창의력올림피아드

근본 입자 융합의 결정체-양성자,중성자

   특이점이 폭발하며 빅뱅이 일어난 후10¯³⁴초라는 인간의 인지능력과 감각으로는 잡아낼 수 없는 찰나의 시간에 빛 에너지(광자)가 질량을 가진 물질로 전환되면서 많은 종류의 소립자들이 만들어진다. 이러한 아일럼(ylem)상태의 초기 우주에서 근본 입자 중 하나인 쿼크(Quark)를 비롯하여 전자와 기본 입자들이 탄생하게 되는 것이다.

   초기 우주가 폭발하면서 급격한 팽창이 일어난다. 폭발로 인한 팽창 속도는 상상을 초월할 만큼 빨랐다. 우리는 빛보다 빠른 속도는 없다고 알고 있고 믿고 있다. 빛은 초당30만KM을 이동한다. 그러나 빅뱅으로 인한 초기 우주의 팽창은 빛의 속도보다 적어도 수천조는 배 더 빨랐다는 사실을 천체 물리학자들이 관측을 통해 알아냈다. 이는 소위 급팽창 이론(Inflation theory),우주 급팽창(cosmic inflation)또는 우주론적 급팽창(cosmological inflation)이론 형성의 토대가 되었다.  1981년MIT공대 교수였던 앨런 구스(Alan Guth)가 제안한 이 이론은BIG BANG이론의 단점이나 모순 대부분을 일거에 해결해 준다. 

  ‘우주론의 가장 중요한 문제 중 하나인 지평선 문제(Horizon Problem)를 마침내 구스가 해결했다(머리 겔만–1969년 노벨상 수상자), ‘이토록 간단한 아이디어(균일 온도 문제)를 왜 생각해 내지 못했을까?’(스티븐 와인버그- 1979년 노벨상 수상자), ‘그토록 아름다운 이론(평탄 성 문제)이 틀린 것으로 판명된 사례는 단 한 번도 없었다.’(조엘 프리맥–암흑물질 연구의 선구자)라고 극찬하는 급팽창 이론이 중요한 이유는 우주의 온도가 급격하게 떨어진 이유를 간결하고 아름답게 설명해주기 때문이다.

   우주가 급격히 팽창하게 되면 온도가 급격히 떨어지게 된다. 우리가 모두 알고 있는 에너지 보존법칙을 떠올려보면 공간 팽창이 일어나면 공간의 부피가 커지게 되고 그만큼 동일 부피 안에 존재하게 될 에너지의 양 즉,에너지 밀도는 떨어지게 된다. 즉 온도가 떨어진다는 뜻이다.온도가 극초고온일 때에는 근본 입자들의 운동에너지도 극대인 상태이기 때문에 서로를 멀리하려고 하지만 온도가 급격히 떨어지면 쿼크(Quark)를 포함한 근본 입자 들의 운동에너지가 감소하게 되며 일정한 시점이 되면 강한 핵력에 의해 서로 뭉치려고 하는 힘이 운동에너지를 극복해 내게 될 것이다.

쿼크(Quark)

   초기 우주는 물론 현대의 우주에 이르기까지 우주를 구성하는 가장 근본적인 입자 중의 하나인 쿼크(Quark)는 모두 여섯 종류의 서로 다른 성질의 입자가 존재하고 있는 것으로 밝혀지고 있다. 쿼크(Quark)라는 물질은빅뱅이 일어나던 순간에 빛 에너지(광자)가 물질로 전환되면서 만들어졌다.여섯 가지 종류의 쿼크(Quark)는 각각up쿼크, down쿼크, strange쿼크, charm쿼크, bottom쿼크, top쿼크라고 부르는데 쿼크는 더 작은 입자로 쪼개지지 않고 그 자체로 가장 근본적인 입자이며 내부 구조가 없는 점 입자이다.

   여섯 가지 종류의 쿼크는 모두 전기적 성질 즉,전하를 가지고 있다. 우리 모두 잘 알고 있는 마이너스(-)전하를 가지고 있는 전자1개의 전하를–1전하량이라고 할 때 각각의 쿼크가 가지고 있는 전하량은 아래 모식도와 같다.

   빅뱅이 일어나고 빛 에너지(광자)가 여러 종류의 쿼크들로 전환되었다고 할 때 상상을 초월하는 무한에 가까운 온도로 인해 초기 우주에서는 쿼크들이 서로 뭉치기 어려웠을 것이다. 초기 우주가 빠른 속도로 급팽창(cosmic inflation)을 진행하여 급속한 냉각(그렇다고 하여도1조도 이상의 고온의 상태지만)이 일어나자 서로 다른 전하량을 보유한 쿼크들이 동료들을 찾아 나서기 시작한다. 플러스(+)전하는 마이너스(-)전하와 인력(잡아당기는 힘)이 작동하고 플러스(+)전하와 플러스(+)전하,마이너스(-)전하와 마이너스(-)전하는 척력(밀어내는 힘)이 작용하는 것은 우리 모두 알고 있다. 예를 들어 위 모식도에서 전하가 플러스(+) 2/3인up쿼크1개가 마이너스(-) 1/3인down쿼크2개와 뭉치면 그래서 총3개의 쿼크가 뭉치면 전하가O인 상태의 뭉침이 일어난다.만약 플러스(+) 2/3인up쿼크2개와 마이너스(-) 1/3인down쿼크1개가 뭉치면 전하가 플러스(+) 1인 상태가 뭉침이 일어난다.

