자연계에 존재하는 기본적인 네 가지 힘

자연에 존재하는 기본적인 네 가지 힘을 설명하는 것은 쉽지 않다. 여기서는 보통의 과학 지식을 가지고 있는 사람이 이해할 수 있도록 최대한 쉽고 간단하게 설명하고자 한다.

강한 상호 작용(strong interaction, 강력)

강력(강한 상호작용)은 쿼크들 사이에서 세  종류의 새로운 전하들 사이에 작용하는 힘이다. 세 종류의 전하이기에 겔만은 빛의 3 원색에 대응하는 이름을 붙여서 Red, Green, Blue로 불렀다. 새로운 전하를 색전하(color charge)로 이름 붙인 것이다. 3 종의 전하 사이에 일어나는 힘이므로 강한 상호작용은 SU(3) 게이지 군으로 보게 되는 것이다. SU(3) 게이지 군을 갖는 강한 상호작용은 8개의 게이지 입자를 갖고, 글루온(gluon)이라고 이름을 붙인 게이지 입자는 색전하를 가진 쿼크(색깔 있는 쿼크 colored quark)들 사이에 강한 상호작용을 매개합니다. 색전하를 갖는 쿼크와 SU(3) 게이지 입자인 글루온이 상호작용하며 벌이는 동역학을 양자 색소동역학(QCD quantum chromodynamics)으로 부른다. 쉽게 말하면 강력은  양성자를 구성하는 쿼크 및 글루온에 힘이 작용하는 것을 의미한다. 그런데 글루온이라는 매개입자는 자체적으로 색전하를 갖고 있고 그 힘을 색력(colored force)이라고 하며, 색력은 거리가 가까울수록 힘의 크기가 약해지고 멀수록 강해지는 특성을 가지는데 이것을 점근적 자유도(asymptotic freedom)라고 불린다. 이 특이한 현상 때문에 핵자 정도로 작은 영역에서는 쿼크가 별 힘을 받지 않는 것처럼 자유롭게 돌아다니지만, 핵자 범위를 넘어서면 어느 힘보다 강력하게 작용하여 쿼크가 단독으로 존재하지 못하도록 잡아두게 된다. 쿼크가 독립적인 입자로 행동하지 못하고 다른 쿼크와 더불어서 입자를 만들게 되는 독특한 현상을 쿼크 가둠(quark confinement)라고 부른다. 점근적 자유도는 독립적인 쿼크를 발견하지 못하게 되는 것을 설명할 수 있게 해 준다. 글루온이라는 매개입자가 갖는 특이한 점은, 전자기 상호작용을 하는 빛이 전기적 전하를 갖지 않는 것과 달리 매개입자인데 색전하를 갖는다는 것이다. 강력(강한 상호작용)은 아주 적은 영역의 원자핵에 뭉쳐있는 양성자들의 반발력을 이기고 묶어주며 전기적으로 자유로운 중성자를 붙잡아서 원자핵을 안정되게 하며, 원자핵 정도까지는 강력하게 작용하지만 더 먼 거리에서는 급격히 감소하는 힘이다. 만약 중력의 크기를 1로 본다면 강력은 중력의 1040배이다.

약한 상호 작용(weak interaction, 약력)

