카테고리 없음

3. 미시우주에서 거시우주까지=전부 퍼옴

골뫼사니 2016. 6. 21. 14:46

3. 미시우주에서 거시우주까지

과학 세상/노벨상과 20세기물리 2009.01.24 18:31

앞장의 “고전물리학에서 양자물리학까지”는 우리가 일상 생활에서 만나는 거시세계의 현상으로부터 원자나, 전자, 핵과 같은 양자세계로 데려다 주는 여행이었다. 이 장에서는 원자를 시작으로 해서, 원자보다 더 작은 세계로 뚫고 들어가 가장 작은 물질의 구성원들을 노벨 수상자들의 업적을 통해 알게 될 것이다.


새로운 입자와 상호작용의 “미시우주”로의 탐험이 우리가 살고 있는 “거시우주”의 아주 커다란 구조의 구성과 그 진화역사를 이해하는 데 필수적이 될 것이라는 것을 20세기의 전반 일찍이 깨달았다. 현재 단계에서 입자물리학과 천체물리, 우주물리는 강하게 한데 묶여있고 그 예를 보여주겠다.


우리가 살고 있는 우주에 있는 가장 작은 물체와 가장 큰 물체를 연결하는 또 다른 연결고리는 알버트 아인슈타인의 상대성 이론이다. 아인슈타인은 1905년에 특수 상대성이론을 처음으로 만들어 냈다. 계속해서 일반상대성 이론으로 중력을 공간과 시간으로 연결했다. 디락의 반입자에 대한 예측 뿐 아니라 고에너지 입자에 대한 유효질량 계산과 방사성 붕괴에서 일어나는 에너지 변환이 특수상대성 이론에 기초를 두고 있다. 블랙홀의 성질에 대한 계산을 포함한 우주의 대규모 운동에 대한 기초는 일반상대성 이론이다. 아인슈타인은 빛의 입자성을 보여주는 광전자효과에 대한 연구로 1921년 노벨 물리학상을 받았다.


벡퀘렐, 퀴리부부 그리고 러드포드의 연구로 새로운 질문이 생겨났다. 계속해서 오랫동안 α, β, γ 방사선을 내는 방사성 핵의 에너지는 어디로부터 오는 것인가 하는 것과 무거운 α 입자와 핵 자체는 무엇으로 이루어져 있는가 하는 문제였다. 첫 질문은 물리학의 가장 중요한 기초원리의 하나인 에너지 보존 법칙을 깨는 것처럼 보였다. 이 문제는 러드포드와 프레데릭 사디(Frederic Soddy)(1921년 화학상)의 변성이론(transmutation theory)에서 해답을 찾았다. 방사성 붕괴를 하는 몇 가지 다른 연속물을 자세히 따라가서 원래 핵과 파생 핵 사이의 질량차이와 방출되는 에너지를 비교했다. 이 과정에서 같은 화학원소에 속하는 핵이 다른 질량을 가지는 것을 발견하였고 이렇게 다른 종류를 “동위원소”라고 부른다. 프랑시스 더블유. 애스튼(Francis W. Aston)에게 많은 비방사능 원소들의 동위원소를 질량분광법을 사용해 분류해 낸 공로로 1922년 노벨 화학상이 주어졌다. 그 즈음 마리 퀴리는 1911년 화학상으로 두 번째 노벨상을 받았다. 라디움(radium)과 폴로니움(polonium) 원소를 발견한 공로였다.


모든 동위원소의 질량은 양성자 질량의 배수와 거의 같다는 것이 발견되었다. 양성자는 러드포드가 α 입자를 질소의 핵에 쬐었을 때 처음으로 발견되었다. 그러나 각각의 화학원소들은 반드시 핵의 전하 총량은 한가지 값만을 가져야 하기 때문에 서로 다른 동위원소가 모두 양성자만으로 이루어져 있다고 볼 수 없었다. 양성자는 핵 질량의 반을 차지한다는 것이 발견되었다. 이것은 어떤 중성 구성원이 핵에 존재해야한다는 것을 의미한다. 1932년에 핵반응 연구를 하던 중에 제임스 채드윅(James Chadwick)은 중성자라는 핵 구성 입자의 존재에 대한 결정적 증거를 처음으로 찾아내었다. 채드윅은 1935년에 노벨상을 받았다.


