시간(時間, time), 공간(空間, space)과 시공간(時空間, spacetime)

시간은 물질우주와 마찬가지로 빅뱅과 더불어 비롯되었다. 빅뱅은 북극점과 같은 일종의 특이점으로서 북극점보다 더 북쪽은 없고 어느 쪽이든 남쪽이듯이 빅뱅 이전은 존재하지 않으며 오로지 이후만 있을 뿐이다. 빅뱅 이후 시간은 흐르고 흘러 오늘날까지 왔다. 그러나 물리학의 세계에서는 시간의 흐름이나 경과는 존재하지 않으며 각각의 시점만이 존재한다. 더욱이 이들 시점은 임의로 옮겨질 수 있으며 그런 임의의 시점으로부터 생긴 시간간격만을 시계로 측정할 수 있을 뿐이다. 그나마 누구에게나 똑 같은 순간이 되는 시각이나 똑 같은 속도로 흐르는 시간, 즉 누구에게나 공통적인 절대시간(絶對時間, absolute time)은 존재하지 않으며 그가 어디에 있고 어떤 속도로 움직이느냐에 따라 다 다르다.

실제로 광속(光速, velocity of light)으로 움직이는 입자에게는 시간이란 존재하지 않으며 미시의 세계에서는 시간이 역행한다고 해도 아무런 문제도 생기지 않는다. 그러나 거시의 세계에서는 과거는 기억되고 기록될 수 있으나 미래는 그렇지 못하고, 엔트로피(entropy)는 시간에 따라 증가하며 우주의 팽창 역시 시간에 따라 진행되고 있기 때문에 시간은 미래라는 한 방향으로만 흐른다고 보게 되는데 이것을 열역학적 시간의 화살(thermodynamic arrow of time)이라고 한다. 또 생명체들에게 있어서는 세포 안에 있는 가변적인 화학적 평형상태의 주기가 시간개념과 결합되어 있어 시간의 흐름을 느끼게 된다.

공간(空間, space)은 중력이 작용하는 장(중력장/重力場, gravitational field)으로서 역시 빅뱅과 더불어 비롯되었다. 현재 우리들이 살고 있는 공간은 전후, 좌우, 상하의 3차원(次元, dimension)으로 되어있고 시간과 같은 방향의 제약은 가지고 있지 않다. 또 물체를 담고 있는 각각의 공간은 각 물체의 중력에 따라 각각 다른 곡률로 휘게 되고 이러한 중력장 안에서 움직이는 물체는 가상의 중력선(重力線, gravitational line)을 따라 이동하게 된다. 즉 유클리드(Euclid)적 동질의 공간, 즉 절대공간(絶對空間, absolute space)은 존재하지 않으며 공간은 물체가 어떻게 움직일 것인가를 알려주고 물체는 공간이 어떻게 휠 것인가를 알려주는 것이다.

그래서 중력에 의해서 휘어진 공간에서는 빛조차 휘게 되는데 예를 들어 멀리 있는 두 별이 지구와 일직선을 이루고 있을 때는 앞에 있는 별이 뒤에 있는 별에서 오는 빛을 굴절시킴으로서 뒤에 있는 별을 여러 개로 보이도록 한다. 또 경우에 따라서는 무거운 별이 근처를 지나가는 별빛을 휘게 하여 본래의 별빛과 중첩시킴으로서 별을 더욱 밝게 보이도록 하는데 이런 현상을 중력렌즈(gravitational lens)효과라고 한다. 또한 중력은 가속운동(加速運動, accelerated motion)과 물리적으로 같은 현상으로서 중력을 느낀다는 것은 가속운동을 하고 있다는 뜻이며 이것을 등가원리(等價原理, principle of equivalence)라고 한다.

그런데 시간과 공간은 따로 분리되어 있는 것이 아니라 3차원 공간에 시간이 결합된 4차원 시공간으로서 같이 연결되어 있으며 이것은 절대적인 것이 아니라 매우 역동적인 것으로서 질량과 에너지의 분포에 따라 얼마든지 변할 수 있는 것이다. 그리고 아인슈타인의 특수상대성이론은 우주안의 모든 물체가 시공간 내에서 항상 광속으로 이동하고 있어 비록 공간상에서는 정지하고 있더라도 시간을 따라 광속으로 이동하고 있는 것이며 공간상에서 어떤 속도로 이동할 때에는 그만큼 시간을 따라가는 속도가 늦어져 시간이 느리게 진행되는 것이라고 설명하고 있다. 그러나 최근에 등장한 “초끈이론”과 “M-이론”에서는 우주가 10차원 또는 11차원 시공간이기를 요구하고 있어 우리에게는 지금 아직도 장막에 가려있는 6~7개의 차원이 더 있을 수도 있다.