약력은 약한 핵력 (weak nuclear force), 약한 상호작용 (weak interaction)이라고도 한다. 쿼크에는 6종류, 그리고 경입자에도 6종류가 있다. 약한 상호작용은 무거운 쿼크들과 경입자들이 가벼운 쿼크들과 경입자로 붕괴하도록 한다. 입자가 소멸하고 두 개 이상의 다른 입자들로 대체되는 것이 관찰된다. 비록 총 질량과 총에너지가 보존되지만, 몇몇 원래 입자의 질량은 운동에너지로 변환되고, 그 결과 생성된 입자들은 붕괴되기 전 입자보다 항상 작은 질량을 가지게 된다. 하나의 쿼크나 경입자가 종류를 바꿀 때 (예를 들어 뮤온이 전자로 변할 때), 그것을 맛깔(flavor)이 변했다고 말한다. 모든 맛깔(flavor)의 변화는 약한 상호작용에 의해 이루어진다. 약한 상호작용의 전달입자들은 W+, W-, 그리고 Z 입자들이다. W 입자들은 전기적으로 하전 되어 있고, Z입자는 중성이다. 약한 상호작용은 베타붕괴(원자핵에서의 중성자가 양성자로 바뀌는 현상이 한 예)에서 찾아볼 수 있다. 탄소 동위원소 반감기를 이용한 연대측정법은 이 현상을 이용하는 것이다. 뉴트리노에서 W⁺가 방출되어 중성자로 이동하면, 뉴트리노는 전자로 바뀌고, up 쿼크 하나와 down 쿼크 둘로 이루어진 중성자는 up 쿼크 2개와 down 쿼크 하나로 이루어진 양성자가 된다. 이 현상으로 인해 양성자 6개, 중성자 8개인 탄소 원자핵은 양성자 7개, 중성자 7개인 질소 원자핵으로 변한다. 반대로 핵융합에서는 양성자만 2개 있는 원자핵은 전자 대신 양전자를 내뱉고 양성자와 중성자가 하나씩 있는 중수소 원자핵으로 변한다. 양성자-양성자 연쇄 반응의 도화선 역할을 하는 힘이다, 이 힘이 없으면 경수소 2개로 어떻게 중수소 하나를 만드는지를 설명하지 못한다. 약력의 '약'은 약력장의 세기가 강력장의 세기보다 10¹³배 약한 데에서 기인한다. 그러나 약력은 짧은 거리에서는 중력보다 세다. 네 가지 상호작용이 모두 작용할 수 있는 거리 내에서 힘의 세기는 세 번째로, 중력보다 10²⁷배 강하며 전자기력보다 10¹¹배 약하다. 약한 상호 작용은 중력과 함께 유일하게 중성미자와 상호작용할 수 있는 힘이다. 약력은 다른 기본 상호작용에 비해 매우 작고, 핵자 안에서만 작용하며. 핵분열과 핵융합에서 중요한 역할을 한다. 

약한 상호 작용의 한 가지 예시 이미지

전자기력(electromagnetic force)

전자기력이 생기는 원인은 전하를 가진 입자들 간의 상호작용 때문이다. 전자기력은 게이지 이론을 기반으로 설명되는데 게이지 이론은 양자장론에서 힘이 작용하는 방식을 설명하는 수학적인 기초로서 예를 들어, 양자전자 쌍이 상호작용하면서 중간자를 생성하고, 이 중간자를 통해 전자기력이 작용한다. 양자 전기역학에 따르면 광자라고 불리는 빛의 입자들이 페르미온 사이에서 전자기력을 매개한다. 전하를 띤 모든 입자는 전자기장 내에서 에너지를 방출 또는 흡수하면서 광자를 교환한다. 전하를 띤 입자는 전하를 띤 또 다른 입자나 자기장과 영향을 주고받는데, 반대인 전하를 가진 두 입자가 광자를 교환하면 서로 끌어당기는 힘인 인력이 발생하고, 같은 전하끼리 광자를 교환하면 서로를 밀어내는 척력이 작용하는데 이 힘을 전자기력이라 하는 것이다. 전자기력은 전선에 전류가 흐를 때 주변에 자기장이 생성되며, 이 자기장은 자석에 힘을 미치는 역할을 하는데 이러한 상호작용을 통해 발생하는 힘이다. 전자기력은 전기장, 전류밀도, 자기장 등의 요소가 함께 작용하여 전자기력의 크기를 결정한다. 마찰력, 장력, 화학 결합, 화학반응, 물질대사 등과 같은 다양한 현상들은 모두 전자기력이 원인이 된다. 전자기력의 크기는 네 가지 기본적인 힘 중에서 두 번째로 크다.

중력(Gravity)

중력은 질량을 가진 두 물체 사이에 작용하는 힘이자 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 만유인력이다. 현재 알려진 자연계의 네 가지 힘 중에서는 가장 약하며, 유일하게 인력만이 작용한다. 아이작 뉴턴은 지구와 물체 사이에 잡아당기는 만유인력을 중력이라고 주장하였다. 중력의 크기는 물체의 질량과 지구의 질량의 곱에 비례하고 지구와 물체 사이에 거리의 제곱에 반비례한다라고 생각하였다. 그러나 이것은 거시세계에서 적용되는 개념이며 양자세계에서는 적용되지 않는 부분이 있다. 현대 물리학에서의 중력은 아인슈타인의 일반 상대론으로 기술된다. 이는 관성 질량과 중력 질량이 같다는 등가 원리에서 출발한다. 일반 상대론에서는 중력을 시공의 곡률로 인한 현상으로 간주한다. 즉 시공간에 질량이 매우 큰 물체가 있으면 시공간이 휘어지면서 주변에 있던 물체가  휘어진 공간을 따라 미끄러지는 것이다. 약한 중력장의 경우, 일반 상대론은 뉴턴의 중력 이론으로 수렴한다. 중력은 네 가지 힘중에서 가장 약한 힘이다. 중력을 연구하는 이론에 따르면 중력에는 중력자와 중력파가 관여하는데 아직 확실한 증거를 발견하지는 못하고 있다.