적어도 현재까지는 렙톤과 쿼크 그리고 매개입자가 모든 물질의 기본단위입자로 인정되고 있다.
우리는 주위에서 많은 종류의 물체들을 보고 있다. 그 물체들은 모양과 크기가 다르고 성질도 각각이다. 그중 모양과 크기만이 다른 물체들은 대체로 같은 물질로 돼 있다.
그렇다면 성질이 같고 크기만이 다른 물체는 과연 얼마나 작게 쪼개질 수 있을까. 물체를 자꾸 자꾸 쪼개 가면 한없이 작아질 수 있을까. 아니면 더이상 나누어지지 않는 어떤 단계에 도달하게 되는가.
예로부터 사람들은 이런 의문들을 품어 왔는데, 옛 사람들은 물질이 공간과 시간속에 존재하는 것으로 생각했다. 따라서 세계나 우주의 문제가 물질의 존재양식의 문제로 귀결되었다. 세계에는 무수한 물질이 있지만 그 근원은 하나 또는 몇개의 한정된 것일 수 있다고 생각한 것이다. 만물의 근원을 물질자체에서 찾고자 했던 그리스의 일부 자연철학자들은 삼라만상이 물 또는 불로 이루어졌다고 믿었다. 또 만물이 4원소(물 불 흙 공기)로 구성돼 있다는 이론을 전개하기도 했다.
동양에서는 그 근원을 비(非)물질적인 기(氣)로 보았다. 기는 스스로 활성(活性)을 갖고 있고(理), 바로 이 기의 이합·집산이 만물을 형성한다고 생각했던 것이다. 몇몇 고대 중국인들은 물질의 특성을(인간의 특성까지도 포함해서) 오행(五行)으로 나타내기도 했다.
물체 또는 물질을 자꾸 나누어간다는 생각은 동양에서는 없었던 것으로 보인다. 동양인들은 대체로 양적인 개념이 부족했고 대신 질적인 개념을 중시했다.
그렇다면 물질의 분할의 문제, 그리고 근원의 문제에 대해 현대과학은 어떻게 생각하고 있는가.
물질은 불연속적이다
아인슈타인의 상대성이론은 물질은 한발 앞서 존재하는 공간·시간 속에 놓여지는 것이 아니라 공간·시간과의 상호작용 속에서 함께 존재한다는 사실을 일깨워 주었다. 그 혁명적인 이론에 따르면 물질은 곧 에너지다. 그러므로 우리는 에너지가 분포하는 영역에서 시공간의 구조를 파악할 수 있다(거리 또는 시간이 너무 작지 않을 때).
그런데 자유로운 에너지는 연속적으로 변할 수 있는 값을 갖지만, '속박된 에너지'로 정의되는 물질은 결코 연속적일 수 없다. 따라서 물질을 계속 쪼갤 수는 있지만 숫자(실수)를 나누듯이 연속적으로 나눌 수는 없다는 것이다. 쉽게 말해 물질은 무한히 작은 것으로 나눌 수는 없다.
물질을 쪼개면 분자 또는 원자의 단위로 나누어진다. 하지만 원자의 반개나 1/3개로 나누어지지는 않는다. 따라서 물질 속에 들어있는 원자의 갯수는 항상 정수개다.
잘 알다시피 1백여 종의 원자들이 있다. 이처럼 원자는 물질적 특성(화학적 성질)이 다른 여러 종류로 분류할 수 있는 것이다. 이때 같은 종류의 원자가 모이면 단물질이 되나 다른 원자들이 어우러지면 분자를 구성하게 된다. 이 분자들이 모여 화합물을 이루는데, 바로 이것이 우리가 늘 접촉하는 물질이다.
원자 또는 분자 사이에는 간격이 있다. 다시 말해 물질은 연속적으로 분포돼 있지 않다. 그런데도 물질이 빈틈없이 차 있는 것처럼 보이는 까닭은 분자간 또는 원자간 간격이 가시광선의 파장에 비해 매우 작기 때문이다.
우리는 흔히 분자와 원자를 말하지만 분자 한개 또는 원자 몇 개를 떼어 관찰하거나 실험할 수는 없다. 왜냐하면 인간이 원자에 비해 너무 크기 때문이다.
물질은 과연 한없이 나누어지는가, 물질의 근본구성성분은 무엇인가를 묻는 물음에 대한 과학적인 대답을 지금부터 슬슬 해보자.
