힘(force, 또는 상호작용/相互作用, interaction)의 성질

우주공간에는 이와 같은 물질들 외에 물질 사이에 상호 작용하는 네 가지 힘이 존재하며 이들도 몇 가지 입자들의 교환에 의해서 전달되는데 이러한 입자들을 매개입자라고 한다. 이들은 물질입자와는 달리 어느 특정 값의 0배, 1배, 2배 등 정수배의 고유스핀 값을 가지며 이러한 입자를 보손(boson)이라고 한다. 그 중 첫 번째 힘인 중력은 질량이 없고 스핀이 2인 중력자에 의해 전달되는데 한 가지 종류만 있는 질량 사이에 작용하며 거시세계(巨視世界, macroscopic world)를 구성한다. 즉 별들의 세계가 유지되는 것은 모두 중력의 작용이고 전자기력이나 핵력은 전혀 영향을 미치지 못한다. 중력은 무한대까지 작용하나 네 가지 힘 중 가장 약해서 강력의 10-38 밖에 안 되며 그 크기는 질량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

두 번째 힘인 전자기력은 질량이 없고 스핀이 1인 광자에 의해 전달되는데 +와 -, 두 가지 종류가 있는 전하 사이에 작용하며 미시세계(微視世界, microscopic world)를 구성한다. 즉 원자핵이 전자를 붙잡아 원자를 구성할 수 있도록 해 주는 것은 전자기력이며 중력이나 핵력은 전혀 관계가 없는데 +와 -가 균형을 이루기 때문에 전기적 특성이 밖으로 나타나지 않는 중성이 된다. 또 원자들이 결합하여 분자들을 만들고 분자들이 결합하여 물질을 만드는 것도 모두 전자기력의 작용이다. 전기력(電氣力, electric force)은 전자기력 중 전하들 사이에 작용하는 힘이고 자기력(磁氣力, magnetic force)은 움직이는 전하들 사이에 작용하는 힘이다. 그래서 전기장(電氣場, electric field)이 움직이면 자력이 발생하고 자기장이 움직이면 전력이 발생한다. 전자기력 역시 무한대까지 작용하나 대개 +와 -, 그리고 N극(極, pole)과 S극이 상쇄됨으로서 실제로는 멀리까지 작용하는 경우가 거의 없으며 세기는 강력의 1/100 정도이다. 전자기력 역시 전하의 크기에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

세 번째 힘인 강한 핵력(강력)은 두 가지가 있는데 원자핵 내부에서 작용하며 극미세계(極微世界, supermicroscopic world)를 구성한다. 먼저 세 가지 색의 쿼크를 묶어 양성자와 중성자를 만들어 주는 것은 질량이 없고 스핀이 1인 글루온이라는 매개입자이다. 글루온은 쿼크와 작용하여 이들의 색을 바꾸어 줌으로서 이들을 결합시키며 어떤 색을 어떤 색으로 바꾸어주느냐에 따라 8가지가 있다. 글루온 역시 자체의 색을 가지고 있어 쿼크와 마찬가지로 따로 존재하는 것은 불가능하며 양성자나 중성자 안에서만 존재할 수 있다. 또 양성자와 중성자들을 묶어 원자핵을 만들어 주는 것은 스핀이 0인 파이중간자이다. 이들 글루온과 파이중간자에 의해서 전달되는 강력은 네 가지 힘들 중 가장 강해서 전자기력의 100배 정도지만 작용범위는 10-13cm로서 원자핵 내에서만 작용한다.

네 번째 힘인 약한 핵력(약력)은 중성자가 β붕괴를 일으켜 전자와 중성미자를 방출하고 양성자로 바뀌도록 해 주거나 역으로 양성자가 전자를 포획하여 중성미자를 방출하고 중성자로 바뀌도록 해 주는 등의 역할을 해 주는 힘으로서 매개입자는 전하를 가진 W+입자와 W-입자, 그리고 전기적으로 중성인 Z0입자이며 스핀은 모두 1이다. 약력의 세기는 강력의 10-13 정도이며 작용범위도 강력보다 더 좁은 10-16cm 정도로서 양성자나 중성자 내에서만 작용한다. 그런데 약력을 전달하는 입자들은 매우 무겁지만 빅뱅 이후 약력과 전자기력이 나누어졌을 때와 같은 온도 이상이 되면 질량을 잃어 광자와 구별이 불가능해 지며 약력과 전자기력은 같은 작용이 된다. 그리고 이들 정수배의 고유스핀을 가지는 매개입자들은 파울리의 배타원리와 관계가 없어 같은 계 안에 얼마든지 많은 입자가 같은 양자상태로 존재할 수 있다.

이와 같이 우주공간을 채우고 있는 모든 물질이나 그 사이에 작용하는 모든 힘들은 모두 몇 가지의 기본적인 입자들로 이루어져 있으며 이들은 빅뱅의 어느 단계에선가 빛으로부터 갈라져 나온 것들이다. 따라서 빅뱅의 과정을 거꾸로 거슬러 올라가면서 이들이 갈라지기 이전의 단계로 돌아가면 이들은 다시 통합을 이루게 되고 궁극적으로는 물질이나 힘이나 모두 대통합을 이루어 다시 단 하나, 빛(광자)만 남게 될 것이다.