채드윅이 중성자를 발견하고 바로 후에 중성자는 엔리코 페르미(Enrico Fermi)와 다른 연구자들의 일에 도입되어 새로운 “인공” 방사능을 만들어 내는 도구로 핵반응에 쓰이게 된다. 페르미는 중성자에 의한 원소변형을 하지 않는 핵반응의 확률이 중성자를 느리게 했을 때 증가한다는 것을 발견했다. 이것은 전하를 띤 입자에 의한 핵반응과 반대로 가벼운 물질과 무거운 물질에 모두 잘 적용되었다. 이 일은 1938년에 노벨상의 대상이 되었다.


원자의 핵을 이루는 기초 단위로서 중성자와 양성자를 가지고 “핵물리학” 분야는 확립되었고 여러 가지 주요업적들이 노벨상으로 유명하게 되었다. 1939년에 노벨 물리학상을 받은 에르네스트 오. 로렌스(Ernest O. Lawrence)는 자기장 안에서 돌고 있는 입자에 작은 양의 에너지를 계속 더해 줌으로써 가속시키는 싸이클로트론(cyclotron)을 건설했다. 이 기계를 가지고 전하를 띤 핵입자들을 가속시켜 핵반응을 일으킬 만한 높은 에너지를 가지도록 만들어서 중요한 새로운 결과들을 얻었다. 존 디. 콕크롭트 경(Sir John D. Cockcroft)과 에르네스트 티. 에스. 월튼(Ernest T.S. Walton)은 입자에 아주 높은 정전압을 걸어서 가속시켰고 원소의 변성에 관한 연구로 1951년에 상을 받았다.


오토 스테른(Otto Stern)은 핵의 자기적 성질을 연구하는 실험방법을 개발한 공로, 특히 양성자 자체의 자기 모멘트를 측정한 공로로 1943년에 물리학상을 받았다. 이시도르 아이. 롸비(I냐액 I. Rabi)는 라디오 주파수 공명법으로 핵의 자기 모멘트를 100배나 더 정확하게 결정하였고 1944년에 물리학상을 받았다. 핵의 자기적 성질은 양성자와 중성자로부터 핵이 형성되는 것을 자세히 이해하는 데 중요한 정보를 제공한다. 나중에, 20세기 후반에, 이 복잡한 다체계의 이론적 모델을 세운 연구로 몇몇 이론학자들이 상을 받게 된다. 유진 피. 위그너(Eugene P. Wigner)과 마리아 괴페르트-메이에르(Maria Goeppert-Mayer), 제이. 한스 디. 옌센(J. Hans D. Jensen)이 1963 년에, 그리고 엘. 제임스 뤠인워터(L. James Rainwater)가 1975년에 공로를 인정받았다. 이 분야의 연구는 “간단 계에서 복잡 계로”라는 제목으로 다시 다룰 것이다.


일찍이 1912년에, 빅토르 에프. 헤스(Victor F. Hess)는 깊이 침투하는 방사선이 외부우주로부터 계속 우리에게 들어오고 있다는 것을 발견했다. 이 “우주 방사선”은 이온화 상자에서 처음으로 감지되었고, 나중에 윌슨의 구름상자에서도 탐지되었다. 우주 방사선 속의 입자의 성질은 강한 자기장을 걸었을 때 입자가 지나간 곡선 자취로부터 알 수 있었다. 같은 방법으로 씨. 디. 앤더슨(C.D. Anderson)은 양전자(positron)를 발견했다. 앤더슨과 패트릭 엠. 에스. 블랙킷(Patrick M. S. Blackett)은 빛알갱이 의 에너지가 적어도 2mec2를 가지는 γ 선을 가지고 전자-양전자 쌍을 만들어낼 수 있다는 것을 보였고 전자와 양전자가 없어지고 그 때 γ 선을 만들어 내는 것을 보였다. 헤스와 앤더슨은 1936년에 노벨상을 나누어 가졌고, 블랙킷은 1948년에 구름상자를 더 발전시키고 그것을 이용해 발견한 업적들로 노벨상을 받았다.


가속기가 점점 더 발전되었지만 우주 방사선은 20년이 넘게 고에너지 입자의 주요 원천이 되어왔다. 비록 밀도가 현저하게 낮긴 하지만 아직도 에너지 면에서는 지구상의 가장 강략한 가속기를 능가한다. 그리고 완전히 미지의 소립자에 대한 첫 번째 감지는 우주 방사선에서 제공된다. 전자의 약 200 배나 되는 질량을 가지고 양성자보다는 10배 가벼운 메존이라고 불리는 새로운 종류의 입자들은 1937년에 알아차리게 되었다. 1946년에 쎄실 에프. 포웰(Cecil F. Powell)은 메존같은 입자가 한가지 이상 존재한다는 것을 보였다. 그들 중 하나는 “파이(π) 메존”으로 “뮤(μ) 메존”으로 붕괴된다. 포웰은 1950년에 노벨상을 받았다.


