양자 이론에 관한 수필(r37판 RAW)

[[분류:양자물리학]][[분류:수필]]
=# 양자 이론의 개념 #=
이 세상의 물질들은 자르면 결국 어디에 도달할까? 물질을 구성하는 입자는 '원자,,atom,,'으로 일컬어지며, 이 원자의 양성자 개수에 따라 현재까지 [math(118)]개로 밝혀져 구분되며, 이 종류를 원소라 부른다. 원자는 원자핵과 전자기력에 의해 그 주위에 존재하는 전자들로 이루어진다. 원자핵은 양성자 및 중성자로 이루어지며, 이때 전자 수가 변하면 이온, 양성자 수가 변하면 다른 원자, 중성자 수가 변하면 동위원소가 된다. 원자 번호가 커질수록 증가하는 전자기력에 비해 강력은 약해서 대체로 불안정하며, 방사선 붕괴를 하는데, 이 능력을 방사능이라고 한다. 방사선에 대해선 나중에 더 자세히 알아보도록 하자.

양성자는 양전하([math(+)])를 띄며, 전자는 음전하([math(-)]), 중성자는 아무 전하도 띄지 않는다. 양성자 개수에 따라 원자 번호가 결정되며, 일반적으로는 양성자 개수와 전자 개수가 일치하여 원자는 중성을 띈다. 즉 양성자 하나와 전자 하나의 전하는 같다. 질량이 서로 [math(1000)]배 이상 차이 날 뿐. 이들의 세계는 매우 작다. 수소 원자 [math(1)]억 [math(5)]천만 개, 또는 금 입자 [math(1)]억개를 일렬로 늘어놓아야 [math(1\rm cm)]가 될 정도이다. 물론, 원자 속 실제로 입자가 차지하는 부피는 극히 일부라는 사실을 잊지 말아야 한다. 아무튼 이렇게나 작은 세상은 우리의 세계, 즉 '거시 세계'와는 다른 법칙들이 적용되며, 이를 '미시 세계'라 한다. 이곳에서 적용되는 역학을 '''양자역학''', 그리고 이러한 이론을 '''양자 이론'''이라 한다.

언뜻 보면 이 세 입자들이 세상을 구성하는 것처럼 보일 수도 있겠지만, 실제로는 양성자와 중성자를 이루는 입자들도 존재한다. 이름하여 쿼크. 양성자와 중성자는 세 개의 쿼크들이 결합했다 하여 '바리온'의 일종이다. 그래서 실제 알려진 기본 입자들은 몇 종류일까? 답은 [math(17)]가지이며, 이와 이들 사이 상호작용의 표준적 틀을 '표준 입자 모형'이라고 한다. 양자물리학에 대해 알아보기 전, 먼저 이 모형에 속한 입자들에 대해 알아볼 것이다.

