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물리학자가 들려주는 물리학 이야기 - 45인의 물리학자가 주제별로 들려주는 과학지식
다나가 미유키 외 지음, 김지예 옮김, 후지시마 아키라 감수 / 동아엠앤비 / 2022년 4월
평점 :

저자 다나카 미유키는 물리교사이고 유키 치요코는 물리 강사이고 후지시마 아키리는 물리교수이다.
이 책은 역학, 대기압과 진공, 온도, 열역학, 빛, 소리, 자기와 전기, 전류, 전자파, 원자의 구조, 방사선, 양자 역학, 소립자에 대한 분야로 설명을 해준다.
물리학은 철학과 마찬가지로 추상적이라서 어렵게 느껴진다.
나도 계속 책을 읽고 있지만 정확하게 알고 있다고 말할 자신은 없다.
어렴풋이 알고 있다정도이다.
소립자는 원자보다 작은 물질의 최소 단위이다.
19세기 말까지는 원자가 가장 작은 입자라고 생각했다.
톰슨이 전자의 존재를 밝히고 러더퍼드가 원자의 중심에 핵이 되는 것이 있다는 것을 증명했다.
원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵의 주변을 전자가 돌고 있는 구조이다.
소립자라는 더욱 기본 단위인 입자에 관해서도 예측했고 실제로도 관측이 되었다.
디락은 전자를 시작으로 모든 소립자에는 반입자라고 불리는 전하, 즉 반대의 입자가 존재한다고 예측했다.
페르미는 뉴트리노라고 하는 소립자의 존재를 예측했다.
소립자의 종류는 100개 가까이 되고 신형 가속기나 고강도 검출기 덕분에 소립자의 종류는 계속 늘어났고 이를 분류하느라 물리학자들이 골머리를 앓았다.
겔만은 쿼크라는 소립자를 도입해 정리를 했다.
기본 입자 중에서도 물질을 구성하고 있는 입자인 쿼크와 렙톤을 물질 입자 또는 페르미온이라고 한다.
힘을 매개로 하는 입자를 게이지 입자, 보존이라고 한다.
중력을 전달하는 중력자는 아직 발견되지 않았다.
힉스 입자는 지금 가장 주목받고 있는 입자이고 질량을 부여하는 입자이며 2012년 7월 4일에서 그 존재가 확인되었다.
양자와 중성자 같은 쿼크로 이루어진 복합 입자는 지금 소립자 범주에서는 제외되었다.
디락은 영국의 브리스톨에서 태어났고 브리스톨 대학에서 공학과 수학을 배웠으며 케임브리지 대학에서 물리학을 배웠다.
수학에 아주 뛰어났으며 수학을 통해서 양자 역학에 상대론을 접목했다.
아주 똑똑하구나,,
1932년 뉴턴이 일했던 케임브리지 대학이 루카스 기념 교수로 임명되어 허례허식을 싫어하는 뉴턴의 스타일을 부활시켰다.
하이젠베르크의 행렬 역학과 슈뢰딩거의 파동 방정식은 양자 역학에 관해 표현이 서로 다른 것에 지나지 않으며 내용은 동등하다라고 주장했고 양자 역학의 수학적인 기초를 확립했다.
반물질은 일반 물질과 접촉하면 쌍소멸하고 각각의 질량이 100퍼센트 에너지로 전환되어 막대한 에너지를 방출한다.
쌍소멸, 쌍생성은 진공 상태일 때 높은 에너지의 광자을 입사하면 전자와 양전자로 변한다는 현상을 예측할 수 있다.
이것이 쌍생성이다.
반대로 전자와 양전자가 부딪히면 광자를 방출해서 전자와 양전자는 소멸되어 버린다.
이것이 쌍소멸이다.
진공은 마이너스 에너지 상태로 가득 차있지 않다.
파인만은 세로축은 시간을, 가로축은 공간을 의미하며 전하를 가진 입자 사이에 광자를 주고받는 상황을 나타낸다.
디락의 반입자는 우주가 처음 만들어진 것에 관해 중대한 문제를 제기했다.
우주의 시작인 빅뱅은 에너지를 가진 두 개의 입자가 충돌하여 입자와 반입자가 생성되었다고 한다.