   서로 다른 전하를 갖는3개의 쿼크가 뭉쳐서 0인 전하 상태의 입자. 1917년 러더퍼드(Ernest Rutherford 1871~1937)가 예견하고 1932년 채드윅(J. Chadwick, 1891~1974)이 발견하여 노벨상 수상은 물론 핵물리학의 새로운 시작을 알린 위대한 발견으로 그 입자에‘중성자’라는 이름이 붙여졌고 서로 다른 전하를 갖는3개의 쿼크가 뭉쳐서 플러스(+) 1인 전하 상태의 입자는1886년 골드슈타인(Eugen Goldstein 1850~1930)의 실험에 기초하여 1911년 러더퍼드(Ernest Rutherford 1871~1937)에 의해 발견되어‘양성자’라는 이름이 붙여졌다.

   위에서 우리는 쿼크들의 뭉침에 대해 알아보았다.

   하지만‘뭉침’이란 표현은 정확하지 않다.

   아니 완벽히 잘못된 용어이다.일반적으로‘뭉치다’ ‘합치다’ ‘어우러지게 하다’의 의미는 뭉치기(합치기,어우러지기)전의 개개의 물질의 성질이나 본질이 뭉친(합친,어우러진)후의 개개 물질의 성질 또는 본질과 다르지 않다는 뜻을 내포한다. 하지만 뭉치기 전의 개별적인 쿼크들의 성질과 뭉친 후에 새롭게 탄생한 중성자,양성자의 성질 또는 본질은 질적으로 다르다.  완전히 달라진다고 말한다고 해도 결코 과장된 표현이 아니다. 물의 상태 변화 즉,고체와 액체와 기체로 변화하는 정도와는 비교도 할 수 없는 질적 변화이다. 이러한 변화에 수반되는 용어는‘뭉침’이 아닌 새로운 개념의 언어로 설명함이 마땅하다. 이 개념을 직관적으로 표현할 수 있는 가장 아름다운 단어는 무엇일까?

   ‘융합’이라는 단어 이외에는 떠오르지 않는다. 

   ‘융합’개념은 이 글의 처음과 끝을 관통하는 주제다.

   한 가지 예를 더 들어보자. 우리는 간혹 혼합물,화합물이라는 표현을 사용한다.  혼합물은 서로 다른 물질 각각이 본래의 성질을 유지하면서 균질 또는 불균질로 섞여 있는 것을 의미한다. 공기는 질소,산소,이산화 탄소,수소 등 수많은 물질이 균질로 혼합되어 있다. 그렇지만 각각의 원소는 본래의 성질을 그대로 보유하고 있다. 화합물은 두 가지 종류 이상의 다른 화학 원소가 일정 비율의 무게로 결합하여 만들어진 순물질을 말한다. 소금인 염화나트륨(NaCl)은 나트륨(Na)과 염소(Cl)가 화학 결합하여 만들어진다. 나트륨(Na)은 주기율표의 1족(1A족)에 속하는 알칼리 금속 원소의 하나로 칼로 자를 수 있을 정도로 무르고, 은백색이며, 물과 폭발적으로 반응한다. 염소(Cl)는 주기율표 17족의 두 번째인 비금속,할로젠 원소로써, 실온에서 황록색 가스이며, 반응성이 매우 큰 강력한 산화제이다. 그러나 이 둘이 화학결합을 한 염화나트륨(NaCl)은 짠맛을 내는 소금으로 나트륨(Na), 염소(Cl) 하고는 성질이 완전히 다르다. 이처럼 서로 전혀 다른 이질적인 물질이 결합하여 전혀 새로운 물질이 창출되는 과정, 서로 뭉치거나 합하기 이전과 이후의 본질을 완전히 변화시켜버리는 현상 혹은 방법을 ‘융합’이라는 개념으로 사용하고자 한다.  앞서 살펴보았듯이 원래 ‘융합’이라는 용어는 한자어 ‘融合’에서 기원했다. 말 그대로 ‘녹여서 합함.’ ‘녹아서 서로 구별이 없게 하나로 합하여지거나 그렇게 되게 함’으로 이해할 수 있다. 뭉치거나 단순히 합해지는 물리적 변화를 넘어 구조와 성질 자체까지도 바꾸어버리는 화학적 변화에 대해 앞으로 ‘융합’이라는 용어로 개념화 할 것이다.