬가 나타나지만(그림 B), 광자가 통과한 쪽을 관찰하려고 하면 '입자'로 행동하여 간섭무늬가 사라진다(그림 C)'는 것입니다. 이 현상의 트리거는 다른 모든 간섭을 제거한 결과 '관측하는 것'이며, 물리학계에서도 '관측 문제'로 인식되고 있습니다(*18).

이 현상은 '엄밀한 의미에서 한 개의 광자에 의한 실험'이기 때문에 당연히 '다른 광자에 의한 상호작용'은 배제되어 있습니다. 그리고 동일한 환경이기 때문에 '중력의 영향의 변화'도 생각할 수 없습니다. 또한 '쿼크나 원자핵에 작용하는 강한 핵력'도 여기서는 생각할 필요가 없습니다. 물론 '원자핵 붕괴를 일으키는 약한 핵력'의 영향도 생각할 수 없습니다. 이 실험계에 영향을 미치는 것은 실험자가 '관측을 하느냐 마느냐' 뿐입니다. 지금까지 언급한 '4 가지 힘'으로는 설명할 수 없습니다. 하지만 현실에 변화가 일어나고 있는 이상 '어떤 힘이 광자에 상호작용을 일으키고 있다'고 말할 수 있습니다. 또한 '의식이 광자에 변화를 일으키는 실험(*16)'에서도 다른 영향을 모두 배제하고 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 어떤 힘이 실험계에 영향을 미치고 있음을 알 수 있습니다.

이 '의식'과 '관찰이라는 행위'가 미치는 영향은 이중 슬릿 실험이 세상에 알려지기 전까지는 잘 알려지지 않았습니다. 이 때문에 처음 알려졌을 때 물리학계에 고전 물리학의 상식을 뒤엎는 큰 파장을 불러일으켰습니다. '광자나 전자와 같은 양자는 빛이면서 동시에 파동이다'라는 견해에 이르렀지만, '무엇이 어떻게 영향을 미쳐 입자와 파동을 전환하는가'에 대해서는 아직 명확한 해답을 얻지 못했습니다(*17, *19). 힉스 입자 역시 2011년경 발견된 지 얼마 되지 않았기 때문에, 아직 인류에게 알려지지 않은 힘이나 소립자가 있는 것은 당연합니다.

형이상학적으로 인식되고 있지만 과학적으로 증명되지 않은 것들이 많이 존재합니다. 어쩌면 우리의 '의식'에는 과학적으로 증명되지 않은 미지의 힘이 있을지도 모릅니다. 매일의 명상을 통해 '의식'의 힘을 최대한 발휘할 수 있도록 단련해가시길 바랍니다.

저자: Takuma Nomiya I 번역: Sim Min Aa

Profile

Takuma Nomiya 의사・의학박사

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.