입자와 반입자가 동일한 수만큼 생성되었다고 한다면 지금 우주의 상태는 입자와 반입자는 소멸하고 에너지만 존재하는 우주가 된다.
입자와 반입자 각각의 물질 우주가 존재한다.
반물질로 구성된 반우주는 관측된 적이 없다.
왜 우리 우주에는 물질만 존재하고 반물질은 존재하지 않는지는 물리학의 큰 과제이며 지금도 이에 관해 연구가 계속되고 있다.
뒷이야기를 보면 디락은 물리 법칙은 수학적인 아름다움을 갖추고 있어야만 한다고 했다.
신은 대단한 수학자일 것이며 아주 고등한 수학을 활용해 우주를 건축했을거라고 했다.
노벨 물리학상 수상이 결정되었을 때 주목 받는 것을 싫어해서 사퇴하려고 했는데 사퇴하면 더 주목 받는다고 러더퍼드에게 설득당해 수상하기로 결정했다.
페르미는 로마에서 태어나 24세의 나이에 로마 대학의 교수가 되었으며 이론 물리학자와 실험 물리학자로 동시에 활동했다.
그 업적을 인정받아 1938년에 노벨상을 수상했는데 수상식에 출석한 후 바로 유대인 아내인 아우라와 함께 미국으로 망명했다.
그후, 원자로 개발 등 원자력을 활용하는데 공헌했다.
방사선 중에서 베타선의 정체는 전자이며 이것은 원자핵 내의 중성자가 양자로 바뀌면서 방출되는 것이라는 점이 밝혀졌다.
베타선이 방출되는 베타 붕괴 전후에 들어오고 나가는 에너지의 양이 맞지 않다는 것이 큰 문제가 되었다.
파울라는 붕괴전의 중성자는 전하가 전혀 없고 붕괴후의 양자의 전자를 합친 전하도 전혀 없기 때문에 베타 붕괴 사에 전기적으로 중성이고 질량이 거의 없는 입자가 방출되는 것이라고 생각했다.

페르미는 이 입자의 존재를 확신했으며 뉴트리노라고 이름 붙였다.
뉴트리노는 이탈리아어로 작은 중성의 물체라는 의미이다.
페르미는 베타 붕괴 시에 중성자, 양자, 전자, 뉴트리노가 상호작용한다고 가정했다.
이 상호 작용은 페르미 상호 작용이라고 한다.
페르미가 제안한 이론은 장의 양자론을 전자장의 상호 작용에서 소립자 상호 작용으로 확장한 측면에서 큰 의미가 있다.
중성자는 다운 쿼크, 2개와 업 쿼크 1개로 구성되어 있으며 양자는 다운 쿼크1개와 업 쿼크 2개로 구성되어 있다는 것을 알고 있다.
베터 붕괴에서는 중성자 내부의 다운 쿼크 한 개가 업 쿼크로 바뀌어 양자가 되고 그때 전자와 반 뉴트리노가 방출된다.
반 뉴트리노란 태양광이나 우주선에 포함된 일반 뉴트리노의 반입자이다.
뉴트리노는 전하를 가지지 않기 때문에 다른 물질에 거의 반응하지 않는다.
1초 동안에 수백조 개의 뉴트리노가 날아와 우리 신체를 관통하고 있지만 이것을 관측하기란 어렵다.
어마어마한 수가 날아오고 있기 때문에 이것을 어떻게는 포착해보려고 여러 나라들에서 각축을 벌이던 중 일본 히다시의 광산 지하에 가마오칸데가 건설되었다.
우주선에는 다양한 입자가 포함되어 있기 때문에 관측 대상인 뉴트리노만 날아 올 수 있는 지하 깊은 곳을 선정해 건설했다.
뉴트리노가 물질과 충돌하면 전기를 가진 입자가 튀어나오는데 이는 아주 드문 현상이다.
슈퍼 가미오칸데에서는 5만 톤의 물을 저장해서 뉴트리노가 물 안의 전자나 원자핵에 부딪히기를 기다리고 있다.
이렇게 튀어나오게 된 입자는 물속에서 빛이 이동하는 속도보다도 빨리 이동하여 체렌코프 광을 방출한다.
