<재밌어서 밤새 읽는 소립자 이야기> 저자 다케우치 가오루

<재밌어서 밤새 읽는 소립자 이야기> 

이 책은 더 숲에 재밌어서 밤새 읽는 시리즈 중의 하나다. 내용이 쉽다. 작가가 이해한 내용을 알기 쉽게 정리되어있다. 밤새 읽는 시리즈는 화학, 수학, 물리, 지구과학 등등이 있다.  (시간이 나면 다른 책들도 읽어 보고 싶다.)

2015년 12월 출판   출판사 더 숲

지은이: 다케우치 가오루  과학 전문 작가 물리학을 전공하고 대학원에서 에너지 물리학 박사과정을 밟았다고 한다. 일본 인기 교양 프로그램을 비롯 각종 라디오와 강연에서 활약 중이다.  

독서기간:  2023년 1월 5일간 기록일 2023년 2월 27일  분야: 과학 

한줄평:소립자는 블랙홀이다.  

북커버

 

기억에 담고 싶은 구절 

힉스 입자는 이 세상  질량의 근원인 소립자이다.  소립자 물리학은 순수과학의 최고봉이다. 소립자 물리학자의 엉뚱한 상상력은 언제가 새로운 소립자 뿐 아니라 새로운 우주로 향한 문을 활짝 열어줄지도 모른다. 또 물질의 반대인 반물질을 만드는 방법을 찾으면 물질과 반응하여 막대한 에너지를 얻는 것도 가능하다. 소립자물리학을 아는 것은 곧 미래를 아는 것

 

내용

소립자이야기

물질> 원자핵과 전자 (소립자)>원자핵은 양성자와 중성자 > 양성자와 중성자는 각 3개의 쿼크 (소립자)로 이루어져 있다.  힉스(소립자)는 입자가 아니라 물과 비슷한 이미지를 가진 장이다.  힉스 입자가 소립자의 질량을 부여한다는 말은 소립자는 힉스장의 영향을 받는다고  할 수 있다. 장의 저항을 느끼는 것이다. 

소립자 분류

물질을 만드는 소립자:  페르미온 :쿼크6종류와 렙톤 6 종류로 나눈다. 회전속도는 1/2로 정해져 있다.

힘을 전달하는 소립자:글루온와 광자, 위크보손 2종류. 스핀의 속도는 1이다. 페르미온보다 두 배 더 빨리 회전한다.

글루온은 쿼크를 붙이는 역할로 양성자와 중성자를 만든다.

광자는 전기와 자기의 힘을 전달하는 소립자 .광자를 주고받은 것이 힘의 전달이다. 총 16종류의 소립자

광자의 역할은 양성자와 전자가 원자를 구성할 때 양전하와 음전하가 서로 당기는데 그사이에서 작용하는 것이 광자다. 그러므로 글루온과 광자가 없다면 원자, 분자, 물질이 생길 수가 없다.

17번째 소립자 힉스 입자

힉스 입자는 상호작용을 하지만 힘을 전달하는 소립자는 아니다. 질량을 부여하는 소립자다.

광자와 글루온이 없다면 물질이 생겨 날 수가 없고, 힉스 입자 역시 원자가 존재 할 수 없다. 왜냐하면 소립자는 질량이 0이다. 그러므로 광자처럼 빛의 속도로 날아다닌다. 고정될 수 없는 상태인데 힉스 입자는 진공상태의 우주에 가득해 저항으로 작용하므로 소립자의 발이 붙들려 움직이기 힘들어진다. 결과적으로 소립자의 속도가 광속보다 느려진다. 이것이 바로 질량이 생겼다는 현상이다.  에너지가 양자장 (힉스장)의 어는 한 점에 집중되면 그곳에 작은 디지털 파동이 생기는 데 이것이 소립자이다.  일단 생기면 우리는 그것을 입자로 인식할 수 있다. 예를 들어 전자에는 전자장이 있는데 그 곳에 에너지가 집중되면 작은 디지털 파동  즉 전자가 생기는 것이다.  이렇게 장에서 입자가 생기는 것을 들뜬상태라고 하는데 흥분상태라고도 한다. 단, 빛 광자는 유일하게 물의 저항을 받지 않는다. 힉스 입자와 상호작용을 하지 않기 때문이다 이유는 아직 모른 다고 한다. 즉, 광자는 힉스 입자의 존재를 느끼지 못한다. 상호 작용을 하면 무거워지고 상호작용이 없으면 광속 그대로라는 사실이  밝혀진 상태이다. 즉, 소립자는 상호작용으로 장소가 확정되는 데 이는 곧 상호작용이 없으면 장소는 확정되지 않는다.라는 의미이기도 하다.

입자가 있으면  그 소립자와 반대되는 반입자가 반드시 있다. 

각각의 소립자의 전하는 전자를 기준으로 1로 잡으면 양성자의 2개의 쿼크는 2/3과 2/3 아래 쿼크는 음전하 1/3이다. 그러므로 쿼크 전하 3개가 모여 +1이 된다.  중성자는 2/3 이 한개 -1/3이 두 개이므로 전하값이 0이 된다. 이렇게 양의 전하를 띈 쿼크와 음의 전하를 가진 쿼크인데 전하가 다른 두 개의 쿼크로 이루어져 있다 이때 반이란 전하가 반대라는 것이다.

렙톤도 반입자가 있다. 