사실 과학과 실험기술이 발달하기 전에는 두 질문에 대한 답변을 결코 할 수 없었다. 그 이유는 원자가 매우 작고(1${0}^{-8}$cm), 게다가 경험적으로 인지할 수 있는 물질은 천문학적인 수의 원자(1${0}^{22}$개)를 포함하고 있었기 때문이다.
물질은 원자성을 지녀
원자는 다시 분할된다. 그러나 1/2개, 1/3개로 나누어지는 것이 아니라 다른 종류의 개체로 분해된다. 핵과 전자가 그것이다. 핵은 원자보다 10만분의 1쯤 작고 그 사이는 아무 것도 채워지지 않은 빈 공간이다. 우리는 흔히 수소의 핵을 양성자라고 한다.
하지만 수소 이외의 다른 종류의 원자들은 여러 개의 전자를 갖고 있으므로 핵은 하나가 아니라 양성자들의 모임이어야 한다.
결국 물질은 1백여개의 원자로 이루어지지만 각각의 원자는 전자와 양성자들의 모임으로 구성돼 있다. 이 전자와 양성자들의 갯수는 거꾸로 원소를 결정하게 된다.
핵속에는 양성자외에 중성자가 있다. 이 사실은 이미 1930년대 초에 확인됐다. 이로써 물질은 전자 양성자 중성자로 이루어져 있다고 말할 수 있게 되었다. 이 세 입자외에 홀로 존재하면서 항상 운동하고 있는 광자(빛의 알갱이), 중성미자(방사선 붕괴로 부터 그 존재가 예견됐다) 등이 물질세계를 구성한다는 것이 1930년대 초까지 물리학자들이 이룬 성과였다.
그런데 전자가 핵주위를 돌면서 묶여있는 것은 지구가 태양 주위를 도는 정도로 단순하지가 않다. 이 복잡성은 양자역학이라는 새로운 틀 속에서 이해되고 있다. 또 원자나 핵의 안정성은 양자역학적인 개념인 불확정성원리, 파울리의 배타원리 등으로 설명되었다.
핵속에 양성자나 중성자가 있다는 사실이 확실해짐에 따라 이들을 묶는 새로운 종류의 힘이 있을 것으로 예견되었다. 이 가정은 핵력의 발견을 이끌어냈다. 핵력은 예상대로 양성자들의 전기적인 반발력보다 큰 힘이었다.
이로써 자연계에는 중력과 전자기력 외에 핵력과 약력(방사선 붕괴를 일으키는 힘)이 존재한다는 사실이 알려지게 되었다.
핵속의 핵자(양성자 중성자)는 강한 핵력으로 묶여 있고 핵과 전자는 전기력에 의해 꼼짝 못하고 있다. 한편 원자와 원자 또 분자와 분자는 전자기력의 2차효과(1차전기력 보다는 작다)로 잡혀 있다.
이로써 물질은 분자 원자 핵 핵자라는 다층적(多層的) 구조를 갖고 있음이 인정되었다. 또 작은 단위로 갈수록 더 큰 힘으로 묶여 있고 각각의 단위는 불연속적이라는 사실도 밝혀졌다. 다시 말해 원자의 갯수도 정수고 원자 속의 전자, 핵속의 핵자의 갯수도 정수라는 얘기다.
물질은 끊임없이 나눌 수는 있지만 어떤 단위로 나누어질 뿐이라는, 즉 연속적으로 분할되지 않는다는 이 성질을 우리는 원자성(原子性)이라고 한다.
원자의 개념은 고대 그리스의 데모크리투스가 처음 세웠다. 그후 오랫동안 숨죽이고 있다가 18세기의 화학자 달턴(Dalton)에 의해 화학반응의 유용한 개념으로 부활됐다. 그때부터 어느 단계가 문자 그대로의 원자(原子, atom, 더이상 나누어지지 않는다는 뜻)인가를 찾아내기 위한 노력이 지금까지 계속되고 있다. 물론 원자는 과학의 발달과 함께 점점 작아져 왔다.
그런데 작아질수록 더 큰 힘으로 묶여있기 때문에(그 역(逆)을 생각하면 쉽게 이해된다), 점점 더 작은 세계를 탐구할수록 더 큰 에너지가 필요하게 되었다. 물질에는 내부구조가 있을 것이고, 그 하층구조로 갈수록 큰 힘으로 묶여 있으리라는 것은 이미 뉴턴에 의해 예견된 일이기도 했다.
