Bigbang 이후부터 현재까지 ...

 

'우프샘 채널'에서 강의한 과학 동영상인데, 빅뱅 이후 138억년이라는 오랜 시간이 지나는 동안 전 우주에서 팽창하면서 벌어진 온갖 만물의 변화 과정과 생성과정을 너무나 알기 쉽게 풀어서 강의한 명강 중에 명강 동영상 ~!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 표준모형이란 ?

 

  표준모형은 전 우주의 구성과 움직임을 설명하는 지금까지 인류가 고안한 가장 정교하고 완벽한 소립자 구성 물리 이론이다. 이 표준모형은 원자보다 더 미세한 소립자를 연구하는 양자역학을 잘 설명해 주고 있으며, 이에 반해서 일반 상대성 원리는 중력을 포함한 거시 세계를 잘 설명해 준다.

 이 표준모형은 특수 상대성 이론과 양자역학이 성공적으로 결합됨에 따라 몇가지 대칭성과 대칭성을 제한하는 메커니즘인 17번째 힉스 메커니즘이 도입되면서 사실상 인류가 지금까지 관측한 모든 소립자들과 그 상호작용을 거의 다 설명한다. ( 아직까지 인지되지만 아직 발견된 바 없는 신비한 중력자는 이 표준모형 요소에서 제외 )

 
  여기에 양자장론의 기본인 이차 양자화 개념에 의하여 얻어진, 장의 양자화에 해당하는 입자들로 모든 것의 구성 성분을 설명한다.  이 표준모형은 일반 상대성 이론과 더불어 인류 지성의 금자탑이라 할 만한 인간 이성의 최고의 소립자 물리 이론이다.

  물질을 구성하는 입자 12종 페르미온과 4종의 기본 힘 가운데 하나인 중력과 그외에 3종의 힘(강력, 약력, 전자기력)들을 전달해 주는 매개 입자인 4종류의 보손, 그리고 다른 입자가 질량을 갖는 과정(힉스메커니즘)에 관여하는 입자(힉스입자) 등 총 17개의 ‘기본입자’의 상호작용을 통해 전 우주 만물의 구성과 형성 과정을 압축해 설명한다.

 

  여기서 4종류의 게이지 보손이 있는데 자세히 풀어 보자면 '전자기력'에 관련이 있는 광자 보손과 '강력'에 관여하는 글루온 보손 ,그리고 약력에 관여하는 W+-보손 ,Z보손을 지칭하며, 그외에 모든 물질과 중간자에게 질량을 부여해 주는 역할을 담당하는 힉스 보손 등이 발견되었는데, 이들 4개의 보손의 성질은 일단 이들 4가지의 전하는 전부다 음성도 양성도 아닌 중성이며, 스핀 수치는 1이라서 물질이 아니라 힘의 매개입자에 속한다.

  일반적으로 Spin이란 파동에 의해 운동이 전개되면서 다시 원래의 상태로 되돌아오는 주기를 말하는데, 모든 물질을 이루는 입자들은 전부 1/2로 되어 있어서 2바퀴를 돌아야 원래 모습을 나타내므로 모든 물질은 2가지 모습을 중첩적으로 가지게 된다. 스핀이 0, 1 ,2 등과 같이 정수로 나오는 것들은 오로지 힘만을 전달해 주는 중간 매개입자로 간주된다.  

그리고 광자와 글루온 보손은 질량이 없으나(질량이 제로이므로 무한대로 날 수 있는 속성을 지녔다.), 그러나  나머지  W+- 보손, Z 보손과 최근에 발견된 힉스 보손. 이 3가지의 보손은 전자 질량에 비해 아주 무거운 질량을 가졌지만, 소립자 원자 내부에서의 약력하에서 작동하므로  원자 핵 속에서의 아주 미세한 영역에서 힘의 매개 중간자로 작동하는 특성을 지녔다.

 

  한편 상기 표준모형에서 빠진 중력자가 있는데 여기에 대해 간단히 살피자면, 통일장이론에서 자연계의 4대 힘 중 유일하게 중력만은 통합하지 못했다.

 

  물리학계는 물리학의 양대 산맥인 양자역학과 상대성이론을 합치려고 지난 100여년간 힘써 왔지만, 중력과 전자기력 두 힘의 차이가 너무 커서 통일시키지 못했다. 중력은 전자기력에 비해 무시할 정도로 너무 약하기 때문이다.
   
   미국 뉴욕대 지아 드발리 교수에 따르면, 다른 힘에 비해 중력이 약한 이유는 중력의 대부분이 우리가 경험하지 못하는 더 높은 차원으로 빠져나가기 때문이라고 한다. 물리학자들은 눈에 보이지 않는 차원으로 중력이 새어나가는지 확인하기 위한 실험을 계속하고 있다.
   
   그렇다면 중력자가 없어도 세상은 잘 돌아가고 있는데, 물리학자들은 왜 굳이 그것을 찾으려고 할까?