소립자는 질량 스핀 전하 세 가지 성질만 있다. 이는 블랙홀이 성질과 같다. 지구가 블랙홀이 되면 모든 성질은 사라지고 오로지 질량 스핀 전하만 남는다 그래서 블랙홀에는 털이 없다는 말이 있다.

그렇다면 소립자는 블랙홀인가/?라는 의문이 생긴다. 소립자는 기본적으로 블랙홀이 맞다. 크기만 다를 뿐이다.

그런데 왜 시공이 뚫리는 것인가? 무게가 더 작은 영역에 집중되면 너무 무거운 나머지 시공에 구멍이 나는 것이 블랙홀이다. 그런데 소립자는 작고 가볍지만 너무 작아서 상대적으로 무게가 집중 되면 시공에 구멍이 뚫리게 된다. 거의 한 점에 집중되므로 마치 송곳으로 뚫는 느낌이다.

반입자는 과거로 향한다. (이 내용은 솔직히 무슨 말인지 모르겠다)  

파인만의 도표는 양성자 두 개를  충돌하여 시간대로 나타난 표이다. 이것으로 알 수 있는 사실은 충돌로 양성자의 하나의 쿼크가 서로 교환이 되는데 하나는 시간을 역행하여 과거로 간다는 사실이다. 그리고 과거로 돌아가는 것은 반입자이다. 시간을 역행하면 반입자가 된다는 말이다. 결론적으로 전하가 플러스인가 마이너스인가는 시간을 순행하는가 역행하는가의 의미와 같다. 마치 타임머신처럼 말이다.

초끈 이론

소립자는 중력과의 상호작용을 무시하고 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용 하고 있다. 그런데 

점:입자라는 가정하에 강한 상호작용과 약한 상호작용의 이 두 힘은 계산이 안된다. 무한대의 계산 결과가 나오기 때문이다..(답이 안 나온다) 그래서 점입자를 (소립자, 0차원)에 확장성을 주는 것이다. 즉 , 점이 선이 되면 이는 0차원에서 1차원의 선에서  소립자 간의  힘의 상호작용을 정의하는 것이다. 점입자였던 소립자가 차원이  확장되어 계산된다라고 하여. 선(끈) 이론이 된다고 말하는 것이다. 그리고 여기서 초라는 것은  초대칭의 의미다. 이 말은 소립자가 전하가 반대( 쿼크의 성질이   -,+)가 뿐만 아니라  스핀의 성질이  완전 반대라는 것이 존재한다는 것이다. 소립자의 종류만큼 존재한다.

초끈의 형태는 링 모양과 잘린 선모 양이다. 그중  링 형태는  중력자 그래비톤이다. 이 초끈은 D-브레인이라는 눈에 보이지 않은 진동하는 막에 붙어있는데, (경계조건, 가설) 이장에서 튀어나온 것이  초끈이다. 이 디-브레인의 막 사이에 초끈이 서로 연결하고 있다. 수많은 디 브래인이 나열되어 있고 그 사이에 초끈이 이어준다. 이 둘의 관계를 우리는 전자나 쿼크 등으로 부르고 있는 것이다. 이 그래비톤이 고리모양으로 날아가서 다른 디브레인에 달라붙으므로 중력이 전달된다.

반물질: 반입자로 만들어진 물질

우주가 생성될 때 원래는 물질과 반물질이 같은 양이 존재했지만 우주가 물질로만 이루어진 것은 이 대칭성이 파괴된 것이다. 이를 자발저 대칭서의 파괴라로 부른다. 소립자의 세계에서도 승자인 물질이 조금 더 많아 모두 독점해 버려 우주전체의 물질이 되어버린 것이다.반물질과 물질이 반응하면 곧바로 소멸하여 순수한 에너지가 되고 다른 소립자로 변한다.

평행우주

초끈이론은 엄청난 수의 평행우주를 예언한다. 초끈이 있는 공간을 11차원이다 시공간을 자유롭게 이동한다.  하지만 광자는 고차원으로 새지 못한다. 전자도 3차원 공간에 갇혀있다. (가설)

시간의 확장은 공간의 확장이다.

 

감상 

일단 소립자의 개념을 이해하기에 쉽다는 장점이 있다. 문체 또한 딱딱하지 않고, 작가의 생각도 잘 드러나있어 친절하다.

하지만 조금 깊은 연구를 하기에는 설명이 짧다. (초끈이론과 평행우주와 11차원, 반물질등  존) 재한 다는 말은  그 과정에 생략되어 있어 이해할 수 없는 부분이지만 과학자가 아닌 이상 굳이 실험과 계산 과정을 알 필요는 없다. 이러한 개념이 나올 수 있다는 것만 알아도 초보자가 얻을 것이 많다.   뒷부분에서는 거의 가설에 대한 이야기이다. 독자 입장에서는 결론에서 우리 삶에 적용시킬 부분만 찾아 이해하면 그만이다.

나는 소립자가 블랙홀이라는 것은 시공을 초월할 수 있다는 것이다. 그리고 물질을 만드는 소립자 중력을 거스르는 소립자.

결국 시공을 초월한 다른 세계가 있고 그런 우주를 내가 만들 수도 있다는 생각을 해본다. 의식도 소립자 라면 분명 내가 시각화하는 상상의 세계가 물리적으로 일어날 수 있다는 가정을  해 볼 수 있다.