- 2019년 3월 30일

[지식더하기] 힘의 본질은 무엇일까?

최종 수정일: 2019년 3월 31일

우리가 사는 세상에서 일어나는 모든 것들에 힘이 관여하지 않는 것은 없습니다. 과학자들은 우리 생활에 관여하는 여러가지 힘들의 종류를 분류하고 학교에서 그 정리된 내용들을 가르치고 있을 것입니다. 여러가지 종류의 힘들이 있지만, 실제로 그 힘들을 파헤쳐 봤을 때 현재 가장 기본이 되는 힘들은 중력, 전자기력, 강한 핵력(강력), 약한 핵력(약력)으로 분류된다고 알려져 있습니다.

자연의 4가지 기본 힘

많은 학생들이 학교에서 배우는 중력, 탄성력, 마찰력, 로렌츠 힘 등 수많은 힘을 배우고 이에 대한 많은 문제를 풀어보지만 이 모든 힘들은 자연계의 4가지 힘들인 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력으로 설명됩니다. 예를 들어, 마찰력이나 탄성력을 전자기력으로 설명할 수 있는데요, 마찰력은 마찰하는 두 물체의 원자들 사이의 전자기적 인력으로 설명될 수 있고, 탄성력은 한 물질에서 물질이 변형되어 원자들 사이의 거리가 달라졌을 때 발생하는 원자들 사이의 전자기적 인력이나 척력으로 설명될 수 있다고 알려져 있습니다. 또한 로렌츠 힘 같은 경우에는, 자기력이기 때문에 전자기력의 한 부분으로써 설명될 수 있습니다. 이러한 힘들은 F=ma 라는 식으로 뉴턴에 의해 다루어질 서 있게 되었으나, 그 본질이 무엇인지는 밝히지.못했습니다. 현대에 오면서 조금 더 드러난 그 비밀에 대해 알아볼까요?

4가지 기본 힘들의 근원

지금까지 뉴턴역학에서는 힘이 작용되고 일어나는 효과를 분석해 왔다면, 현대물리에서는 통합된 4가지 힘들은 각자 독특한 설명방식을 가지고 있고, 어떤 힘들은 고전역학에서 현대로 넘어오면서 그 설명 방식이 바뀌기도 했습니다. 이러한 변화와 통합은 아인슈타인의 일반상대성이론으로부터 시작하는데요, 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다고 알려져 있던 만유인력은 일반상대성이론에서 비로소 그 작용원리가 밝혀집니다. 바로 시공간의 굴곡입니다. 시간과 공간은 우리들과 아주 친숙한 개념들 중 하나이지만, 그 것이 중력을 발생시키는 장의 역할을 한다는 것은 아무도 몰랐을 것 입니다.

전자기력과 같은 힘도 고전역학에서는 이러한 "장"의 개념을 도입해 설명했었습니다. 질량에 의해 시공간의 특성(중력가속도로 표현되기도 함)이 결정되어 중력이 작용하는 것처럼, 전하가 주변공간의 특성을 결정하고 그에 맞는 크기와 방향의 힘이 작용하게 된다고 말이죠. 이러한 방법으로 힘을 설명해나가도 전자기력을 잘 설명하긴 했지만, 근본적인 작용원리를 양자역학만큼 명쾌하게 설명하지는 못했던 것 같습니다. 이 전자기력은 중력과 전자기력을 제외한 2가지 힘들과 함께 공통적인 방법으로 좀 더 구체적으로 설명되게 됩니다. 전자기력, 약한 핵력, 그리고 강한 핵력을 현대 물리에서 정확하게 설명하는 방법은 양자역학인데요, 양자역학에서는 이 세가지 힘들은 각각의 힘들을 전달 또는 매개하는 입자들을 통해 설명합니다.

4가지 기본 힘의 특징들을 정리한표, 중력자는 아직 발견되지 않았다.

강한 핵력은 아주 작은 범위 속에서 4가지 힘 중 가장 강력학 작용하는 힘으로, 글루온이라는 매개입자를 통해 전달되는데, 이 힘은 1900년대에 원자의 구조에 대해 자세하게 밝혀지면서, 양성자 간의 결속이나 쿼크의 결속을 유지시켜주는 힘이라는 것이 밝혀졌습니다. 또한, 약한 핵력은 베타 붕괴와 같은 핵반응을 일으키는데에 주로 관여하는 힘으로, W,Z 보손 입자들을 매개입자로 가집니다. 우리에게 가장 많이 알려진 두 힘들은 전자기력과 중력이라고 말할 수 있는데, 이 둘 중 하나의 힘은 아직 매개입자가 존재한다는 것이 실험적으로 밝혀지지 않았습니다. 바로, 중력입니다. 전자기력은 빛의 기본 입자인 광자를 매개입자로 가지는 반면에, 중력은 양자역학이 아닌 일반상대성이론에서 시공간이라는 하나의 "장"을 이용해 설명되고 있습니다. 왜 하나가 아닌 양자역학과 상대성이론이라는 두가지 이론으로 분리되야만 4가지 힘이 설명되는 지는 아직 과학자들이 풀지 못한 수수께끼로 남아있는데요, 아직 존재하리라고 추정만하고 있는 중력의 매개입자인 중력자는 상대성이론과 양자역학 사이에 다리를 놓아줄 수 있는 발견이 될 것입니다.

