우주를 형성하는 자연계의 4가지 힘

19세기 말 최초의 소립자를 발견한 이후 소립자 세계의 연구가 진행될수록 물리학자는 '자연은 복잡하게 보여도 궁극적으로는 매우 단순하다'는 확신을 점점 굳게 믿어왔습니다.

물질이 극소수의 쿼크와 렙톤으로 구성되어 있다는 것, 그리고 그것을 지배하고 있는 단 4종류의 힘의 존재를 알게 되었습니다. 게다가 이러한 핵력은 모두 힘의 입자를 교환함으로써 작용하는 것으로 드러났습니다. 이것은 20세기의 과학이 만들어 낸 위대한 업적 중 하나입니다.

Standard Model of Elementary Particles. Author : Cush. https://en.m.wikipedia.org/

그 자연력의 4가지 힘은 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력입니다.

중력

우리에게 가장 친숙한 핵력은 중력입니다. 모든 소립자에게 인력(만유인력)으로써의 역할을 합니다. 중력은 차단되지 않으며 무한대까지 작용하기 매크로의 세계를 지배하고 있습니다. 지구, 태양, 은하 등의 천체의 운행을 주관하며 거대한 우주의 구조를 만들어내고 있습니다.

Hubble ESA https://www.flickr.com/photos/hubble_esa/43685495515/

우리를 지구로 끌어당기는 중력은 중력자의 교환으로 전달됩니다. 중력자는 질량을 가지고 있지 않기 때문에 무한히 먼 곳까지 도달합니다.

중력 = 중력자의 교환

중력은 질량에 비례합니다. 한편, 질량은 에너지와 등가입니다.

E = mc2

따라서 중력은 모든 입자에 작용합니다. 그러나 소립자의 질량은 매우 작고, 현재의 가속기로 도달할 수 있는 에너지 규모에서는 입자 사이의 중력이 매우 작아 무시할 수 있지만, 빅뱅에 의한 우주 창조 직후 같은 초초고 에너지 상태에서는 매우 중요해집니다.

The Large Hadron Collider/ATLAS at CERN https://www.flickr.com/photos/11304375@N07/2046228644

전자기력

중력 다음으로 친숙한 핵력은 전자기력입니다. 전자기력은 전기력과 자기력이라는 2가지의 힘으로 이루어져 우리 주변에 존재합니다. 이 두 힘이 사실 동일한 것이라는 사실은 19세기에 이미 규명되었습니다. 전자기력이 현대 전자문명의 기초를 이루는 힘이라는 것은 말할 것도 없습니다.

잘 알려진 정전기나 자석의 힘뿐만 아니라 우리가 일상에서 경험하는 중력 이외의 모든 힘은 전자기력입니다. 특히 전자와 원자핵을 결합시켜 원자를 만드는 힘, 원자끼리 결합시켜 분자를 만드는 힘은 전자기력입니다. 전자기력은 광자의 교환으로 전달됩니다. 광자는 질량을 가지지 않기 때문에 차단되지 않는다면 멀리까지 전달됩니다.

전자기력 = 광자의 교환

전자기력은 전하에 비례합니다. 전하를 가진 입자는 눈에 보이지 않는 광자(가상광자)라는 옷을 입고 내달리고 있습니다. 전자가 전자석 등으로 인해 갑자기 방향을 바뀌면 광자의 옷이 찢어지고 튀어나옵니다. 이것이 방사광입니다.

Feynman EP Annihilation https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Feynman_EP_Annihilation.png

약한 핵력

약한 핵력은 매우 짧은 거리 사이에서만 작용합니다. 일반적으로 전자기력보다 훨씬 약하기 때문에 이런 이름이 붙여졌습니다. 모든 쿼크, 렙톤에서 작용합니다.

이 힘은 원자핵의 베타 붕괴, 중성자, 파이온 등의 입자 붕괴의 원인이 되는(입자의 종류를 바꿀 수 있는) 힘입니다. 일상에서 경험할 수 없는 힘이지만, 미시세계에서는 중요한 역할을 하고 있습니다.

약한 핵력 = W, Z입자의 교환

약한 핵력을 매개하는 힘의 입자 W, Z는 큰 질량을 가지고 있습니다. 따라서 힘의 본질적인 힘을 나타내는 결합상수는 전자기력과 비슷하지만 힘이 닿는 거리가 매우 짧고 힘의 외관상 힘이 약해 보입니다. 힘의 강도가 너무 약해 일상생활에서 느낄 수 없습니다.

W입자와 Z입자는 본래 광자처럼 질량이 없는 게이지 입자이지만, 진공 중의 힉스장과의 상호작용에 의해 질량을 가지게 되었다고 추정됩니다. 힉스장과의 상호작용이 없었다면 이러한 힘의 입자의 운반능력은 본래는 같은 것이었을 것이라고 생각됩니다. 그래서 현재는 광자가 전달하는 전자기력과 W와 Z가 전달하는 약한 핵력을 전약력으로 정리하고 있습니다.

강한 핵력

강한 핵력은 모든 색전하(Color charge)를 가진 입자에 작용합니다. 전자기력의 100배 정도의 힘의 크기를 가지고 있어 이처럼 이름이 붙여졌습니다. 쿼크를 결합하여 양성자(p)와 중성자(n)를 만들고 양성자들 사이에 작용하는 전기적인 척력을 극복하여 중성자와 함께 원자핵을 만듭니다.

강한 핵력 = 글루온 교환

강한 핵력은 색전하에 비례합니다. 쿼크의 색전하에는 빨강, 파랑, 녹색의 삼원색(물론 실제 색상이 아니다)이 있습니다. 강한 핵력을 매개하는 힘의 입자 글루온은 흰색을 제외한 색상의 조합입니다.

3(빨강, 파랑, 녹색) × 3(반빨강, 반파랑, 반초록) -1(흰색) = 8

즉 8가지로 모두 질량을 가지고 있지 않습니다. 하지만 글루온 자체가 색상을 가지고 있으며 글루온을 이용하기 때문에 힘은 거리가 멀어질수록 강해지고 핵자(양성자, 중성자)의 크기 정도 이상의 거리가 되면 전체적으로 백색상태에서만 안정적으로 존재할 수 있습니다. 따라서 강한 핵력의 도달 거리는 글루온이 질량을 가지지 있지 않음에도 불구하고 짧으며 일상에서 느낄 수 없습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 自然界の４つの力
https://www2.kek.jp/kids/class/particle/class01-07.html