뉴턴은 당시의 실험기술과 자신이 생각해낸 방법들(운동의 법칙, 중력의 법칙, 미적분학 등)만으로는 이 극미의 세계를 탐구할 수 없다는 것을 깨닫고 있었는지도 모른다. 묶여 있는 힘의 정도를 결합에너지로 나타내면 원자는 몇 eV(에너지의 단위, 1eV=1.6×1${0}^{-19}J)에 불과하다. 그러나 핵은 몇 MeV(1${0}^{6}$eV)수준으로 커진다. 그 보다 훨씬 큰 세계에서 이뤄지는 원자간의 인력이나 분자력은 eV의 몇십분의 1이다.
원자끼리 충돌하게 하거나 열을 가하면 원자나 분자의 결합이 깨질 수 있다. 그때 화학반응도 일어난다. 원자를 깨려면, 다시 말해 전자를 핵으로부터 분리하려면 입자의 빠른 충돌이나 높은 온도(1만℃이상)가 필요하다. 물론 원자핵에서 핵자를 분리하려면 이보다 훨씬 큰 에너지가 들 것이다.
원자를 깨려면…
따라서 어느 단계의 하층구조를 탐구할 수 있느냐는 얼마나 높은 에너지를 얻을 수 있느냐에 전적으로 달려 있다. 사실 MeV 정도의 에너지는 사람의 경험세계에서 매우 작은 에너지(1MeV=1.6×1${0}^{-13}$J)에 불과하다. 그러나 핵을 돌멩이로 깰 수는 없으므로 핵만한 크기의 입자가 돌멩이 정도의 에너지를 가져야 한다.
그래서 초기에는 지구대기권으로 들어오는 빠른 속도의 우주선(線)을 이용, 핵반응을 연구해 왔다. 그러다가 전하를 띤 입자(양성자 전자 등)를 가속시키는 장치가 고안되면서 실험실에서 연구할 수 있게 되었다.
이러한 가속기를 사용해 지구상에 존재하지 않았던 초(超)우라늄원소(원자번호 92 이상의 원소)들을 만들기도 했고, 양성자와 핵을 충돌시켜 많은 종류의 새로운 입자들을 생성시켰다.
상대론에 입각하면 질량은 에너지와 등가(等價)이므로, 에너지가 허용되는 한계내에서 수많은 입자들이 만들어진 것이다. 이중에는 전혀 새로운 입자들도 포함돼 있다. 대체로 이들은 불안정하여(수명이 1${0}^{-23}$초부터 1${0}^{-6}$초까지) 곧 붕괴되고 말지만, 그 수는 60년대 초에 이미 1백여개에 이르게 되었다.
우리는 입자를 물질입자와 매개입자로 분류한다. 물질입자는 양성자 중성자 전자와 같이 물질의 구성과 관계된 것이고, 매개입자는 힘을 전달하거나 혼자 존재하는 것으로, 광자 중력자 약작용입자 등이 여기 속한다.
물질입자는 다시 렙톤(lepton, 가벼운 입자)과 해드론(hadron, 무거운 입자)으로 나뉜다. 렙톤에는 전자나 중성미자 그리고 뮤온입자 타우입자 등이 포함된다. 해드론도 다시 중입자(baryon)와 중간자(meson)로 분류된다. 그중 중입자는 양성자로 붕괴되고, 중간자는 경입자나 광자로 붕괴된다. 매개입자와 중간자는 보존(boson) 입자들이고, 중입자나 렙톤은 파울리의 배타원리를 만족하는 입자들로 페르미온(Fermion)입자라고 부른다.
이렇게 많은 입자들이 모두 물질의 기본단위일까. 더 높은 에너지에서는 이들도 역시 자신의 내부구조를 드러내게 될까. 적어도 현재로서는 매개입자와 렙톤들을 기본단위입자, 즉 소립자(素粒子)라고 보고 있다.
한편 해드론들은 그 내부구조가 있는게 확실하다. 어떤 물체든지 멀리 떨어지면 점으로 보이나 가까이 접근하면 부피 또는 내부구조가 나타나기 시작한다. 예컨대 양성자와 중성자는 1${0}^{-13}$cm정도의 직경을 가진 것으로 알려져 있다.
확인되지 않은 t쿼크
이들 입자들을 질량 전하 스핀(고유 각 운동량) 준스핀 등 고유한 성질별로 구분한 학자가 있다. 미국의 이론물리학자 겔만(Gell-Mann)이다. 그는 1960년대 초에 해드론들을 각 성질들에 따라 규칙적으로 분류할 수가 있다고 주장했다. 나아가서 겔만은 이러한 규칙성이 있는 것으로 보아 이들이 몇 개의 기본입자(quark, 쿼크라고 부른다)들로 구성됐을 것이라는 가설을 제시했다.