물질의 구조

우리 우주의 모든 물질은 원자(原子, atom)로 구성되어 있다. 이들 원자는 중앙에 원자핵(原子核, atomic nucleus)이 있고 그 주변에 전자가 분포되어 회전하고 있으며 전자가 분포되어 있는 구역은 순수한 허공과 마찬가지이다. 원자의 크기는 전자가 분포할 수 있는 제일 바깥쪽 경계면까지의 크기가 되는데 직경이 개략㎝임에 비해 원자핵은 개략㎝밖에 되지 않는다. 그런데 전자는 원자핵에 비해 워낙 질량이 적으므로 정작 실제 물질이라고 할 수 있는 부분은 원자핵뿐이고 이것은 원자 전체의 크기에 비해 길이단위로 10만 분의 1(), 부피로는 1000조 분의 1()에 불과하다. 따라서 원자핵의 크기를 지구만 하게 만들면 아무리 가까운 다른 원자핵도 지구와 태양사이의 거리의 거의 7배 이내에는 있을 수 없게 되므로 물체라고 하는 것들이 입자의 입장에서 보면 우리가 마치 우주공간을 바라보는 것과 비슷한 형태이며 아무리 단단해 보여도 실제로는 허공과 다를 바 없는 것이다.

원자핵은 가장 가벼운 원소인 수소만 하나의 양성자로 되어있고 나머지 모든 원소는 양성자와 중성자로 이루어 져 있다. 가벼운 원소는 대개 양성자와 같은 숫자의 중성자가 원자핵을 구성하나 무거운 원소로 갈수록 중성자의 수가 많아진다. 예를 들어 두 번째로 가벼운 원소인 헬륨은 양성자와 중성자가 각각 2개씩이고 탄소는 6개씩, 질소는 7개씩, 산소는 8개씩 등이다. 그러나 철은 양성자 26개와 중성자 30개이고, 은은 47개와 61개, 금은 79개와 118개, 납은 82개와 125개, 우라늄은 92개와 146개 등이다. 이들 원소의 화학적 성질은 모두 양성자의 수에 관계되며 이것이 곧 그 원소의 원자번호(原子番號, atomic number)가 된다.

그리고 각 원소의 양성자수와 중성자수를 합친 숫자를 그 원소의 원자량(原子量, atomic weight)이라고 하며 헬륨은 4, 철은 56, 우라늄은 238 등이다. 그러나 원소들이 항상 같은 수의 중성자만 가지는 것은 아니어서 예를 들어 헬륨-3은 양성자는 2개이나 중성자는 1개로서 원자량이 3이고 산소-17은 양성자는 8개이나 중성자는 9개로서 원자량이 17이다. 또 우라늄-235는 양성자는 92개이나 중성자는 143개로서 원자량이 235인데 이런 원소들을 동위원소(同位元素, isotope)라고 하며 동위원소들은 원소에 따라 여러 개가 있어 주석과 같은 원소들은 동위원소들을 10가지나 가지고 있다. 그리고 모든 원자들은 중성자의 수에는 관계없이 양성자, 즉 원자번호와 똑같은 수의 전자를 가짐으로서 전기적으로 중성이 된다.

이와 같이 물질들을 이루고 있는 양성자와 중성자, 그리고 전자와 같은 입자들을 물질입자라고 한다. 그리고 이런 입자들은 각운동량(角運動量, angular momentum)과 관계되는 고유(固有)스핀(spin)이라는 값을 가진다. 물질입자들의 고유스핀은 어떤 특정 값의 반 홀수 배, 즉 1/2배, 3/2배, 5/2배 등이며 이런 입자들을 페르미온(fermion)이라고 한다. 또 전자는 더 이상 나눌 수 없는 기본입자이지만 양성자와 중성자는 각각 3개씩의 쿼크로 이루어져 있다. 이들 중 양성자와 전자는 매우 안정된 입자이며 중성자 역시 원자핵 내에서는 매우 안정적이나 독립적인 중성자는 900초 이내에 하나의 양성자와 전자 그리고 중성미자로 붕괴된다.

