미시(微視)의 세계

 미시(微視)의 세계
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                                                                                 2001. 11. 18

 

아래 글은 제가 이제까지 책과 TV, 인터넷 등을 통해 배운 과학지식으로 물질의 구조와 미시의 세계에 대하여 쓴 글이며, 글의 마지막 부분의 미시(微視)의 세계에 대한 제 생각은 꼭 그렇다는 것이 아니라 이렇게 생각해 볼 수도 있다는 것입니다.

 

 

우리 인류는 오래 전부터 물질의 기본 단위를 반지름이 10의-8승Cm 정도 되는 아주 작은 공 같은 것(원자)으로 생각 했습니?  만약 10억개의 원자를 한줄로 세워서 사슬을 만들면 그 사슬의 길이가 우리의 가운데 손가락 길이 즉 약 10Cm 정도가 됩니다.

 

20C 초에 영국의 물리학자 어니스트 리더포드가 현대 원자 물리학의 출발점이된 중요한 발견을 이룩했습니다. 그는 원자 핵을 발견한 것입니다.  원자안의 모든 물질이 원자 자신보다 아주 더 작은 부피에 몰려있다는 것을 발견한 것입니다. 원자 핵의 지름은 10의 -12승Cm 에서 10의 -13승Cm 사이 입니다. 다시 말해서 원자 핵의 크기는 원자의 1/10000 정도 입니다. 10억개의 원자 핵을 한 줄로 세워도 0.01mm가 채 안됩니다.

 

원자 안의 물질 가운데 대부분이 그보다 훨씬 더 작은 핵에 몰려있다면 무엇이 원자의 부피를 결정 할까요? 전자들 즉 원자나 원자 핵 보다도 훨씬 작은 입자의 장막이 원자 핵을 둘러 싸고 있습니다. 이 전자들은 원자 핵 둘레를 돕니다. 전자에서 원자 핵 까지의 거리는 약 10의 -8승Cm 입니다. 이 거리가 원자의 크기를 결정 합니다. 원자는 작은 태양계와 같습니다. 가운데에 태양(원자 핵)이 있고 그둘레를 행성(전자)들이 돕니다. 전자는 -전하를 가진 기본 물체 입니다. 다시말해 더 작은 물체로 쪼갤 수 없는 기본 물체 입니다. 적어도 지금까지는 아무도 전자가 어떤 더 작은 부분들이 결합되어서 만들어진 것이라는 증거를 찾아내지 못했습니다.

 

그러나 원자 핵은 그렇지 않습니다. 원자 핵은 전에는 +전하를 가진 양성자로 구성 되었다고 생각 했습니다. 그러나 리더포드라는 물리학자가 원자 핵은 틀림없이 또 다른 종류의 입자를 가지고 있으며 그것은 전기적으로 중성의 입자일 것이라고 믿었습니다. 그는 이 입자를 중성자라고 불렀습니다.

 

1932년에 케임브리지 대학의 케벤디쉬 실험실에서 제임스 챠드윅이 전하를 띄지 않으면서 양성자와 거의 맞먹는 질량을 가진 이상한 복사를 발견 했습니다. 중성자가 발견된 것입니다. 그리하여 원자 핵이 양성자와 중성자로 이루어져 있음을 알았습니다. 원자 핵안에 들어 있는 양성자의 수는 껍질의 전자의 수와 정확히 똑같습니다. 예를 들어 금 원자는 79개의 전자와 79개의 양성자를 가지고 있습니다. 그리고 서로 상쇄되어 원자 자체는 중성이 될 수 있는 것입니다. 그러나 질량은 양성자가 전자보다 거의 2000배나 무겁습니다.

 

물리학자들이 양성자와 전자가 전하는 똑 같지만 너무나 이질적인 입자이기 때문에 무엇인가 다른 것을 찾다가 최근에 와서야 양성자의 ’쿼크’ 모델을 발견한 것입니다.

 

우리 인류는 천체를 관측하기 위하여 광학 망원경과 전파 망원경을 발명하여  우리가 인식 하고 있는 우주를 바라 볼 수 있게 되었습니다. 또한 미시의 세계를 보기 위하여 광학 현미경과 전자 현미경을 발명하여 원자까지도 보게 되었습니다. 그러나 원자 핵과 전자를 현미경으로는 볼수가 없습니다. 그것은 이론 물리학의 양자 물리학 나아가서는 입자 물리학의 세계인 것입니다.

