우주에 존재하는 4가지힘

우주에 존재하는 4가지힘

 

 안녕하세요! 평소에 우주에 관심이 많은 평범한 대학생 우주성애자입니다.

 엽혹진에서 꼭 해보고 싶었던 우주에 대한 지식, 현상, 이론등등 여러가지를 소개하고 싶었는데요.

드디어 첫 번째 우주에 존재하는 4가지힘으로 시작합니다.

아마추어도 아닌 그냥 취미이므로 잘못 적혀있더라도 이해해주시면 감사하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

현재 우리가 살고 있는 우주에는 어떤 힘들이 존재하는지 생각해보신 적이 있으십니까?

우주는 우리에게 먼 존재이므로 상관이 없다. 또는 학교, 학원 수업 등으로 배웠지만 점수를 위한 것일 뿐이다. 등등

여러분들은 깊이 생각해보신 적이 없으실겁니다.

하지만 원자, 분자 등을 묶어주는 힘, 우리가 지구에서 날라가지 않고 땅에 붙어있을 수 있는 힘,

우리가 TV, 위성등으로 통신을 할 수 있는 힘 등 의외로 우리에게 굉장히 가까운 곳에 있습니다.

지금부터 그것들에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 우주에는 4가지의 힘이 존재합니다.

바로 강력, 약력, 전자기력, 중력입니다.

이것들을 하나하나 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

그 첫번째! 바로 강력입니다.

 

 

 

사진출처 : http://egloos.zum.com/hgc9395/v/7632420

 

 

 

I. 가장 강력한 힘 강력

 

우리는 양성자와 중성자가 서로 묶여있음을 알고 있습니다. 이러한 힘을 강력이라고 하는데요. 

만약에 강력이 존재하지 않았다면 모든 원자핵들이 분해될 것이고, 우주를 구성하고 있는 원소가 106종인 이유는

핵력에 의해 핵자들이 안정된 결합을 할 수 있는 경우가 106가지이기 때문입니다. 

또한 항성이 아인슈타인의 E=MC²을 통해 빛을 방출할 수 있는 것도 핵력과 약력이 함께 작용한 결과이고요.

참고로 강력의 크기를 1이라 하면 약력은 10⁻⁹, 전자기력은 1/137, 중력은 6×10^-39입니다.

 

 

사진출처 : http://web.hallym.ac.kr/~physics/course/a2u/ep/st.htm

 

 

 

II. 매개입자

 

강력의 매개입자로는 글루온과 쿼크가 있습니다. 쿼크는 한 번쯤은 들어보셨을 거에요. 

바로 쿼크 3개로 핵을 구성하는 기본입자입니다. 그리고 글루온이라는 생소한 매개입자가 있습니다. 

위에서 말했듯이 핵은 쿼크 3개로 구성이 되어있는데 이 3개의 쿼크를 결합시킬 수 있는 힘이 바로 글루온입니다.

 

 

 

 

두번째의 힘은 바로 약력입니다.

 

사진출처 : http://www.ddanzi.com/ddanziNews/3491120

 

 

 

I. 붕괴시키는 힘 약력

 

강력에 비해 10⁻⁹배의 힘을 가지고 있는 약력은 핵들을 한데 묶어놓을 정도로 강하지 않기 때문에

핵자들이 떨어져 나가거나 방사능 붕괴과정에서 작용을 합니다.

또한 약력은 방사능물질을 통해 지구의 중심부를 뜨겁게 달궈서 화산활동을 일으키는 근본적 원인이기도 하고요. 

약력은 전자와 뉴트리노의 상호작용에 기초하고 있는데, 이 과정에서 W-보존과 Z-보존이 교환됩니다.

 

 

 

II. 매개입자

 

위에 쓰여듯이 약력의 매개입자는 W-보존과 Z-보존인데요.

먼저 W-보손의 이름은 약한 상호작용을 뜻하는 영단어 "weak"의 머리글자에서 땄고, 전기적으로 ±1전하를 가집니다.

(즉 W+은 양전하를, W−은 음전하를 가진다는 뜻이에요.) 

아이소스핀은 ±1/2 질량은 80.4 GeV/c²을 가집니다. Z-보손은 전기적으로도. 

아이소스핀으로도 모두 중성, 질량은 91.19 GeV/c이다. 표준 모형에 의해 예측된 입자이며, 1979년 CERN에서 발견되었습니다.

 

 

 

 

 

세번째 힘은 전자기력입니다.

 

사진출처 : http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=941110&cid=47338&categoryId=47338

 

 

 

I. 우리들의 생활에 필수인 전자기력

 

도시의 밤거리를 밝히고 TV를 볼 수 있게 해주며 이동전화와 라디오 레이저빔 그리고 인터넷까지 가능하게 만들어주는 것이 바로 전자기력입니다.

만일 전자기력이 사라진다면 지금의 문명은 당장 수천 년 전으로 되돌아가 암흑과 고요 속에 잠길 것입니다.

그런 전자기력을 초미세영역에서 자세히 들여다보면 모든 것은 광자라는 작은 입자에 의해 전적으로 좌우되고 있습니다.