양자요동(量子搖動, quantum fluctuation), 광자와 중성미자, 파동(波動)과 입자의 이중성(二重性, wave-particle dualism), 양자중첩(量子重疊, quantum superposition)

전자와 양전자가 충돌하면 큰 에너지를 가진 전자기파, 즉 정지질량을 가지지 않는 두개의 광자로 방사되며 이와 같은 고(高)에너지 광자를 γ선이라고 한다. 또 반대로 충분한 에너지를 가진 광자, 즉 전자기파가 충돌하면 전자와 양전자가 생성된다. 이와 같이 미시의 세계에서는 물질이 에너지가 되고 에너지가 물질이 되는 것이 얼마든지 가능하다. 그리고 광자나 전자와 같은 입자들은 가질 수 있는 에너지가 연속적이지 않고 특정 값의 정수배로만 가능하기 때문에 이들을 양자(量子, quantum)라고 하며 이들 세계에서는 에너지, 즉 물질이 텅 빈 공간, 즉 진공(眞空, vacuum)에서 생성될 수도 있다. 그렇지만 실제로는 완전히 비어있는 공간이란 있을 수 없고 어떤 진공상태에서도 잠재적인 소립자들이 부글부글 끓고 있으며 끊임없이 생성되었다가 소멸되는데 이를 양자요동이라고 한다.

광자는 우주공간에 가장 많이 존재하는 입자로서 1㎤당 평균 약 500개가 존재하고 질량은 없지만 정해진 양의 에너지를 가지고 항상 빛의 속도로 움직이며 절대로 정지하지 않는다. 빅뱅 초기에 광자보다도 더 먼저 다른 물질들과 분리된 중성미자는 보통 물질과는 거의 상호작용을 일으키지 않아 지구나 태양과 같은 단단한 물질도 쉽게 관통한다. 중성미자도 반입자를 포함하여 1㎤당 평균 약 400개가 존재하며 평균에너지도 광자보다는 약간 낮지만 거의 비슷하다. 그러니까 우주는 광자와 중성미자의 바다라고 할 수 있으며 별들을 포함하여 우주에 존재하는 모든 물질들은 이 바다에 떠 있는 것이나 마찬가지로서 이들은 우주의 팽창과 함께 에너지를 잃으며 서서히 식어가고 있다. 중성미자는 아직 질량을 가졌는지 아닌지조차도 밝혀지지 않았지만 워낙 이들의 수가 많기 때문에 이들이 아주 작은 질량만을 가지고 있다고 해도 전체 질량은 우주의 미래가 달라질 만큼 큰 값이 된다.

사실 광자나 전자와 같은 소립자 즉 양자들은 객관적인 존재가 아니어서 관측하기 전까지는 어느 곳에나 있으면서 어느 곳에도 존재하지 않으며 또 우리와 상호작용하는 방법에 따라 입자도 되고 파동도 되므로 입자로 검출하려고 하면 입자로 나타나지만 파동으로 검출하려고 하면 양자상태가 붕괴되어 파동으로 나타난다. 이들은 파동도 아니고 입자도 아니면서 파동인 동시에 입자인 이중성을 가지고 있는 것이다. 또 이들은 파동과 입자라는 각각 다른 상태로 존재할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 여러 곳에 존재할 수도 있으며 이들은 서로를 간섭하는데 이를 양자 중첩이라고 한다.

미시세계에서는 소립자들이 독립된 존재라기보다는 다른 입자들과 서로 연결되어 있는 것으로 보인다. 이를 양자상태의 얽힘(entanglement)이라고 한다. 그래서 하나의 부분영역에서 발생하는 변화가 순간적으로 다른 부분영역에 전달될 수 있으며 그 전달속도는 빛보다 훨씬 더 빠를 수도 있다. 따라서 이런 현상은 정보의 전달에 의해서라기보다는 이들 소립자가 빅뱅이 일어났을 때 공통으로 생성됨으로서 어떤 양자역학적인 방식으로 연결되어 있고 그로 인해 나타나는 우주의 비국지성(초공간성) 때문인 것으로 보고 있다. 이들 연구에서 밝혀진 바에 의하면 거시세계에서는 원자와 분자로 만들어진 분리된 객체가 존재하지만 이들 원자와 분자를 구성하고 있는 소립자의 수준에서는 이러한 분리는 사라져버리고 우리 우주공간에는 분리될 수 있는 것이 아무것도 없으며 만물이 다른 만물 속에 침투해 있고 또 다른 만물에 의해 침투되어 있다는 것이다.

한편 홀로그램을 만드는 필름은 2차원 평면 속에 3차원 영상을 담은 것으로서 일반 필름과는 달리 아무리 작은 조각 속에도 해상도(解像度, resolution) 만 떨어질 뿐 전체의 영상을 모두 간직하는데 우리 우주는 홀로그램과 같은 특성을 가지고 있어서 아무리 작은 티끌 속에도 우주 전체의 모습과 정보가 담겨져 있어 그 자체가 일종의 거대한, 유동(流動)하는 홀로그램이다. 또한 우주는 무한대까지 반복되는 것은 아니지만 부분 속에 전체의 모습이 들어있고 또 그 부분 속에도 전체의 모습이 들어있는 프랙탈 구조로 되어 있다.

임성빈교수의 '빛의 환타지아'