>이 기본 입자들은 크게 두 종류로 나뉜다. 페르미온과 보손이다. 무엇이 다른가 하면 바로 페르미온은 실제로 물체를 구성하는 입자이고 보손은 힘을 전달하는 입자이다. 양쪽 모두 이 세상에 반드시 필요한 입자들인 것이다. 먼저 페르미온을 살펴보자. 페르미온은 스핀(입자의 기본적인 성질 중 하나)이 반정수이다. 이 페르미온은 또 다시 경입자(렙톤)과 쿼크로 나누어진다. 위에서 본 그 쿼크 맞다. 일단 경입자는 말 그대로 가벼운 입자이다. 전자, 뮤온, 타우온, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우온 중성미자가 여기에 속한다. 이들에 대해 알아보자.
>>전자(electron, [math(e^-)])에 대해 알아보면 전자는 원자 주변에 "존재하는", 경입자 중에서도 가장 가벼운 입자로, 전하가 [math(-1)]이다. 스핀은 [math(\dfrac {1}{2})]. 전자는 매우 빠르게 움직이며 원자 안에서도 마찬가지이고, 확률 분포 구름으로 나타내어진다. 흔히 제시되는 태양계형 모형과 달리 존재할 확률이 높은 곳을 더 진하게 색칠하는 것이다. 여기에서 오비탈의 개념도 나오는데, 다루지는 않겠다. 전자는 이외에도 '전자총'이라 하여 전자를 쏘아서 소립자의 다양한 성질을 밝혀내는 데에 많이 사용되기도 한다. 대표적인 것이 후술할 입자-파동 이중성.
>>아무튼 그래서 진공에 강한 전류를 흘러보내면 음극선, 즉 전자의 이동이 관찰된다. 전류가 전자의 이동이란 말이다. 전선의 자유전자들이 움직이는 것이 전류이며, 전류가 강하면 많은 입자들, 전압이 높으면 전자들의 높은 운동에너지, 저항이 높으면 더 높은 운동에너지 손실을 의미한다.
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>>그다음엔 뮤온(muon, [math(μ^-)])에 대해 알아보자. 뮤온은 전자보다 약 [math(200)]배가량 무거운 입자로, 지구의 대기에서 수없이 많이 떨어지지만, 상호작용을 거의 하지 않는다. 그래서 검출하기 어려운 입자 중 하나이다. 그러나 물질의 양이 믾으면 검출이 가능하긴 하여 건물 내부 투시에 사용되기도 한다. 한편 상대성 이론에 많이 나오는 예시이다. 경입자 [math(2)]세대인지라 전자 + 전자 반중성미자 + 뮤온 중성미자로 붕괴하는데 그 수명이 매우 짧다. 대략 [math(2\rm μs)] 정도. 뮤온은 빠르다. 속력이 무려 시속 수천만 킬로미터. 그러나 이렇게 빠르다고 해도 생성된 직후 이동할 수 있는 거리는 겨우 수백 미터뿐이다. 당연히 이정도로는 지표면 근처에도 못 가지만 지표면에서 검출된다. 이는 관찰자 입장에서는 뮤온의 시간 지연, 뮤온의 입장에서는 지표면까지 거리의 길이 수축으로 설명 가능하다.
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>>다음은 타우온(tauon, [math(τ^-)])이다. 타우온은 경입자 [math(3)]세대로, 질량이 전자의 약 [math(3477)]배로 가장 무겁다. 전하는 당연히 전자와 동일하게 [math(-1)]. 수명이 뮤온보다도 훨씬 짧아 무려 [math(300\rm fs)](...) 이후 뮤온 + 뮤온 반중성미자 + 타우온 중성미자 혹은 전자 + 전자 반중성미자 + 타우온 중성미자로 붕괴한다. 에너지가 높아 붕괴 가능 경로가 많아진 셈이다. 어쨌든 속도 덕분에 엄청난 시간 지연으로 관측 및 분석은 가능할 정도이다.
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>>중성미자(neutrino, [math(ν)])는 전기적으로 중성이며, 강력에는 반응하지 않는 입자이다. 먼저 전자 중성미자(electron neutrino, [math(ν_e)])는 전자에 대응하는 중성미자이다. 그 유명한 베타 붕괴 등으로 전자와 약한 상호작용에 관여한다. ~~물론 반중성미자가 튀어나오지만 역반응으로 발생시킬 수 있다~~
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>>뮤온 중성미자(muon neutrino, [math(ν_μ)])는 뮤온에 대응하는 중성미자이며, 뮤온 붕괴시 발생한다.
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>>타우온 중성미자(tauon neutrino, [math(ν_τ)])는 타우온에 대응하는 중성미자이며, 마찬가지로 타우온이 붕괴할 때 발생한다.
>이렇게 경입자의 종류에 대해 알아보았다. 다음은 쿼크에 대해 알아볼 차례이다. 쿼크라는 단어는 <페네간의 경야>의 한 단어에서 왔으며, 바리온을 구성하는 입자들이다. 특아하게도 독립적으로는 존재하지 뭇하며, 바리온으로 뭉칠 경우 '색전하'에 의한 강력으로 묶이게 된다. 색전하에는 빨강, 초록, 파랑이 있으며, 이들은 단지 구분을 위해 붙여진 이름이다. 이들에 따라 '글루온'이라는 보손에 의해 묶여버리게 되는데, 글루온에 대해서는 나중에 자세히 알아보고, 아무튼 쿼크에는 [위 쿼크, 아래 쿼크], [맵시 쿼크, 기묘 쿼크], [꼭대기 쿼크, 바닥 쿼크]가 있다. 여기서 대괄호로 묶은 것은 세대에 따른 것이다. 순서대로 [math(1)]세대, [math(2)]세대, [math(3)]세대이다. 그럼 각 쿼크에 대해 알아보도록 하자.
>>위 쿼크(업 쿼크, Up Quark, [math(u)])는 전하량이 [math(+\dfrac {2}{3})]이다. 양성자에 [math(2)]개, 중성자에 [math(1)]개 들어있다. 쿼크 중 1세대이며, 이전에는 양성자와 중성자가 전자와 함께 세상의 모든 것을 구성한다고 생각했었던 만큼 아래 쿼크와 함께 맨 처음으로 존재 가능성 제기 및 발견된 쿼크이다.
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>>아래 쿼크(다운 쿼크,  Down Quark, [math(d)])는 전하량이 [math(-\dfrac {1}{2})]이다. 양성자에 [math(1)]개, 중성자에 [math(2)]개 들어 있다. 따라서 위 쿼크의 전하량과 균형을 이루어 양성자의 전하량은 [math(+1)], 중성자의 전하량은 [math(0)]이 될 수 있는 것이다. 위 쿼크와 함께 1세대 쿼크이다.
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>>맵시 쿼크(참 쿼크, Charm Quark, [math(c)])는 전하량이 위 쿼크와 동일하게 [math(+\dfrac {2}{3})]이며, 위 쿼크 계열 [math(2)]세대이다. 보통 다른 쿼크 둘(예를 들면 위 쿼크 하나, 아래 쿼크 하나)과 바리온을 이루어 방사선으로 우주에서 떨어진다. J/ψ 입자에서 처음으로 발견되었으며, 이로 인해 과학계에서 중요한 전환점으로 작용하므로 '11월 혁명'이라고 부른다.
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>>기묘 쿼크(스트레인지 쿼크, Strange Quark, [math(s)])는 전하량이 아래 쿼크와 동일하게 [math(-\dfrac {1}{2})]이며, 아래 쿼크 계열 [math(2)]세대이다. '기묘함'라는 양자수를 가지며, 예상보다 수명이 긴 것에 대해 이러한 이름이 붙었다. 말 그대로 상당히 기묘한 쿼크인데, 아직 이론상이긴 하지만 고밀도에서 업 쿼크, 다운 쿼크와 결합해 '기묘체'를 생성한다.

=# 양자 이론의 역사 #=
고대 그리스의 철학자들은 이 세상을 이루는 근본을 찾기 위해 노력하고, 엠페도클레스와 아리스토텔레스는 4원소설을 제시하였다. 4원소설은 만물은 흙, 공기, 불, 물 이 네 가지 원소들로 이루어져 있다는 것이다. 이는 아리스토텔레스가 더욱 발전시켰는데, 이 4원소들의 특징에 더움과 추움, 습함과 건조함, 이 네 성질들이 있고,각 원소는 이 성질 중 두 개씩 가져 이루어진다는 것이다.