 

   아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 시공간에서의 중력파를 예측했다. 잔잔한 호숫가에 돌을 던지면 동심원 모양의 수면파가 생겨나 사방으로 퍼지듯, 시공간에서도 질량이 있는 물체가 움직이면 시공간 그물망이 출렁거려서 사방으로 퍼져나간다.
   
   중력파는 중력 복사 에너지를 전파하는 역할을 한다. 그 에너지를 전파해 주는 입자가 곧 '중력자'이다. 마치 전자기파에 의해 전파되는 전자기 복사 에너지의 입자가 광자인 것과 같다.

 

   이러한 물리학자들의 염원으로 미국과 유럽 등 물리학계 선도국들은 이를 찾기 위해 중력파 검출 장치의 민감도를 높이고 있다. 1970년대에 중력파를 보여 주는 간접 증거는 발견됐지만, 중력파의 세기가 너무 작아 아직 직접적으로 확인되지는 않았다. 중력파는 다른 물질과 상호작용을 하지 않기 때문에 공간 변화를 측정해 검출하는데, 레이저 간섭계를 이용해 중력파가 지나갈 때 생기는 공간의 길이 변화를 재는 것이라고 한다.
   
   아무것도 아닐 것 같은 중력파의 가치는 무궁무진하다. 우선 중성자별이나 블랙홀이 충돌할 때 생기는 강한 중력파를 검출하면 지금까지 몰랐던 천체의 구조나 질량, 거리 등을 알 수 있다. 빅뱅 때 생긴 중력파를 통해 우주팽창 속도를 알아내는 일도 가능하다.
   
   그리고 중력의 영향을 받지 않고 자유자재로 비행할 수 있다고 상상해 보자. 지구에 있는 모든 물체는 지구의 중심으로 끌리는 중력장의 영향을 받는다. 만일 우리가 중력을 마음대로 조절할 수 있다면, 공간에서 마음대로 떠다닐 수 있지 않을까??

 

   ‘반중력’이라 불리는 이 꿈 같은 기술 역시 중력을 매개하는 중력자 라는 입자를 찾지 않고, 그 매개 입자의 성격과 특성을 완전히 분석하지 않고서는 도저히 불가능한 일이라고 한다.
   
   세계는 중력파 검출기를 우주에 올려 주파수가 낮은 중력파를 찾으려 하고 있었고, 특히 미국의 페르미 연구소를 비롯하여 유럽 입자 물리연구소는 입자 가속기를 통해 원자의 광속 충돌에서 순식간에 나타났다가 사라질 중력자가 발견되기를 학수고대하고 있었다.

 

  그리고 다시 오랜 시간이 흐르고, 2016년 2월 12일 드디어 미국 국립과학재단의 데이비드 라이츠 박사가 중력파의 검출 성공 사실을 일반에 공개했다. 

 

 

 

중력파의 비밀 - LIGO

 

과학쿠키 - LIGO

 

  중력파는 물체가 움직이거나 중력에 변동이 생길 경우, 여기서 발생한 시공간의 요동이 파동(wave)의 형태로 전달돼 사방으로 퍼져나가는 것을 말한다. 

  중력파는 중력이 있는 모든 물체에서 발생할 수 있지만, 그 중력자 라는 힘이 극히 미약한 관계로 검출이 어려웠었다.

  하지만 아직도 많은 의문이 남아있는 것이 중력파는 중력의 변화에 따라 시공간의 왜곡이 전달되는 것이지, 중력을 전달하는 파동으로 보기는 어렵다 라는 점에서이다. 

   다시 말해, 중력이 작용하는 중력장(gravitational field)의 개념은 우리가 생각하는 전자기장의 개념과는 조금 다르고, 중력을 매개하는 존재의 정체가 중간자인지에 관한 궁금증은 아직도 속시원히 풀리지 않은 상태라고 한다.

  지구를 비롯한 여러 행성들과 태양은 중력으로 서로 묶여 태양계를 구성하고, 또 태양계는 수많은 다른 항성계와 더불어 거대한 우리 은하의 일부를 구성한다. 

  그 우리 은하 중심부에는 막대한 질량을 가진 블랙홀이 존재해 은하 전체의 중력의 구심점의 역할을 맡고 있다. 

  이 거대한 우주 구조가 한 덩어리로 묶여 있도록 하는 중력의 매개체가 필연적으로 존재해야 한다는 것인데, 물리학에서는 가상의 이 매질을 '중력자'라고 부른다.

   전자기력이 광자(빛: 빛 속엔 가시광선 외에 적외선 자외선을 비롯 전기와 자기력도 포괄적으로 같이 들어있다.)를 매개로 전달되듯, 중력자는 말 그대로 중력을 전달하는 중간 매질이다. 

  또한 중력의 작용거리는 무한하기 때문에 이 가상의 입자는 질량이 없어야 하고 광속으로 움직이고 있다. 현대 물리학의 초끈이론에서 이 중력자의 존재가 이론적으로 도출된다. 