물질의 기본적인 구성입자는 6가지의 쿼크와 6개의 경입자(輕粒子, 렙톤/lepton) 등 모두 12가지의 소립자이다. 6개의 쿼크는 각각 업, 다운, 참(charm), 스트레인지(strange), 톱(top), 바텀(bottom)이라고 구분하는데 이를 맛(향/香, flavor)이라고 하며 경입자는 전자, 뮤온(muon), 타우(tau), 전자중성미자, 뮤온중성미자, 타우중성미자의 6가지이다. 그러나 이들은 모두 반입자(反粒子, antiparticle)를 가지기 때문에 기본입자가 실제로는 24가지가 된다.

쿼크는 전하(電荷, electric charge)를 가지는데 업, 참, 톱의 전하는 +2/3e이고 다운, 스트레인지, 바텀의 전하는 -1/3e이며 스핀은 모두 1/2이다. 쿼크는 또 세 가지 종류의 성질 중 한 가지를 가지는데 성질 자체를 색(色, color)이라고 하며 세 가지 성질에는 각각 빛의 삼원색인 빨강(red), 초록(green), 파랑(blue)이라는 이름이 붙어있다. 양성자나 중성자는 3개의 쿼크가 강력에 의해 결합된 것으로서 이러한 입자를 중입자(重粒子, 바리온/baryon)라고 하며 그 외에 2개의 쿼크가 강력에 의해 결합된 입자를 중간자(中間子, 메존/meson)라고 한다. 그리고 강력에 의해 결합된 이런 입자들을 통 털어 강입자(强粒子, 하드론/hadron)라고 하며 이에 대하여 경입자들을 약입자(弱粒子)라고도 한다.

양성자와 중성자를 만드는데 쓰이는 쿼크는 6가지 중 업과 다운 두 가지뿐이다. 즉 업 2개와 다운 한 개가 결합되면 전하가 +e인 양성자가 되고 업 한 개와 다운 2개가 결합되면 전기적으로 중성인 중성자가 되는 것이다. 그런데 쿼크는 색을 가진 채로 독자적으로 존재할 수는 없고 반드시 다른 쿼크와 결합하여 색이 없는 상태로만 존재할 수 있으며 강력은 색이 다른 입자 사이에만 작용하기 때문에 양성자나 중성자를 이루는 쿼크는 세 가지 색 중 각각 다른 한 가지 색을 가져야 한다.

그러나 중간자는 2개의 쿼크로 만들어지기 때문에 쿼크끼리 만으로는 이러한 조건을 만족시킬 수 없다. 따라서 중간자는 쿼크와 그의 보색(補色)을 가지는 반 쿼크를 결합시킴으로서 이러한 조건을 만족시킨다. 중간자 중 가장 중요한 파이중간자의 경우 업 쿼크와 반 업 쿼크, 다운쿼크와 반 다운쿼크가 결합되면 전기적으로 중성인 π중간자가 되지만 업 쿼크와 반 다운쿼크가 결합되면 전하가 +e인 π+중간자, 다운쿼크와 반 업 쿼크가 결합되면 전하가 -e인 π-중간자가 된다.

결국 우주공간을 채우고 있는 모든 물질은 두 가지 쿼크와 그들의 반쿼크 그리고 전자 등 단 다섯 가지의 경입자로 만들어져 있으며 다른 입자들은 강입자나 약입자들을 막론하고 대부분 빅뱅과 같은 아주 극한적인 상황에서만 존재한다. 한편 이들 반 홀수배의 고유스핀을 가지는 물질입자들은 다수의 입자를 포함하는 계(系, system)에서 2개 이상의 입자가 같은 양자상태를 취할 수 없다. 예를 들어 원자 내에서 하나의 양자궤도에는 똑같은 양자상태의 전자가 2개 들어갈 수 없기 때문에 반드시 반대 스핀을 가지는 2개의 전자만이 존재할 수 있으며 이것을 파울리의 배타원리(排他原理, Pauli's principle)라고 한다.

[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]