 

입자 물리학에서는 입자 가속기가 사용됩니다. 입자 가속기(粒子加速器, particle accelerator)란 대단히 긴 터널을 거의 광속의 속도로 양성자를 다른 물질에 충돌 시켜 깨뜨려서 더 작은 다른 입자를 발견하고 관측하려는 장치입니다. 1955년에 버클리 대학의 물리학자들은 새로 건설된 입자 가속기에서 높은 속도로 양성자를 물질에 충돌시켜 새로운 입자를 생겨나게 했는데 거기에서 양성자와 동일한 질량으로서 음으로 대전된 입자를 관측했습니다. 반양성자가 발견된 것 입니다.

 

1981년에 양성?반양성자를 동시에 엄청나게 높은 에너지까지 가속시켜 충돌 시킬 수 있는 입자 가속기가 건설되었습니다. 양성자와 반양성자와의 충돌은 상당수의 새로운 입자를 만들어 냈습니다.  양성자와 반양성자는 상쇄되고 중간자라는 것이 발견되었습니다. 중간자는 양성자와는 달리 안정된 입자가 아니기 때문에 극히 짧은 순간에 곧 붕괴되어 버리고 맙니다.

 

그보다 앞서 1966년에 과학자들은 그 당시 새로 건설된 입자 가속기로 원자 핵과 전자를 충돌 시켜 전자들이 충돌하면서 갑자기 방향이 바뀌는 경향이 있음을 알아 냈습니다. 이것은 원자 핵의 구성 요소인 양성자와 중성자가 그보다 작은 요소들로 이루어져 있다는 증거였습니다.

 

더 조사해 본 결과 양성자는 세가지의 다른 벽돌로 지어져 있음이 밝혀 졌습니다. 이것을 과학자들은 ’쿼크’ 라고 이름 붙였습니다. 이 쿼크가 두개가 아니고 세개인 것은 두개의 전자가 서로 반발 하듯이 두개의 쿼크로는 하나의 결합상태 즉 한개의 입자를 구성할 수 없다는 생각을 뒷받침 합니다.

 

초록, 빨강, 파랑색이 모여 흰색을 이루듯이 세개의 쿼크들이 서로 결합하여 말하자면 색깔 중성적인 물체, 다시 말해서 외부 세계에 아무런 색깔을 보여주지 않는 ’계’ 를 이루게 합니다.

그리고 이 쿼크 들은 서로 떼어 놓으려고 하면 칼로 물베기 식으로 더욱더 세게 뭉치는 힘이 작용하여 (즉 강력 또는 핵력이라는 힘으로 뭉쳐) 양성자를 이루고 이 양성자가 중성자와 합하여 원자 핵을 이루고 이 원자 핵을 전자가 돌면서 물질의 기본 단위인 원자를 이루는 것입니다.

쿼크를 과학자들이 입자 가속기를 이용하여 깨뜨려 보아도 새로 생긴 입자들은 지극히 짧은 순간에 붕괴되고 마는 것 입니다.

 

이상에서 살펴 보았듯이 과학자들은 양성자가 세개의 쿼크라는 것으로 이루어 졌다는 것은 밝혀냈지만 그것을 쪼개놀 수 없다는 것을 깨닫게 되었습니다. 저는 그 이상 미시의 세계는 과학의 세계가 아니며 창조주 하느님만이 설계하시고 아시는 창조주의 세계라는 생각을 했습니다.

 

또 어떤 과학자는 양성자도 10의 32승 년 후에는 붕괴할 것이라고 계산했지만 그것 또한 과학의 세계가 아닐 것입니다. 물질의 기본 구조와 우주의 질서도 하느님께서 설계하시고 창조하신 것과 마찬가지로 붕괴 또한 하느님께서만 하실 수 있고 새로운 물질, 새로운 우주의 시작도 하느님만이 하실 수 있다고 저는 감히 생각해 보았습니다.

 

우리는 과학이 발달하면 할수록 과학의 한계를 깨닫게 하시는 창조주 하느님의 섭리에 머리 숙이고 언제 어디서나 우리를 사랑 하시는 하느님의 사랑에 감사해야 하겠습니다.

 

 

 

 

                                                                                    - 끝 -

 

 

 

 

  

입자가속기

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 이미지 출처 - 인터넷

 

 

 

 

 

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