이는 19세기에 멘델레에프(Mendeleev)에 의해 원소들이 화학적 성질에 따라 규칙적으로 분류되고(주기율표), 이러한 규칙성이 20세기에 들어와서 원자의 구조가 밝혀짐에 따라 이해됐던 상황과 비슷하다.
겔만은 그때까지 알려진 해드론들을 세종류의 쿼크의 조합으로 충분히 설명할 수 있었다. 중이자도 마찬가지로 세개의 쿼크로 설명이 가능했다. 그리고 중간자들은 1천개의 쿼크와 한 개의 반(反)쿼크(a tiquark)로 조합하면 알려진 성질과 맞아 떨어지는 결과를 얻는다는 것을 보여 주었다.
모든 입자에는 그것의 반(反)입자가 있다. 반입자는 입자와 질량이 같고 부호(+ 또는 -, 다시 말해 전하를 가리킨다)가 반대인 고유성질(부호가 있는 입자일 경우)을 갖고 있다. 예컨대 전자와 양전자, 양성자와 반양자가 그 쌍이다. 또 광자처럼 자체가 반입자가 될 수 있는 것도 있다.
세 종류의 쿼크들은 각각 u(up), d(down), s(strange)쿼크라는 이름이 붙여졌다. 그중 u는 +2/3, d와 s는 -1/3의 전하(전자의 전하를 단위로 할 때)를 가지고 있다. 물론 반쿼크(u,d s)는 반대의 고유성질을 지니고 있다.
이 이론에 따르면 양성자(p)는 uud(전하=+1), 중성자(n)은 udd(전하=0)의 결합으로 표시될 수 있다. 또 파이(π)·로(p) 중간자들은 u, d와 ū, đ의 조합으로 돼 있음을 해드론들의 충돌실험결과 확인되었다.
그후 더 높은 에너지를 발생시킬 수 있게 됨에 따라 앞서 발견된 u,d,s보다 무거운 c(charm)와 b(bottom)쿼크가 확인됐다. 현재 물리학자들은 최소한 한개의 쿼크(t, top)가 더 있을 것으로 추정하고 있다. 이처럼 종류가 다른 쿼크들을 일컬어 맛(flavor)이 다른 쿼크라고 한다.
세개의 부하를 가져
한편 쿼크가 핵자 속에 존재하는 것을 확인할 수는 있지만, 원자에서 전자를 떼어 내듯이 쿼크를 핵자에서 분리해낼 수는 없다. 이것은 아마도 쿼크 사이의 결합에너지가, 핵자나 원자의 경우와는 반대로, 거리가 멀어지면 오히려 증가하기 때문일 것으로 추측하고 있다. 쿼크 사이의 거리가 가까워지면 결합력이 거꾸로 작아지기 때문에, 핵자와 핵자가 높은 속도로 가까이 접근하면, 쿼크들의 교환이 이루어져서 핵반응이 나타난다는 것이다.
쿼크끼리의 결합에너지는 핵자의 직경만큼의 거리에서, 핵력보다 1천배 정도 큰 것으로 관측되고 있다. 우리는 이 힘(쿼크끼리의 결합에너지)을 강작용이라 부르는데 이 힘은 쿼크들이 어떤 종류의 부하를 갖기 때문에 발생하는 것으로 지금까지 알려져 있다.
쿼크 사이의 힘은 매우 복잡한 방식으로 작용한다. 더욱이 강작용의 부하는 세종류나 있는 것으로 알려지고 있다. 물리학자들은 이들을 통칭해서 색소라고 부르는데, 빨강(r) 녹색(g) 파랑(b) 색소가 있다. 이 세가지 빛깔을 혼합하면 백색이 되듯이 양성자와 중성자는 색소가 없다 (강작용의 부하가 없다는 뜻). 또 쿼크는 색소를 갖지만, 반쿼크는 반색소(반빨강 반녹색 반파랑)를 보유하고 있으므로 중간자도 역시 무(無)색소다.
강작용의 매개입자는 글루온(gluon, glue는 아교 또는 접착한다는 뜻)이다. 이 글루온은 그 자체가 색소를 띠고 있어서 자기들끼리도 강작용을 할 수 있다.