그 무렵 이론학자들은 핵 속에 양성자와 중성자를 같이 있게 하는 힘에 대한 추측을 하고 있었다. 히데키 유카와(Hideki Yukawa)는 1935년에 새로운 양자장 이론에서 마치 전자기력이 실질적인 빛 알갱이를 교환함으로써 힘이 전달된다는 것을 가정하는 것처럼 강한 핵력도 교환입자가 힘을 전해주어야 한다는 이론을 제안했다. 유카와는 실험에서 발견된 강한 핵력의 초단거리 작용을 설명하기 위해서는 교환입자의 질량이 전자의 약 200배 가량 되어야 한다고 주장했다. 포웰의 파이 메존이 “유카와 입자”로 알맞은 성질을 갖는다는 것이 알려졌다. 반면에 뮤 입자는 완전히 다른 성질을 가지는 것으로 판명되었다. 뮤 메존은 뮤온(muon)으로 불린다. 유카와는 1949년에 노벨상을 받았다. 나중에 강한 핵력의 메카니즘이 유카와가 제시한 그림보다 훨씬 복잡하다는 것을 알게 되었지만 유카와는 힘 운반자에 대한 사고를 효과적인 방향으로 이끈 첫 번째 사람으로 인식되고 있다.


1950년대에는 우주 방사선에서 뿐 아니라 가속된 입자의 충돌 실험에 의해서도 더 많은 새로운 입자들이 발견되었다. 50년대 말경 가속기 물리학자들은 수 GeV (10억 전자볼트) 정도의 에너지에 도달할 수 있게 되었고, 그것은 곧 양성자와 같은 질량을 가지는 입자 쌍이 에너지-질량 변환에 의해 만들어질 수 있다는 것을 의미한다. 오웬 샴벌레인(Owen Chamberlain)과 에밀리오 쎄그레(Emilio Segrè) 팀이 사용한 방법으로 1955년에 처음으로 반양성자를 규명하고 연구하였다. 이 일로 1959년에 노벨상을 공동으로 수상하였다. 고에너지 가속기는 그전보다 양성자나 중성자의 구조에 대해 훨씬 더 자세하게 연구할 수 있게 했다. 로버트 홒스타드테르 (Robert Hofstadter)는 높은 에너지를 가지는 전자를 핵과 충돌시켜 핵의 전자기적 구조를 상세하게 분류하였다. (1961년 노벨물리학상)


잇따라 저마다 반입자를 가지는 새로운 메존들이 사진판 위의 흔적으로 또는 전자 입자감지기에 나타났다. '중성미자(neutrino)'의 존재는 1930년 대에 이미 파울리에 의해 이론적으로 예측되었는데 1957년에 이르러 씨.엘. 코왠(C.L. Cowan)과 프레데릭 라인즈(Frederic Reines)이 처음으로 실험적으로 증명하게 된다. 그러나 이일은 1995년에야 비로소 노벨상의 반을 차지했다. 코왠은 1984년에 죽어 노벨상을 받지 못했다. 중성미자는 베타 붕괴나 파이 메존이 뮤온으로 붕괴되는 것과 같이 약한 상호작용이 일어날 때 관여하는 구성원이다. 입자 빔의 세기가 증가하면 가속기에서 중성미자의 2차 광선을 만들어낼 수 있게 된다. 레옹 엠. 레더만(Leon M. Lederman), 멜빈 슈왈츠(Melvin Schwartz) 그리고 잭 스타인버거(Jack Steinberger)는 1960년대에 이 방법을 개발하여 파이 붕괴에서 뮤온 방사와 함께 나오는 중성미자가 베타 붕괴에서 전자와 관련된 중성미자와는 다른 것이라는 것을 보였다. 이 두가지 다른 입자는 각각 와 이다.


물리학자들은 이제 이들 입자들간의 어떤 질서를 구분해내기 시작했다. 전자와 뮤온, 전자 중성미자와 뮤온 중성미자, 그리고 그들의 반입자들이 같은 부류에 속한다는 것을 발견했다. 이들 입자는 강한 핵력으로 상호작용하지 않는다. 반면에 양성자와 중성자, 메존과 하이퍼론(hyperon; 양성자보다 무거운 입자들의 집합)은 핵력으로 특성 지어지는 집합을 이룬다. 렙톤(lepton) 클래스는 1970년대에 마틴 엘. 펄(Martin L. Perl)과 그의 연구팀이 전자나 뮤온에 비해 상대적으로 무거운 타우(τ) 렙톤을 발견하면서 확장되었다. 펄은 라인즈와 1995년 물리학상을 나누어 가졌다.


