보이지 않는 것들의 물리학 (2015) / 이순철 저

물리학에서 다루는 보이지 않는 힘에는 네가지가 있다. 중력, 전자기력, 강력, 약력이다. 강력은 매우 강력한 힘으로  원자의 핵안에서 쿼크, 중성자, 양성자 사이에 작용하는 힘이다. 핵발전, 원자폭탄과 관련되는 힘이다. 약력은 중성자가 양성자로 바뀔 때 관여하는 힘이다. 약력은 미약해서 평생 느껴볼 기회가 없다. 잘 아는 중력은 무게를 느끼게 하는 힘이다. 하지만 일상생활에서 일어나는 많은 현상은 전자기력에 의해 결정된다.

 

중력이나 전자기력은 빛의 속도로 전달된다. 어떤 질량이나 전하가 있을 때, 그 자신의 전기장이나 중력장을 온 우주에 빛의 속도로 쫙 펼친다. 우주 공간에는 장을 형성할 수 있는 입자들이 많기에 중력장, 전기장, 자기장이 사방팔방으로 퍼져 있다.

 

전기장의 변화로 자기장이 만들어지고 자기장의 변화로 전기장을 만들 수 있다. 시간에 따라 전기장과 자기장이 변화할 때전자기파가 생겨난다. 자기장은 전기장의 상대론적 효과이기에 전기장과 자기장의 본질은 똑같다.

 

인간은 아주 큰 세상이나 아주 작은 세상을 온전히 이해하기는 어렵지만 들여다 볼 수 있는 노력을 해왔다. 그런 것에 해당하는 게 상대론과 양자론이다.

 

관측자가 달라져도 동일한 현상을 기술하는 식은 모양이 그대로야 한다. 즉 물리법칙은 언제 어디서나 동일해야 한다는 체계적 이론이 상대론이다. 고전 물리학의 근간인 뉴턴의 법칙은 근사식이 되어버렸다. 상대성 원리에 따라 길이의 수축과 시간의 연장이 일어나기도 한다.

 

물질과 에너지는 서로 전환이 가능하다. 빛은 정지질량이 없지만 에너지는 갖기때문에 블랙홀 같은 무거운 물체는 빛도 끌어당긴다. 

 

양자란 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위로, 물리학에서 상호작용과  관련된 물리적 독립체의 최소단위이다. 광자는 빛의 단일 양자로서 빛은 입자이며 파동이라는 이중성을 가지고 있다.

 

양자론 세계에서 입자는 물질을 뜻하지는 않는다. 양자론 세계에서 입자는 덩어리를 뜻하며 파동과 같다. 양자론 세계는 어떤 법칙으로 움직일까? 유감스럽게도 아직까지는 양자의 현상을 알지만 이해하지는 못하고 있다. 

 

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세상은 보이는 게 다는 아니다. 떠오르는 대로 생각해 보면 공기, 전기, 힘, 마음, 정신 등은 보이지 않는다. 하지만 보이지 않는 것들이 우주, 생물, 인간 등 모든 것의 움직임을 지배하는 듯 하다.

 

인간은 추상적인 것 그리고 너무 큰 것과 너무 작은 것을 볼 수 없다. 과거 뉴턴의 만유인력이 삼라만상을 움직이는 법칙이라 생각했지만 거시세계에서는 상대성론이 자리를 차지했고, 미시세계에서는 양자론이 대두되었다. 아인슈타인은 거시세계와 미시세계를 아우르는 대통일장 원리를 찾기 위해 노력했으나 이르지는 못했다. 

 

상대론이나 양자역학으로 지금까지 인간이 들여다본 영역에서는 설명이 되지만 영역이 더 넓여지면 어떨지는 아무도 모른다.