 

 

사진출처 : http://www.biologyaspoetry.com/terms/photon.html

 

 

 

II. 매개입자의 종류

 

물질은 파동성과 입자성 두 가지 성질을 지니고 있는데요. 

파동의 성질로 본다면 빛은 전자기파에 해당하며 이를 전자기력의 매개입자는 바로 광자라고 합니다.

광자 한 개의 에너지는 플랑크 상수(h)에 빛의 진동수(v)를 곱한 값, 즉 hv이고, 운동량은 hv/c(c는 광속)입니다.

 

 

 

 

III. 전기와 자기는 하나 맥스웰의 전자기이론

 

스코틀랜드의 에든버러에서 태어난 영국의 이론 물리학자이자 수학자인 맥스웰은 전기 및 자기 현상에 대한 통일적 기초를 마련을 하였습니다.

우리가 한번쯤 들어는 봤었던 맥스웰의 방정식이 바로 그것입니다.

 

 

 

 

 

네번째 힘은 중력입니다.

 

 

사진출처 : http://goo.gl/aNLGbG

 

I. 끌어당기는 힘 중력

 

중력은 너무나 유명하여 설명이 필요없을 정도지요. 어떤 질량이 가진 물체에 작용하는 인력 즉 끌어당기는 힘이라고 생각하면 쉬울 것입니다.

강력을 설명할 때 보셨지만 우주에 존재하는 4가지의 힘 중에서 가장 약합니다.

그런데 제일 힘이 약한 중력이지만 시공간을 왜곡이라는 엄청난 현상을 발생시키는 신기한 힘이지요.

 

 

사진출처 : http://travelfacebook.tistory.com/m/post/1270

 

 

II. 매개입자는 존재할까?

 

강력, 약력, 전자기력은 각자 고유의 매개입자를 가지고 있습니다.

하지만 신기하게도 중력은 매개입자가 발견되지 않았습니다.

중력은 다른 힘들과는 다르게 시공간에 영향을 주기 때문에 양자역학적으로 설명이 불가능합니다.

과학자들 사이에서는 "양자역학"과 "상대성이론"을 합친 "양자중력이론", 그리고 시공간을 양자화시킨 "루프양자중력"등을 이용하여 중력자라는 매개입자를 도입하고 있습니다.

하지만 실제로는 관측/발견되지가 않았으며, 중력간의 상호작용을 나타내기 위하여 가정되었을 뿐입니다. 

 

 

 

사진출처 : 네이버 이미지

 

 

III. 뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력

 

고전 물리학과 현대 물리학으로 나누는 기준점을 만든 바로 뉴턴과 아인슈타인입니다.

뉴턴과 아인슈타인의 중력에 대한 차이점은 바로 시간이라고 생각하는데요.

뉴턴은 시간은 우주에 단 하나만 있으며 누구에게나 다 똑같은 시간이라 생각하여, 신이 만든 이 시간을 ‘절대시간’이라고 불렀고,

아인슈타인은 우주에는 관측자마다 제각기 다른 여러가지 시간이 존재하는 ‘상대시간’이라고 불렀습니다.

 

 

외전. 힘을 하나로

 

 

ⅰ. 와인버그-살람 이론

 

1967년 스티븐 와인버그와 앱더스 살람은 전자기력과 약력의 통일이 가능하다는 것을 입증을 하였습니다.

이들은 전자와 뉴트리노가 새로운 입자인 W-보손, Z-보손 그리고 광자를 교환하면서 상호작용을 주고받는 새로운 이론 체계를 만들어 냈습니다.

 

 

ⅱ. 표준모형

 

1970년대 중반에 물리학자들은 자연에 존재하는 네 종류의 힘들 중 중력을 제외한 세 개의 힘을 하나로 통일하는 이론을 완성한 이론입니다.

이 이론에 의하면 쿼크와 전자, 뉴트리노는 각각 글루온과 W-보손, Z-보손, 광자를 교환하면서 상호작용을 하고 있습니다.

 

 

 

ⅲ. 대통일이론

 

이 이론은 이름에서도 예상할 수 있듯이 4개의 힘을 모두 하나로 통일하려는 이론입니다.

하지만 이 이론 역시 중력을 포함시키지 못 하고 있어 성공을 하지는 못하였지만

초끈이론, 자기홀극(N극 또는 S극만 가지고 있는 자석), 가짜진공등을 설명하는 곳에 아주 유용하게 사용되어지고 있습니다.

 

 

다 썼네요...

이미지 등을 이용하여 최대한 재미있게 설명하고 싶었는데

그러지 못해서 죄송합니다 ㅠㅠ

처음 쓴 만큼 개선할 점을 댓글로 많이 달아주셨으면 합니다!

다음은 무엇에 대하여 쓸지 생각해봐야겠네요....

 

참고문헌---------------------------------------------

칼 세이건 / 코스모스

미치오 카쿠 / 평행우주

토마스 뷔르케 / 과학이 즐거운 천문학

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 양자론

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 우주론

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 시간론

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