노벨 물리학상을 수상한 스티븐 와인버그(Steven Weinberg)는 물질의 항구적인 구성 요소(업 쿼크, 다운 쿼크, 전자)
들과 잠깐 나타났다 사라지는 기본 입자들 사이의 상호 작용을 구술해 주는 잘 만들어진 입자 물리학 이론에 ‘표준
모형(Standard Model)’이라는 명칭을 붙였다.
표준 모형은 또한 기본 입자들이 상호 작용하는 네 가지 힘 중 세가지, 즉 전자기력, 약력, 강력을 설명해 준다.
중력과 전자기력은 수백 년 전부터 알려온 힘이지만, 나머지 두 힘은 20세기 후반에 들어서야 겨우 이해가 되었다.
약력과 강력은 기본 입자 사이에서 작용하며 특히 핵에서 중요한 힘이다.
이 두 힘은 쿼크를 한데 결합시키고 핵을 붕괴시킨다.
물질 세계의 중심에는 업 쿼크, 다운 쿼크, 전자가 있다.
우리는 이들과는 다르며 보통 물질에서 찾아 볼 수 없는, 더 무거운 쿼크와 전자와 유사하지만 전자보다 더 무거운
입자가 있다는 것을 알고 있다.
예를 들면 양성자 질량의 2,000분의 1 정도의 질량을 가진 전자와 똑같은 전하를 가지면서도 질량은 200배 큰 뮤온(muon)
이라는 입자가 있다.
전자와 같은 전하를 갖지만 질량은 10배 정도인 타우(tau)입자도 있다.
지난 30년 동안 고에너지 충돌 실험에서는 이보다 더 무거운 입자들도 발견되었다.
이처럼 무거운 입자를 만들어 내려면, 현재의 고에너지 입자 충돌기가 만들어 내는 정도의 엄청난 양의 에너지를 고도로
집중할 필요가 있다.
방금 말한 입자들은 안정적인 물체 안에는 존재 하지 않지만, 이 입자들은 고에너지 충돌기에서 지금도 만들어지고 있으
며, 대폭발 직후의 초기 우주에서는 세계의 일부를 이루고 있었다. 이 입자들은 표준 모형의 필수 불가결한 일부이다.
표준 모형의 무거운 입자가 왜 존재하는지는 아무도 모른다.
무거운 입자의 목적이 무엇이고, 궁극적인 근본 이론에서 이 입자가 하는 역할이 무엇이며, 물질을 구성하는 친숙한
입자의 질량에 비해 이 입자의 질량이 왜 그처럼 무거운지 등이 표준 모형이 풀어야 할 주요한 수수께끼이다.
그 밖의 문제도 있다.
왜 네 종류의 힘이 있을까?
그밖의 다른 힘은 없을까?
왜 중력은 우리가 아는 다른 힘에 비해 약한 것일까?
게다가 더 이론적인 질문도 있는데, 그것은 모든 거리 규모에서 양자 역학과 중력을 조화시키는 것이다.
이는 가시적인 현상이 아니라 입자 물리학의 내재적 한계에 대한 물음이라는 점에서 다른 문제들과 구별된다.
표준 모형은 가시적인 현상의 측면과 순전히 이론적인 측면 모두에서 미해결의 과제를 안고 있다.
우리는 표준 모형의 훌륭한 설명과 성공에도 불구하고, 더 근본적인 구조가 우리의 손길을 기다리고 있으며 또한 더
근본적인 법칙에 대한 탐구가 있을 거라고 확신한다.
현재 진행 중인 실험과 미래의 입자 충돌기는 더 이상 표준 모형의 구성 요소를 추적하지 않을 것이다.
표준 모형은 기본 입자들과 그들의 상호 작용 체계를 훌륭하게 세웠으며, 지금은 표준 모형의 구성 입자가 모두 다
알려진 상태다.
실험 물리학자들은 이제 더 흥미로운 입자를 찾고 있다.
현재의 이론적 모형은 표준 모형에 새로운 요소를 추가함으로써 표준 모형의 미해결 문제를 해결하려고 하고 있다.
현재, 그리고 앞으로 진행될 실험에서 찾아낼 단서들로부터, 우리는 새로운 모형에 추가할 새로운 요소가 무엇인지
또 물질의 진정한 본성이 무엇인지 밝혀낼 수 있기를 고대하고 있다.
물질의 핵심, 원자, 분자 그리고 쿼크
앞으로 살펴볼 생각들은 우주 전체를 고려하는 것들인데, 우주에 대한 설명은 물질의 최소 구성 단위를 다루는 이론인
입자 물리학과 끈 이론에 뿌리를 내리고 있다.
