소립자가 크기를 가지지 않는 점입자인 이유

인간의 눈에 보이는 모든 존재, 즉 물질적 존재는 원자라는 기본 단위로 구성되어 있고 원자는 원자핵과 전자, 원자핵도 양성자와 중성자라, 양성자와 중성자도 쿼크와 같은 소립자로 구성되어 있습니다.

현대물리학에서는 이 소립자야말로 더 이상 작은 부분으로 분할하는 것이 불가능한 존재를 구성하는 궁극의 단위로 취급하고 습니다.

현재 물리학의 주류인 표준 이론(Standard Model, 표준 모델)에서는 존재의 궁극적인 단위인 입자는 크기가 전혀 없는 점입자(point particle, 공간적 확산을 전혀 갖지 않는 크기 제로의 입자)라고 부릅니다.

소립자가 크기를 가지지 않는다고 여겨지는 이유는 만약 크기가 있다고 해도 너무 작아서 측정할 수 없기 때문에 크기가 없는 것으로 취급하는 편이 편리하고 계산하기 쉽기 때문이기도 합니다.

일반상대성이론과 함께 현대물리학의 근간을 이루는 이론인 양자역학에서는 일상적인 매크로의 세계에서는 있을 수 없는 이상한 현상이 자주 일어난다고 알려져 있는데 그러한 양자역학의 이상하고 불가사의한 현상 중 하나로 양자중첩이라는 현상이 있습니다.

소립자에는 스핀이라는 고유의 운동량이 있으며 일반적인 물체로 비유하면 천체의 자전운동과 같은 운동에 해당하기 때문에 회전을 의미하는 스핀이라는 말로 불리고 있습니다.

소립자의 스핀상태에는 '상향 스핀'과 '하향 스핀'이라는 두 가지 상태가 있다고 생각됩니다. 소립자에는 크기가 없다는 전제에 따르면 구체의 자전운동이라고 생각할 수 없고 어느 방향으로 회전하고 있는지 생각하는 것 자체가 넌센스라고도 말할 수 있습니다.

소립자에 있어서 상반되는 2개의 존재의 상태에 대해서 양자를 분류하고 라벨 붙여 표시하는 의미로 상향 스핀과 하향 스핀이라는
2개의 표현이 사용되고 있다고 생각됩니다.

그리고 양자역학에서 소립자는 관측이 행해질 때까지는 그 스핀이 상향인지 하향인지는 불확정한 상태에 있고 일단 관측이 행해지면 그 불확정한 상태가 해소되어 상향 스핀상태 인지 하향 스핀상태인지 존재의 상태가 확정한 상태로 관측되는데 이것은 관측 후에 상향 또는 하향 중 어느 하나의 스핀상태로 확정하는 소입자가 관측 이전에는 불확실한 상태로서 상향과 하향이라는 2개의 스핀상태에 있었다는 것을 의미합니다.

즉 양자역학에서는 관측 이전의 상태에서 하나의 기본입자가 상향 스핀과 하향 스핀이라는 상반하는 2가지의 상태를 동시에 유지하고 있는 상태의 중첩을 양자중첩(superposition) 현상이라고 합니다.

수많은 실험 결과로부터도 소입자가 관측 전에는 상향 스핀과 하향 스핀이라는 2가지의 존재의 상태를 동시에 가지고 있고 관찰 후에 그것이 하나의 상태로 정해진다는 것이 실증되었으므로 관측 전에 소립자의 스핀상태가 불확정하다는 것은 단순히 관측자의 정보부족이 아닌 관측 이전의 중첩상태였던 것이 관측 후 그 중첩상태로부터 파생해 하나의 스핀상태로 정해졌다고 생각할 수도 있습니다.

왜냐하면 양자의 중첩상태란 상향 스핀상태와 하향 스핀상태가 동일한 소립자에 있어서 동시에 존재하고 있는 상태이므로 이것을 상향 스핀과 하향 스핀의 혼합상태로 보면 상향으로 스핀하는 움직임과 하향으로 스핀하는 움직임이 부딪쳐 서로의 스핀의 운동이 상쇄되어 버려 소립자의 스핀운동 자체가 사라져 버리게 된다고 생각되기 때문입니다.

소립자의 스핀에는 가속이나 브레이크의 기능이 있는 것은 아니기 때문에 멈춘상태에서
새로이 스핀을 시작할 수 없으며 급 브레이크 후 반대방향으로 방향전환하는 것도 불가능하기 때문에 상향 스핀과 하향 스핀이 섞인 것으로 양자의 중첩상태를 파악하는 것은 불가능하다는 것입니다.

양자의 중첩상태에서는 같은 위치에 있는 동일한 소립자가 동시에 2개의 상반되는 존재상태를 모두 가지게 되는데 이것은 같은 위치에 두 개의 다른 존재가 동시에 존재한다는 현상을 허용한다는 것을 의미합니다.

예를 들어 같은 테이블 위의 정확히 같은 위치에 사과와 귤이라는 다른 존재가 동시에 존재한다고 말하는 것 같고 유전자 재조합 등으로 합성된 것과 같은 존재가 아니라 순수한 형태의 사과와 순수한 형태의 귤이 그대로 겹친 형태로 동시에 같은 장소에 위치합니다.

이런 식으로 양자중첩(superposition)이란 단어 자체의 의미가 나타내는 대로 일상적인 위치개념을 초월하는 현상으로 크기를 가지고 일정한 높이, 폭 및 깊이에 의해 형성되는 일정한 형태를 갖게 되는 통상의 물질적 존재에 있어서는 2개의 상반되는 형태나 운동상태가 동시에 같은 위치에 존재하는 것은 논리적 모순처럼 보입니다.

이러한 통상의 크기를 가지는 물질적 존재에 있어서는 논리적 모순을 일으키는 현상이 소립자라는 존재의 궁극의 단위에 있어서는 성립하는 전제 조건으로 크기를 가지지 않는 것이 필요하다는 것이 됩니다.

즉 그 자체가 크기가 없는 존재에 대해서는 우회전이나 좌회전, 상향 및 하향 등의 개념도 통상의 크기와 형태를 가진 물질적 존재와는 완전히 다른 형태로 적용되게 되므로 이러한 존재에 있어서는 양자중첩(superposition)이라는
일상적인 위치개념을 초월하는 현상도 성립할 수 있게 된다는 것입니다.

그리고 양자중첩이란 양자역학에 있어서 기본적인 성질을 이루는 학문의 전제가 되는 개념이므로 현대물리학의 근간을 이루는 이론인 양자역학이 성립하기 위해서는 양자중첩이라는 동일한 위치에서 상이한 존재의 동시 존재가 가능해지는 것이 필요하고 이를 위해 존재의 궁극적인 단위인 입자는 크기가 없는 존재여야 합니다.

현대물리학과 양자역학의 무결성의 관점에서도 소립자는 필연적으로 크기가 없는 존재여야 합니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 素粒子が大きさを持たない点粒子である理由
https://information-station.xyz/2724.html