기본적인 입자들의 상호작용

우리는 지금까지 물질을 구성하는 기본적인 구성 요소가 무엇인가를 고찰하여왔다. 그런데 이러한 기본 입자들을 중요하게 여기는 것은 이들 간의 상호작용에 의한 이들의 운동 상태에 의해 자연계의 모든 현상을 설명할 수 있다고 보기 때문이다. 이러한 관점에 의해 자연현상을 설명하기 위해서는 먼저 이들 기본 입자 사이에 어떤 상호작용 존재하는가를 알아야 할 것이며, 다음에는 이러한 상호작용이 있을 때 어떤 운동 상태가 가능할 것인가를 말할 수 있어야 한다.

 

여기서는 먼저 기본 입자들 사이에 존재하는 상호작용은 어떤 것인가를 고찰하기로 해보자. 여기서 상호작용이라 함은 이 입자들 사이에 서로 주고받는 힘을 의미하며 따라서 이 문제는 이러한 입자들 사이에 어떤 힘이 존재하는가 하는 문제와 동일한 것이다. 자연계에 존재하는 크고 작은 여러 물체들 사이에는 여러 가지 종류의 힘이 작용한다.

 

그러나 이 힘들의 근원을 면밀히 분석해보면 결국 네 가지의 기본적인 상호작용에 귀착됨을 알 수 있다. 이 네 가지 기본적 상호작용을 그 크기의 순위로 적어보면 다음과 같다.

 

1. 강한 상호작용

2. 전자기적 상호작용

3. 약한 상호작용

4. 중력 상호작용

 

이와 같은 상호작용들은 입자들의 종류와 특성 그리고 서로 떨어져 있는 거리에 따라 그 효력이 각각 다르게 나타난다. 예를 들면 두 개의 양성자 사이에는 이 네 가지 상호작용이 모두 적용되고 있으나 이들이 대략 10-13cm 이상 떨어져 있으면 전자기적 상호작용에 의한 반발력이 주로 미치게 되고 10-13cm 이내로 접근하면 강한 상호작용이 크게 작용하여 나머지 상호작용들은 상대적으로 무시될 수 있다.

 

반대로 중력 상호작용은 일반적으로 그 효력이 가장 미약한 힘이지만 거리가 충분히 멀거나 전하들이 서로 중화되어 다른 상호작용들이 효력을 미치지 못할 경우에는 가장 중요한 상호작용의 역할을 할 수도 있다. 예를 들어 천체들 사이에 존재하는 상호작용이 바로 중력 상호작용이다. 

1. 강한 상호작용

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우리가 만일 원자와 원자핵이 공간 내에서 차지하는 부피를 생각해본다면 이들은 놀랄 만큼 작다는 것을 알 수 있다. 간단히 원자 하나의 크기와 좁쌀 한 알의 크기를 비교해보자. 만일 원자의 크기를 좁쌀만큼 확대시킨다면 좁쌀의 크기는 그 반경이 에베레스트산의 높이만큼 될 것이다. 다시 원자와 원자핵의 크기를 비교해보기 위해 원자핵을 좁쌀만큼 확대시켰다고 하면 원자의 크기는 고층건물의 크기 정도 될 것이다.

 

그러면 양성자들과 중성자들을 원자핵이라는 작은 공간 내에 단단히 묶어두는 힘은 무엇인가? 이것이 바로 강한 상호작용이라는 힘으로서 핵자(양성자와 중성자)들을 결합하여 여러 종류의 원자핵을 만들어주는 원인이 된다.

 

특히 양성자들은 모두 같은 종류의 전하를 띠고 있기 때문에 좁은 영역 속에 여러 개가 모이게 되면 서로 간에 대단히 강력한 반발력을 받는다. 그러나 이른바 강한 상호작용은 이러한 반발력을 능히 이기고 남을 만큼 강한 인력으로 이들을 원자핵 속에 묶어두는 것이다.

 

이러한 강한 상호작용은 두 가지 커다란 특징을 가지고 있다. 첫째 이 힘이 매우 짧은 거리 내에서만 작용한다는 것이다. 만일 두 입자 사이의 거리가 10-13cm 정도 이상으로 멀어지면 이 힘은 거의 아무런 영향도 미치지 못한다.

 

둘째 이 상호작용은 모든 입자들 사이에 존재하는 것이 아니고 오직 양성자, 중성자를 비롯한 중입 자족에 속하는 입자들과 파이 입자 등 중간 자족에 속하는 입자들 사이에만 존재한다. 이를테면 전자와 전자 사이 또는 저 낮 와 핵자 사이에는 강한 상호작용이 적용되지 않는다. 이러한 사실은 쿼크 이론에 의해 잘 설명될 수 있다. 강한 상호작용이란 본래 쿼크 사이에 작용하는 힘이어서 쿼크로 구성된 입자들 사이에만 적용이 되는 것이다.

 

2. 전자기적 상호작용

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강한 상호작용에 비하면 대략 100분에 1 정도로 약하지만 지구 상의 대부분의 물리적, 화학적, 생리적 현상 및 변화를 가능하게 해주는 힘이 전자기적 상호작용이다. 이것은 입자들이 띠고 있는 전하들 사이에 작용하는 정전기력과 움직이는 전하들 사이에 작용하는 자기력이 서로 미치는 것을 의미한다. 이 힘은 강한 상호작용과 달라서 서로 멀리 떨어져 있는 전하들 사이에도 작용하며 때때로 일상생활 속에서 직접적으로 경험되기도 한다.

 

그러나 이 힘이 가장 중요한 역할을 하는 곳은 원자의 내부 및 원자와 원자 사이라고 할 수 있다. 원자핵과 전자들이 서로 힘을 미쳐 원자의 구조를 이루는 것이 바로 이 상호작용에 의한 것이며 또한 원자들이 모여 분자를 이루고 거시적 물체를 이루는 것도 모두 이 상호작용에 기인하는 것이다.

3. 약한 상호작용

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강한 상호작용 이외에도 원자핵 내부 또는 입자들 사이 극히 가까운 거리에서만 작용하는 또 한 종류의 힘이 존재한다는 사실이 발견되었다. 이 힘은 그 크기에 있어서 강한 상호작용과 비교해 볼 때 불과 10-14배 정도에 불과하므로 대단히 미약하다고 할 수 있으나 그럼에도 불구하고 원재 핵 및 기본 입자 세계에서 여러 중요한 현상들을 일으키는 원인이 된다.  이 힘은 물론 이보다 강한 힘들인 강한 상호작용이나 전자기적 상호작용이 효력을 발생하지 못하는 경우에 그 효과가 나타난다.

 

4. 중력 상호작용

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흔히 만유인력이라고 불리는 이 힘은 자연계에 존재하는 네 가지 기본적인 상호작용 가운데 가장 미약한 힘이다. 하나의 양성자와 전자 사이에 작용하는 중력을 이들 사이의 전기력과 비교해보면 중력은 전기력의 10-39배 정도로 미약하다. 한 편 중력은 질량(에너지)을 가진 모든 입자에 적용되며 전기력과 마찬가지로 서로 멀리 떨어져 있는 물체들 사이에도 작용한다.

 

또한 전기력과 달라서 인력과 철력이 서로 상쇄되는 일이 없으므로 물체가 쌓여 질량이 커지면 커질수록 중력은 더 강력해진다. 따라서 질량이 대단히 큰 천체들 사이에는 이 힘이 가장 중요한 상호작용이 되고 있으며 하나의 작은 천체인 지구 위에 사는 우리 사람들도 지구와 물체 간의 이 힘을 일상 경험하게 된다.