체레코프 광의 진행 속도는 음속에 의한 충격파와 동일하다.
물탱크의 벽면에 장착되어 있는 강전자 증배관을 통해 체렌코프 광을 포착하여 진행 방향, 위치, 입자 종류 등의 정보를 얻을 수 있고 부딪힌 뉴트리노의 정보도 얻을 수 있는 구조이다.
유카와 히데키는 페르미의 이론을 접한 뒤 뉴트리노가 양자와 중성자 사이의 핵력에도 관여한다고 생각했다.
그러나 이 경우에는 약한 핵력밖에 얻지 못한다는 것을 깨달은 뒤 중간자라는 새로운 입자에 관한 힌트를 얻었다.
페르미는 미국으로 망명한 후 콜롬비아 대학에서 핵분열 반응 연구를 시작했으며 시카고 대학에서 세계 최초로 원자로를 가동하는데 성공했다.
페르미는 뉴트리노라는 명칭을 붙인 사람으로 알려져 있기보다는 원자로를 개발한 사람으로 잘 알려져 있다.
1934년에 졸리오 퀴리 부부가 알파선을 조사해서 인공적으로 방사성 물질을 만드는데 성공했다.
페르미는 알파선 대신에 중성자를 사용하는 발성을 떠올렸고 로마대학에서 계속 새로운 방사성 물질을 개발했다.
중성자를 감속시키면 핵분열이 촉진된다는 사실도 발견했다.
이 발견을 통해 좋은 의미에서든 나쁜 의미에서든 원자력의 실용화가 진행되게 되었다.
겔만은 미국 맨해튼에서 태어나 15세의 나이에 예일 대학에 입학했고 19세에 졸업했다.
22세에 MIT에서 박사 학위를 취득했으며 23세에 시카고 대학에서 일하기 시작했다.
이후 소립자 연구에 몰두했고 1964년에 쿼크 모형을 제안했다.
쿼크 모형을 통한 소립자 분류 및 상호 작용 연구의 막대한 공헌을 인정받아 1969년에 노벨상을 수상했다.
1960년대 초반까지 많은 가속기가 제작되었고 새로운 입자들이 계속 발견되었다.
그리고 궁극의 입자에 관한 모형이 다수 제창되었다.
사카다 쇼이치는 람다 입자와 양자, 중성자, 이 셋을 기본 입자로 하는 사카다 모형을 제창했다.
그러나 사카다 모형으로는 설명하지 못하는 모순이 있었기 때문에 겔만은 새로운 세 개의 기본 입자 커크 모형을 고안했다.
동시대 이스라엘의 조지 츠바이크도 같은 발상을 했다.
겔만은 사카다 모형의 사고를 계승하면서 그 문제점도 해소했다.
사카다 모형과 쿼크 모형의 차이점은 기본 입자를 이미 알고 있던 하드론보다 한 단계 아래의 계층으로 설정했던 것이다.
하드론이 한 단계 낮은 계층의 기본 입자인 쿼크의 복합 입자라고 생각하자 하드론의 수많은 특성과 성질이 잘 정리되었다.
그리고 겔만은 쿼크가 가진 양자 수로 색전하를 제창했다.
쿼크에서 원자핵을 만드는 힘과 강한 상호 작용은 색전하의 혼합 정도에 따라 생성 소멸되는 게이지 입자의 교환을 통해 설명할 수 있다고 하는 양자 색역학일는 분야가 확립되었다.
쿼크에는 업 쿼크와 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크 그리고 각각의 반입자가 있다.
양자는 업 쿼크 두 개와 다운 쿼크 하나, 중성자는 업 쿼크 하나와 다운 쿼크 두 개로 구성되어 있다.
현재 쿼크의 종류는 업, 다운, 스트레인지에 참, 보텀, 탑이 더해져 여섯 종류로 분류되어 있다.
소립자에 대해서 궁금해서 읽기는 읽었는데 머릿속에 입력이 되지 않고 전부 다 날아가는 느낌이다.
그래도 책이 쉽게 되어 있어서 그나마 읽을 수는 있는 것 같다.
삽화도 많아서 이해가 잘되기는 한다.

[이 글은 출판사로부터 도서를 협찬받아 주관적인 견해에 의해 작성했습니다]