   초끈이론에서는 스핀(입자를 몇 바퀴를 돌렸을 때 같은 모양으로 돌아오는지를 나타내는 값)이 2이고 질량이 0인 입자의 존재가 상정되는데, 마지막 빈 자리에 해당하는 이 입자를 중력자라고 보는 견해도 있다. 

   만약 중력자의 존재까지 확인된다면, 힉스 입자에 이어 마지막 보손(boson)에 해당하는 미지의 존재가 제자리를 찾는 것이니, 그야말로 물리학 최후의 '비밀 입자'라고 부르기에 모자람이 없을 것이다. 

  하지만 아직까지 가상의 입자인 이유는, 중력자를 찾기 위한 조건이 너무나 까다롭기 때문이다.  그렇다면 중력자를 찾는 작업은 어떻게 이뤄질 수 있을까? 현재로서는 막막할 뿐이다.

  이처럼 중력자의 값은 질량이 매우 작기로 유명한 소립자인 중성미자(뉴트리노)의 질량 상한선과 비교해도 약 10의 20승(100000000000000000000)분의 1 정도에 불과하다고 한다. 

  그만큼 극한대의 초 정밀도를 요구하는데, 최후의 입자를 찾으려면 그런 무한대의 노력 정도는 필요하지 않을까 그런 생각이 든다. 한 마디로 현재의 과학 기술로는 요원하다는 이야기다.

  각설하고 우주의 구성은 이들 기본입자 가운데 물질이 다양하게 결합해 이뤄졌고, 우주와 우주를 구성하는 별 등 물질의 움직임은 힘을 전달하는 입자가 이동하는 과정에서 발생하는 것으로 해석하고 있다.

   매우 정교하게 우주를 해석하고 예측할 수 있는 표준 모형 물리 이론이지만, 주요 힘 중 하나인 중력자를 구체적으로 규명하지 못하고, 전체 우주의 4분의 1을 차지하는 것으로 추정되는 강력한 중력원인 암흑물질이나 우주의 3분의 2 이상을 차지하는 것으로 추정되는 우주 팽창의 기원인 암흑에너지 등을 설명하지 못하는 등 여전히 한계점이 남아있는 현재 진행형의 최첨단 물리 이론이 바로 표준모형이다. 

 

 

 

 

vimeo.com/496261812

 

 

우주 잡설  :

   빅뱅은 물질과 에너지를 만들고, 시간과 공간을 창조해 냈어.

  중력이란 물질을 결속하는 인력이 존재하는데, 그 힘은 우리를 지구에 단단히 붙들어 매두고,  행성들이 자기 궤도를 돌 수 있도록 유지해 주며, 머나먼 별들과 은하 그리고 모든 전 우주들까지 지배하는 특성을 지녔지.

 하늘에 저 무수한 별들도 어떤 보이지 않는 자기 패거리 짝들과 덩달아 탈춤을 추고 있다는거지.  결국 중력이란 그렇게 하늘 전체를 지배하는 힘이란거야.

  말을 모는 기수가 자기가 원하는 곳으로 조율하려 말채찍으로 후려 칠 때 , 채찍 소리가 나는 건 그 채찍질 끝이 음속보다 빨리 움직여서 소리가 나는 거라네.

 
   마치 제트기의 굉음이나 천둥소리도 같은 원리로 울림 진동파가 일어나고, 요게 바로 중력파가 작은 소닉붐을 일으킨 현상이란 것이지.  하지만 제트기가 음속보다 더 빠르게 날 수는 있어도 광속은 전혀 다르다고 해. 이 세상에서 광속을 넘어서는 것은 존재하지 않는 자연법칙이  있는 것이지. 

 

 그건 태고 이래로 중력과 같은 자연 법칙인 셈이야.  아인슈타인의 말처럼 중력은 시공간의 왜곡인 것이고.  어떤 물체가 아무리 빨리 달려도 빛의 속도는 늘 똑같으며 , 늘어나고 주는 건 오히려 시간과 공간인 셈이지.

  하지만 세상엔 이외에도 서로 연결되어 있지 않아도 전자의 직진하는  빛의 광자(전자기력)처럼 거리가 떨어져 있어도 서로 작용하는 전자기력 에너지가 존재하며, 서로 이동을 할 수 있어서 정합한 영향력을 주지.  우리가 휴대폰을 쓰고 무전기를 치는 것처럼 말야.  또 그 에너지를 물질로 바뀔 수도 바꿀 수 있고 말이야.

    또한 과학 발전에 따라서 미래는 갈 수 있을 것이지만,  과거로 우리 자신이 돌아 가진 못하겠지 그 우리를 존재하게끔 만든 인과율 때문에 ...  하지만 돌아가진 못해도 과거를 불러 올 수는 있다는거야.

  다시 말해 지난 추억을 다시 호출해 낼 수 있다는 것이지.  물론 그 추억을 바라만 볼 뿐, 아무런 영향력도 행사친 못하겠지만 말야 ... 

 

 

 

. 입자 물리학이란?

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. 표준모형의 총론적 이해

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