인터넷 뒤적거리다 발견하게 된 칼럼이야.
물리학에 관심 있는 사람이라면, 재미있게 읽어볼수 있을 만한 내용이니,
시간이 남거나 과학에 관심이 있다면 한번 읽어보면 시간 가는줄 모를거야
이때까지 생각해왔던 물리학의 기본까지 뒤흔들수 있는 중요한 내용이니,
학생이라면 더 재미있게 읽을 수 있을거야
Caltech professor, Sean Carroll 캘리포니아 공과대학 교수, 숀 캐롤
(물론 영어가 된다면 http://www.symmetrymagazine.org/article/july-2013/real-talk-everything-is-made-of-fields 에서 유튜브로 동영상 강의도 풀로 들을 수 있다. 위 사이트로 가면 이런 본문이 있을거고 영어가 된다면 보면 되.)
그럼 시작한다!
Lecturer, Sean Carroll
(picture source- http://egloos.zum.com/hgc9395/v/7632420)
과학자들이 일반인들에게 입자물리학에 대해서 말할때 그들은 매번 물질을 이루는 가장 작은 구성입자을 말하곤 합니다. 예를들어 "당신이 세포와 분자들을 쪼개고 쪼개다가 더이상 나눌 수 없는 것들이 나옵니다..." 뭐 이런 식으로 말이죠
"물론, 위와 같은 설명방식이 물질세계를 바라보는 방법중에 한 가지 인건 맞습니다.
하지만 그건 실제 물질세계가 굴러가는 방식이 아닙니다."
라고 칼텍 이론 물리학자인 Sean Carrol이 페르미연구소의 강의에서 말했다.
(참고로 물리학자는 이론물리학자와 실험물리학자가 있는데,
이론 물리학자는 수학과, 머리로 물리를 하는 천재들이라고 보면 된다)
"그리고 만약 일반인(비과학자)들이 힉스 입자에 대해서 제대로 이해하는 것을 바란다면 물리학자들은 일반인들에게 우리가 말하지 않았던 나머지 이야기를 말해줄 때가 왔다고 봅니다."
(이 칼럼이 올라왔을때 당시가 2013년이니까 힉스입자로 노벨상 탈때 즈음이다.)
"물질을 이루는 입자들의 세상이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해서,
당신은 입자에 대한 개념으로서 입자들이 작은 부분들로 이루어져 있다는 생각을
떨쳐버릴 필요가 있습니다. 그 대신에 장(field)의 관점에서 생각하도록 하세요
사실 당신은 이미 장(field)의 개념에 익숙하답니다."
"두 자석을 서로에게 가까이 가져가면 그들이 접촉하기도 전에
두 자기장의 상호작용으로 인한 인력 또는 척력을 느끼게 될 겁니다.
마찬가지로 당신이 공중으로 점프를 하면 다시 땅으로 되돌아오게 되어 있죠.
바로 당신이 살고 있는 지구의 중력장의 영향 때문이죠."
최소한 과학을 잘 모르는 일반인들에게 있어 캐롤이 전달하는 신박한 메세지는 바로
모든 입자들은 사실 장(field)이라는 것이야.
모든 세상은 장(field)으로 이루어져 있으며 우리가 모래 알갱이 같은 입자라고
생각하고 있는 것들은 사실은 그러한 장(field)들의 '흥분'이라는 것이다"
(여기서 흥분이란 말이 뭔... 개소리지? 쉽게 말해서 그냥 가만히 있다가 호수에 파동이 일어나서 물결이 생성되는 순간과 모습을 흥분이라고 보고 넘어가면 된다. 이렇게 호수에 파동이 일어나서 흥분하게 되면 주변에 파동이 전해질 수 있겠지? 뭐 바위라던가에 부딪혀 회절을 하거나 등등. 즉 '흥분했다' -> '상호작용할 수 있다'
정도로 받아 들이면 된다. 호수에 조약돌을 던지면 호수가 흥분을 해서 진동을 해서 파문을 일으킨다 그리고 그 파문이 진행방향에 있는 다른 것들에 영향을 미치게 된다.)
"예를들어 전자는 전자장(electron field)의 흥분 입니다.
아마 이게 직관적으로는 이해하기 힘들 수 도 있습니다
하지만 세상을 장(field)의 관점에서 바라보는 것은 우리가 입자 물리학을 이해하는데 있어서
혼동되는 사실들을 더 이치에 맞게 이해하는데 도움이 됩니다."
(전자라는게 동그랗게 입자 모습으로 존재하는게 아니라, 파동의 모습으로 존재한다는 걸 깨닫게 해주는 부분이다. 여기서 알아야 할게 위에서 캐롤 교수도 말했지만 분명 입자로 인지하는 것도 틀린 설명은 아니다. 하지만 입자로만 이해하게되면 이해하기 힘든 입자물리학의 현상들이 많이 나타나게된다.)
(그림에서 n=중성자,p=양성자, B=베타입자(전자) v= 전자 중성미자)
"예를들어 방사성 물질이 붕괴(여기선 베타붕괴)할때
우리는 서로 다른 종류의 입자들을 뱉어내는 것으로 여깁니다.
