물질의 상호작용 그리고 현대우주론 빅뱅

물질 간의 상호작용

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양성자, 중성자, 전자들이 어떻게 원자를 구성할 수 있고 이 원자들은 또 무슨 힘에 의해 다시 분자들을 구성하면서 분자들이 물체를 어떻게 형성할 수 있을까? 어떤 조화에 의해 작은 먼지에서부터 거대한 천체에까지, 그리고 박테리아에서부터 사람에까지 형성될 수 있을까? 이러한 기본 질문에 대한 해답은 원리상 물질 간의 상호작용에 의해 얻어질 수 있을 것이다.

 

물질을 구성하는 입자들은 상호작용에 의해 주어진 물리적 환경에서 안정된 상태를 이룬다. 원자는 원자핵과 전자 사이의 정전기력이라는 상호작용에 의해 안정된 상태를 이루는 하나의 계로 볼 수 있다. 이러한 상호작용에는 어떤 것이 있을까? 자연계에 존재하는 물질들 간에는 여러 형태의 힘 (ex 중력, 전기력, 핵력, 화학 결합력, 분자력, 복원력, 표면장력, 근육력 등) 이 작용한다.

 

그러나 이들은 궁극적으로 4개의 기본 상호작용에 의해 이루어진 것인데 이들은 중력 상호작용, 전자 기석 상호작용, 강한 상호작용, 약한 상호작용이다. 그중 중력과 전자기력은 우리의 일상생활에서 많이 경험하는 것인데 반해 강한 상호작용이나 약한 상호작용은 소립자나 원자핵을 연구하는 실험실에서 주로 관측된다.

 

그런데 이들 상호작용은 모든 입자들에 다 작용하는 것이 아니라 일정한 자격이 갖추어진 입자에만 작용하는 것이다. 예를 들어 중력은 질량을 가진 입자들에만 작용하고 전자기력은 전하량을 가진 입자들에만 작용한다. 

 

노벨 물리학상 수상자 '리'는 과학의 궁극 목적은 이미 알려진 현상들을 설명하고 새로운 결과를 예측할 수 있게 해주는 몇 개의 기본 원리를 찾는 것이라고 말한다. 모든 물질은 소립자라는 기본 단위들로 구성되어 있기 때문에 모든 자연과학은 궁극적으로 이들 기본 입자들의 행위를 지배하는 법칙들에 바탕을 두어야 한다.

 

현대 우주론 그리고 빅뱅

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20세기 과학이 이루어낸 성과 중의 하나가 우주의 기원에 대한 비밀을 알아낸 것이다. 현대 천문학이 밝혀낸 우주에는 수천억 개의 은하가 있으며 한 개의 은하는 대략 수천억 개의 별로 구성되어 있다. 이 별 가운데 하나가 우리의 태양이다. 뿐만 아니라 우주에는 블랙홀과 암흑물질 등 아직도 그 정체를 분명히 밝혀내지 못한 천체들이 다수 포함되어 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 우주는 지금으로부터 대략 150억 년 전에 있었던 이른바 '대폭발'로 시작되었다는 것이다.

 

대략 150억 년 전에서부터 200억 년 전 사이에 있었다고 추정되는 우주적 대폭발의 처음 순간은 대단히 큰 에너지가 대단히 작은 우주 내에 밀집되어 있음으로써 거의 무한대에 가까운 온도에 도달했으리라고 생각된다.

 

그러나 물질 입자들의 생성을 비롯한 대단히 중요한 사건들은 폭발 이후 1초 이내에 대부분 이루어졌다. 폭발 후 1초가 경과한 시기에는 이미 양성자, 중성자, 전자, 양전자, 중성미자 및 이들의 반입자들이 이루어졌으며 이들의 광자들과 함께 약 100억 도의 온도에서 열평형을 이루고 있었다.

 

폭발 이후 3분이 지난 시기에는 온도가 약 10억 도로 떨어지고 주요 입자들의 존재 비율이 정해졌다. 양성자들과 중성자들이 각각 전체 질량의 87%와 13%를 점유하게 되고 전자들과 양전자들은 대부분 전자-양전자 쌍에 의해 소멸되어 오직 양성자 수에 해당하는 전자들만이 남게 되었다.

 

이 시기부터 폭발 후 30분이 지나는 시기까지 중성자들은 양성자들과 결합하여 중수소 및 헬륨 원자들을 형성하였고 물질의 대략 25%가 헬륨 원자핵으로 전환되었다.

 

이 시기 이후 수십만 년 동안 우주의 물질은 양성자, 헬륨 원자핵, 전자, 광자들이 서로 충돌하여 열평형을 이루고 있는 뜨겁고 불투명한 원시화 구상태를 지속하다가, 우주의 나이 대략 50만 년 경부터 우주의 온도가 충분히 낮아지고 입자들 사이의 거리도 멀어지면서 전자들이 원자핵과 결합하여 수소 및 헬륨 원자들을 형성하게 되었다.

 

이때부터 광자들은 다른 입자들과의 열평형에서 벗어나 공간을 자유롭게 날아다니게 되었으며 우리의 우주는 마침내 투명한 세계를 맞이하게 된 것이다. 대폭발 이후 100만 년이 된 시기에는 이미 원자 형성과정이 끝나고 수소와 헬륨 원자들은 다시 이합집산의 과정을 거쳐 대규모의 은화와 초기의 별들을 구성하기 시작했으며 그 후 장구한 시간을 거쳐 현재 우리가 보는 거소가 흡사한 우주의 모습이 서서히 출현하였다.