쿼크에는 맛과 색소가 있는 셈인데, 맛이 다르면 질량이 다르지만 색소만 다른 경우에는 질량이 같다. 왜냐하면 글루온의 질량이 0이기 때문이다. 예를 들어 u쿼크는 ${u}^{r}$, ${u}^{g}$, ${u}^{b}$의 세종류가 있는데 이들의 질량은 모두 같다.
색소는 글루온과의 상호작용을 통해 다른 색소로 전환될 수 있다. 맛도 약작용에 의해 다른 맛으로 바뀐다. 예를 들어 d쿼크는 u쿼크로 붕괴되면서 전자와 중성미자를 내는데, 이것이 바로 방사성 β붕괴(불안정한 핵에서 중성자가 양성자로 전환돼 원자번호가 하나 증가하는 것)다. 자연상태에서 거꾸로 양성자가 중성자로 붕괴하지 않는 이유는 양성자의 질량이 작기 때문이다.
우리는 이제 핵자 및 해드론들을 쿼크들의 결합으로 이해하게 되었다. 쿼크 속에 내부구조가 또 있는지를 확인하기란 거의 불가능하다. 따라서 현재의 기술이나 에너지 수준에서는 쿼크 렙톤 그리고 매개입자들을 소립자라고 여기고 있다.
렙톤은 6개의 입자(전자와 전자중성미자, 뮤온과 뮤온중성미자. 타우와 타우중성미자)와 같은 수의 반입자를 포함하고 있다. 그중 전자형 입자들(전자 뮤온 타우)의 전하는 -1이고, 중성미자의 전하는 0이다.
아직 발견되지 않은 t쿼크까지 합치면 쿼크의 수는 모두 6개인데같은 수의 반쿼크도 물론 있다.
그중 u형(u,c,t)은 전하가 +2/3, d형(d,s,b)는 -1/3이다.
이처럼 쿼크와 렙톤은 서로 대칭성을 보여준다. 대칭성은 사실 자연이 갖는 기본 질서의 하나다. 또 전자 뮤온 타우들은 각각의 중성미자와 짝을 이루며, 쿼크들도 대체로 짝을 이룬다.
물리학에서는 u와 d, 전자와 전자중성미자를 1차세대, c s 뮤온중성미자를 2차세대, t b 타우중성미자를 3차세대라고 한다. 세대가 올라 갈수록 질량이 커지는데, 2차이상의 세대들은 대개 1차세대로 붕괴되기 때문에 안정한 물질을 만들지 못한다. 왜 2차와 3차 세대의 쿼크·렙톤이 있어야 하는가는 아직 밝혀지지 않고 있다.
쿼크들이 핵자를 만들고
우주가 대폭발을 한 직후에는 온도가 매우 높아서 쿼크 렙톤 광자들의 생성과 소멸이 평형을 이루는 균일한 상태였을 것이다. 그러나 대폭발후 급격한 팽창으로 온도가 식으면서 (입자들의 운동에너지가 작아지면서) 먼저 쿼크들이 핵자를 만들었다(대폭발후 1천분의 1초가 경과하기 전). 시간이 3분 정도 지나게 되면 우주의 온도가 10억℃ 정도로 식게 되는데 이 사이에 얼마간의 양성자와 중성자가 결합, 중수소 및 헬륨(he)의 핵을 만들게 된다. 그러다가 1백만년쯤 지나 온도가 몇 천℃ 정도로 떨어지게 되면 핵과 전자가 결합, 원자(이때는 수소 및 헬륨원자)가 형성되기 시작한다.
우주 탄생후 1억년 정도 지나면 우주의 군데군데에서 중력의 작용으로 인해 은하가 탄생하고 은하의 내부에서 별이 생성된다. 별의 내부에는 높은 온도가 형성되므로 여기에서 다음 단계의 안정한 핵인 탄소와 산소가 만들어진다. 그러다가 별이 그 일생을 마감할 무렵에는 무거운 원소들이 등장한다. 마침내 별과 함께 '죽을' 때 이 '헤비급' 원소들이 사방으로 날아가는데 그 일부가 다시 모여 지구와 같은 항성을 탄생시키는 것이다.
이런 과정을 통해 태어난 지구의 온도가 식으면서 이번에는 대기층이 생긴다. 이때부터 오랜 시간동안 물질들이 상호작용을 함으로써 '생명의 기원'인 유기물이 나타나기 시작한다. 바로 이 유기체의 진화로 수많은 생물과 인간같은 고등동물이 출현하게 된 것이다.