중성자는 양성자와 전자 그리고 중성미자로 붕괴 한다고 생각하죠.
붕괴된 양성자들과 전자 그리고 중성미자들은 중성자 안에 숨어서
밖으로 나가기만을 기다리고 있던게 아닌데도 말입니다.
그러나 그들은(양성자,전자,중성미자) 중성자가 붕괴될때 나타납니다."
(입자들을 그냥 모래 알갱이같은 입자로만 생각하면 방사선 베타붕괴라는 현상을 이해하기가 상당히 힘들어진다.
이때 입자를 파동의 관점으로 바라보게 되면 이제야 제대로 이해가 가기 시작한다.)
+ 문과생들을 위해 설명하자면 방사선 베타붕괴란 A라는 입자가 붕괴했더니 B입자,C입자,D입자 서로다른 3가지 입자가 나타나게되는 현상이라고 이해하면 돼. 그리고 이때 B입자 C입자 D입자가 A입자속에 들어있던게 아니라는 말)
"만약 우리가 장의 관점에서 생각한다면,
이러한 새로운 종류의 입자가 나타나는 것이 이치에 맞기 시작합니다.
에너지 그리고 어떤 한 장(field)의 흥분은
서로를 향해 진동하는 방식으로 다른 장(field)으로 전파됩니다 "
(중성자장이 진동하면 그 진동이 양성자,전자,중성미자에게 전달되는 식으로, 물론 각각 입자들의 장으로 전달 돼)
(picture source- http://www.dreamstime.com/stock-image-water-drop-ripples-rain-image7671291)
"따라서 마치 새로운 입자가 만들어진 것 처럼 중성자가 한 번 진동하면
그에 대한 반동으로 양성자와,전자와 중성미자가 각각 장을 흥분시키게 되고
따라서 우리 눈에는 양성자,전자,중성미자(장)이 눈에 보이게 되는 것 입니다.
장(field)의 개념으로 생각하는 것은 과학자들이 어떻게 힉스 보손들 같은 다양한 입자들은
거대 하드론 충돌로 발견할 수 있었는지에 대해서 좀 더 명확한 이해를 도와줍니다."
(picture source- http://scienceon.hani.co.kr/33206, 위 사진의 가는 선들이 양성자와 양성자가 부딪혔을때 나타나는 수많은 입자들)
"LHC(강입자충돌기)에서는 다량의 에너지를 가진 양성자를 서로 서로 충돌 시키고
과학자들이 이러한 충돌의 결과물들을 분석하죠.
그런 분석에 있어서 바로 이런 장(field)의 개념들이 사용 되는 것이죠."
(picture source- https://www.bobswatches.com/rolex-blog/rolex-info/vintage-week-gold-submariner-1680.html, 롤렉스 시계)
이쯤 되면 입자 물리학을 한다는 것을 묘사하는데 종종 쓰이는 구절이 있죠
바로 "입자물리학을 한다는 것은 두 개의 시계를 서로 부딪치게 한 후에 시계의 모든 부품을 해체 시킨 후 시계가 어떻게 작동하는지 분석하는 것이라고 할 수 있다." 라고 유추하는 것입니다. 이런 분석은 여러가지 이유에서 매우 좋지 않은 방법입니다.
가장 주요한 이유 한 가지는 당신이 입자들을 서로 충돌시켰을때 실제로 벌어지는 일들은
마치, 두개의 저렴한 TIMEX 시계를 서로 부딪혀 봤더니 Rolex 시계가 펑 하고 나타나는 격입니다.
따라서 실제적으로 LHC(강입자 충돌기) 내부에서 일어나는 일은 에너지를 가진 양성자장(proton field)의 흥분하고 그 흥분이 서로 진동하며 발생한 그들의 에너지를 인접한 장으로 전달하여 우리가 힉스와 같은 새로운 입자들을 보게 해주는 새로운 흥분들을 형성하는 것 입니다.
장의 개념으로 생각하는 것은 또한 힉스입자가 어떻게 작용하는지도 더 잘 이해할 수 있게 해줍니다. 힉스 보손들 스스로는 다른 입자들에게 달라붙어 있음으로써 질량을 주는게 아니라 힉스 장이 다른 장들과 서로 상호작용을 하고 점차 확대됨에따라서 그들의 입자들에 질량을 부여하는 것 입니다.
미디어에선 힉스'입자'를 가장 사랑하지만 사실 우리가 진짜 사랑해야할 것은 바로 힉스'장' 입니다.
이것이 바로 이 세계가 실제로 돌아가는 이치입니다.
< 3줄 요약 >
1. 입자들은 모래알갱이 처럼 작은 구슬로 보기 보단 장(field)로 보는 것이 입자물리학을 이해하는데 더욱 유용하다.
2. 장(field)의 흥분으로 다른 입자의 장(field)를 흥분시키는 현상에 의해서 입자간 상호작용이 일어나게된다.
3. 이것이 세상이 실제로 돌아가는 실제 모습이다.