이 원자 세계 여행에서 주의해야 할 것은 이론이 바뀌면 달라지는 물질의 기본 구성 단위와 물리적 대상의 크기이다.
이것은 이 여행에서 당신이 어디 있는지를 알려 주는 몇 안 되는 이정표이고, 물리학의 각 분야가 어떤 것을 다루는지도
알려 주는 표식이다.
물리학의 기초적인 구성 단위
대부분의 물리학은 물질 세계를 이루는 기초적인 구성 단위가 기본 입자라고 가정한다.
끈 이론은 이 가정에서 한 발 더 나아가 기본 입자는 끈의 진동이라고 주장한다.
하지만 끈 이론 연구자들도 물질은 더 이상 쪼개지지 않는 입자로 이루어져 있다고 믿는다.
확실히 맨눈으로는 입자를 볼 수 없기 때문에 모든 것이 입자로 이루어져 있다는 가정은 믿기 어려울 것이다.
그렇지만 물질의 기본 구성 요소는 기본 입자이다.
연속된 이미지 처럼 보이지만 결국 작은 최소점으로 이루어진 컴퓨터나 텔레비전 화면의 이미지처럼 물질은 결국 기본
입자로 구성된 원자로 이루어져 있다.
우리 주변의 물질은 연속적이고 균일해 보이지만 실제로는 그렇지 않다.
물리학자들은 물질의 내부를 들여다보고 물질이 무엇으로 이루어졌는지 추정하기 전에, 정밀한 측정 도구를 생산할 수
있는 기술을 확보해야 했다.
물리학자들이 더 작은 크기를 볼 수 있는 도구를 사용할 때마다 그들은 이전에 발견한 구조가 더 근본적인 요소인 ‘하부
구조’로 이루어져 있음을 발견했다.
입자 물리학의 목표는 물질의 가장 기본적인 구성 요소들과 이들이 따르는 가장 근본적인 물리 법칙을 발견하는 것이다.
기본 입자가 상호 작용하는 거리가 매우 가깝기 때문에 이 거리 범위에서 근본적인 힘을 쉽게 찾을 수 있다.
큰 규모에서는 기본 요소들이 한데 묶여 있어 근본적인 물리 법칙을 찾기가 더 어렵다.
작은 길이 규모가 흥미로운 까닭은 새로운 원리와 관계가 적용되기 때문이다.
짧은 거리에서는 전혀 새로운 현상들이 나타나게 된다.
조사하는 길이 규모를 줄여 가면 갈수록 더 근본적이고 기초적인 물리 법칙이 작동하는 새로운 세계를 발견하게 된다.
혈액 순환이 모든 인체 활동에서 무척 중요한 것과 마찬가지로, 작은 길이 규모에서 작동하는 근본적인 물리 법칙은
더 큰 길이 규모에 있는 우리에게도 무척 중요한 영향을 미치고 있다.
현재 우리는 모든 물질이 ‘원자’로 되어 있으며, 원자가 화학적으로 결합한 것이 ‘분자’라는 사실을 알고 있다.
원자 크기는 몇 옹스트롬(10^-10), 즉 1억분의 1센티미터 정도이다.
하지만 원자도 기초적인 구성단위가 아니다.
원자의 중심에는 양전하를 띤 ‘핵’이 있고, 주변에는 음전하를 띤 ‘전자’가 있다.
핵은 원자보다 훨씬 작아서, 원자 크기의 대략 10만분의 1이다.
또 양전하를 띤 핵 자체도 복합물이다.
핵은 양전하를 띤 ‘양성자’와 전하를 띠지 않는 ‘중성자’로 이루어져 있다.
이 두 입자를 한데 묶어 ‘핵자’라고 부르는데, 핵자는 핵보다 훨씬 작다.
이것이 1960년대 이전 과학자들이 가졌던 물질상이며, 우리가 학교에서 배웠던 것이다.
하지만 양성자와 중성자도 기본 입자가 아니다. 양성자와 중성자는 하부구조, 즉 더 근본적인 요소인 ‘쿼크’로 이루어져
있다.
양성자는 2개의 ‘업 쿼크(up quark)’와 하나의 ‘다운 쿼크(down quark)’로 이루어져 있고, 반면 중성자는 2개의 다운 쿼크
와 하나의 업 쿼크로 이루어져 있따.
이 쿼크들은 ‘강력(strong force)’ 이라는 핵력으로 한데 묶여 있다.
하지만 원자의 또 다른 구성 요소인 전자는 다르다.
전자는 기본 입자이다.
전자는 더 작은 입자로 나뉘지 않으며 그 안에 다른 하부 구조를 포함하지 않는다.