흥미진진 과학스토리 ㉛ 우주를 지배하는 힘, 4가지!

인간사회를 움직이는 힘과는 별개로 우주를 움직이는 힘은 현재까지 확인된 것으로는 4가지가 있다. 바로 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이다. 본 기자는 그저 몇 권의 책을 통해서 궁금증을 해소하는 독자일 뿐 좀 더 정확한 공부는 과학커뮤니케이터로 활동 중인 경상대 이강영 박사의 저서를 추천한다. 그의 저작인 ‘불멸의 원자’ 그리고 ‘LHC, 현대물리학의 최전선’, ‘보이지 않는 세계’는 흥미진진한 이야기를 쉽게 풀어 나간다. 부족하지만 내가 궁금했던 점들을 공유해 보고자 한다.

▲ 우주의 네가지 힘에 대한 모델

우주를 지배하는 4가지 힘의 첫 번째는 중력이다. 아인슈타인의 상대성이론에 의해서 아주 명확하게 정리되어 있고 우리도 중력의 세력 안에서 살고 있다. 입자물리학의 표준모델에는 중력을 전달하는 ‘중력자‘는 없다. 최근에 라이고에서 확인한 ’중력파‘는 중력자의 또 다른 형태지만 중력자를 직접 검출하지는 못하고 있다. 그 이유는 중력은 너무 미약한 힘이기 때문이다. 중력자(graviton)의 존재는 의심되지 않지만 현재 기술로는 직접 검출이 요원한 상태다. 하여간 중력은 미약하면서도 우주를 지배하는 가장 강력한 힘이다.

두 번째 전자기력이다. 표준모델의 모형에 따르면 전자기력을 전달하는 매개입자를 광자(photon, r)라고 한다. 전자기력은 우리가 가장 잘 다루는 힘이다. 비바람이 치거나, 뇌세포의 정보이동, 핸드폰의 전파 그리고 고구마를 맛나게 구워주는 원적외선까지 모두 전자기력의 힘이다. 생명은 전자기력을 이용하여 살아간다. 너무나 친근하지만 때론 위험한 힘이기도 하다. 인류는 이 전자기력을 다룰 수 있는 능력을 향상시키며 과학혁명을 일궈냈다.

세 번째는 ‘강한 핵력(strong nuclear force)’, 줄여서 ‘강력’이라 부르는 힘이다. 이 힘을 매개하는 입자는 글루온이며 양성자와 중성자처럼 강한 핵력인 글루온으로 묶여있는 입자를 ‘강입자‘라고 부른다.

네 번째는 ‘약한 핵력(weak nuclear force)', 줄여서 ’약력‘이다. 약력을 전달하는 힘은 W와 Z, 두 종류가 있다. 약한 핵력을 이용하여 핵발전소를 돌린다.

▲ 현대 입자물리학의 표준모델 (카이스트신문)

위 그림은 현대입자물리학의 ‘표준모델’ 이며 힉스입자가 빠져있다. 이강영 박사에 따르면 이 표준모델은 20세기 들어서 성취한 물리학의 가장 큰 업적이라고 한다. 이 이론은 무수한 실험적 검증을 통해서 극히 정밀한 수준까지 정확하게 맞고 있다. 미진한 부분은 ‘중성미자’의 질량에 관한 문제가 해결되지 않았지만 인류의 성취한 지성의 금자탑임에는 틀림이 없다고 한다.

‘과학책을읽는보통사람들‘ 회원 허심

#65호