4가지 기본 힘들의 매개입자들의 작용을 보여주는 파인만 다이어그램

양자역학, 상대성이론과 초끈이론

4가지 힘은 현재 양자역학과 상대성이론 두가지 이론으로 분리되어서 설명되고 있습니다. 과학자들은 아직 왜 이 세상을 설명하는 데에 굳이 두가지 이론이 존재하고 있는지, 과연 이 세상을 완벽히 설명하는 데에는 몇가지의 이론이 존재할 지 정확히 알지 못합니다. 우리는 한가지 이론으로 세상을 완벽히 설명할 수 있을 것이라는 믿음을 가지고 양자역학과 상대성이론을 하나로 통합하는 것을 현대 물리학의 목표로 삼고 있습니다.

양자역학과 상대성이론의 대가인 닐스 보어와 알버트 아인슈타인

두 이론을 통합하는 것은 서로 다른 이론에 의해 설명되고 있는 중력과 나머지 3개의 힘을 합 칠 수 있는 것을 의미하기도 합니다. 이 것이 어떠한 방법으로 통합될 지는 아무도 모르는 것이죠. 이미 1979년, 압두스 살람, 샐던 글래쇼와 스티븐 와인버그 등에 의해 전자기력과 약한 핵력이 통합되었고, 게이지 이론이라고도 불리우는 대통일장 이론을 통해 강력, 전자기력과 약한 핵력이 수학적으로 기술이 가능하게 되었지만, 아직 중력만은 양자역학의 영역이 아닌 일반상대성이론의 영역에 속해있기 때문에 아직 현대물리학의 수수께끼는 풀리지 않은 채로 남아있습니다.

하지만 현대 물리학이 아직까지 이 문제에 대해 아주 조금의 진전도 보이지 못하고 있는 것은 아닙니다. 바로 초끈이론이라는 것이 존재하기 때문인데요. 초끈이론은 기본적으로 모든 물질을 이루는 기본 단위가 작은 점과 같은 입자가 아닌 진동하는 끈이라는 것입니다. 끈과 점은 위상수학적으로 완전히 다른 수학적인 기법으로 기술되기 때문에 전혀 다른 결과가 나올 수 있는 것입니다. 이러한 "끈"이라는 아이디어는 어떤 수식을 보고 강력을 기술할 수 있겠다는 생각이 들어 논리전개를 해 나갔을 때 나온 결과라고 합니다.

초끈이론의 발판이 된 강력을 기술하는 방정식의 모티브가 된 등식

하지만 이러한 초끈이론도 아직 이론일뿐 실험적으로 검증된 것은 아닙니다. 애초에 세상을 이루는 기본 단위가 끈이라는 것을 실험적으로 증명할 실험적인 메커니즘이 아직 존재하지 않고, 존재하더라도 현재 기술로는 실현 불가능하기 때문에 과학자들의 꿈은 아직 완벽하게 이루어질 수 없는 상태입니다. 양자역학과 상대성이론. 현대 물리학을 이끄는 두 거대한 이론들은 초끈이론이라는 오작교를 얻게 될지, 아니면 더 진전된 연구가 필요할지 아무도 모릅니다. 두 이론의 통합은 3가지 기본 힘과 중력의 통합과 아주 밀접한 관련이 있을 것입니다. 결국 세상을 기술하는 단 하나의 힘을 찾고, 단 하나의 이론으로 이 전 우주를 설명할 수 있는지 함께 지켜면서 연구에 동참해야겠습니다.

마무리

현재 물리학에서 인정되는 기본힘은 4가지 입니다. 이들 중 3가지는 통합이 되었고, 중력 만이 남아있습니다. 이 4가지 힘들이 통합될 수 있다면, 이는 양자역학과 상대성이론을 잇는 아주 중요한 순간이 될 서입니다. 하지만, 아직 물리학자들이 이 세상의 모든 것들을 다 알고 있는 것도 아니며, 지금까지의 결과가 모두 참인지 조차 알지 못합니다. 언젠가 5번째 힘이 나타나거나 중력자가 아닌 다른 입자가 또 발견되어 물리학을 뒤집어 놓을지는 아직 아무도 모르는 일입니다. 또한, 지금까지의 연구 결과가 모두 참이라는 것도 모르기 때문에, 언제 모든게 뒤집어질지 모르는 일이죠. 우리는 항상 과학자의 태도를 가지며 모르는 것을 알아내기 위해 끊임없는 도전을 끊이지 않을 것입니다. 모든 것이 밝혀지는 그날까지...