모든 렙톤은 지금까지는 진정한 근본물질 즉, 점과 같고 더 이상의 내부구조가 없는 것으로 여겨진다. 그러나 양성자와 같은 것들에 대해서는 더 이상 그렇지 않다. 머레이 겔-만(Murray Gell-Mann) 등은 강하게 상호작용하는 입자(‘하드론’으로 부름)를 공통된 상관관계를 가지고 상호작용 방식이 같은 그룹으로 간신히 분류해냈다. 겔-만은 1969년에 노벨 물리학상을 받았다. 그의 분류법은 하드론들이 좀 더 기초적인 구성원인 ‘쿼크’로 만들어졌다는 가정을 기초로 하고 있다. 핵입자들이 쿼크같은 물체로 만들어졌다는 것을 실제로 증명한 것은 제롬 아이. 프리드만(Jerome I. Friedman)과 헨리 더블유. 켄달(Henry W. Kendall), 뤼차드 이. 테일러(Richard E. Taylor)가 연구한 일을 통해 이루어졌다. 이들은 (전에 홒스태드터가 사용할 수 있었던 것보다 더 높은 에너지를 가진) 전자가 핵입자에 대해 비탄성 산란을 어떻게 하는지 알아보기 위한 연구를 하면서 핵입자에 들어있는 알갱이들을 보았다. 이들은 1990년 노벨상을 공동 수상했다.


모든 강한 상호작용을 하는 입자들은 쿼크로 이루어졌다는 것을 이해할 수 있었다. 1970년대 중반에 아주 짧게 존재하는 입자를 버튼 뤼치터(Burton Richter)과 싸무엘 씨.씨. 팅(Samuel C.C. Ting)이 독자적으로 발견했는데, 그것은 ‘참(charm)’ 이라는 이름을 붙여준 그때까지 알려지지 않은 종류의 쿼크를 가지고 있었다. 참-쿼크는 기본입자의 분류법에서 연결되지 않고 있었던 것이었고, 뤼치터와 팅은 1976년에 노벨상을 받았다. 현재의 입자물리학의 표준모형은 입자들을 두 개의 쿼크와 그 반입자, 그리고 각각에 대해 두 개의 렙톤을 가지고 세 가지 조직으로 나눈다. 첫째 조직은 ‘업’ 쿼크와 ‘다운’ 쿼크, 전자 그리고 전자 중성미자로 이루어져 있고, 둘째 조직에는 ‘스트레인지’ 쿼크와 ‘참’ 쿼크, 뮤온 그리고 뮤온 중성미자가 들어가고, 세 번째 조직은 ‘탑’ 쿼크, ‘바톰’ 쿼크, 타우온 그리고 타우 중성미자를 가진다. 전기-약력에서 힘 운반자는 빛알갱이, 제트-입자 그리고 더블유-보존이고 쿼크 사이의 강한 핵력의 힘 운반자는 글루온이라 부른다.


1983년에 제트-입자 그리고 더블유-보존의 존재는 카를로 루비아(Carlo Rubbia) 연구팀에 의해 증명되었는데, 그들은 아주 무거운 입자를 만들어 낼 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가지는 새로운 양성자-반양성자 충돌기를 이용했다. 루비아는 1984년 노벨상을 받았는데, 시몬 반 데르 미어(Simon van der Meer)와 공동수상이었다. 시몬 반 데르 미어는 입자의 ‘확률적 냉각’ 방식을 발명하여 루비아가 이용한 충돌기를 만드는데 결정적인 역할을 했다. 현존하는 가속기에서 얻을 수 있는 것보다 더 높은 에너지에서는 입자들을 추가로 발견할 수도 있다는 추측이 있다. 그러나 지금까지는 아무런 실험적 결과들이 없다.


우주물리학은 우주와 그 속에 있는 거대한 물체들의 진화와 구조를 다루는 과학이다. 우주론의 모형은 시공간의 성질과 중력 뿐 아니라 알려진 기본 입자들의 성질과 그 상호작용에 기초하고 있다. ‘빅-뱅’ 모형은 우주의 초기 진화에 대한 가능한 시나리오를 설명하는 것이다. 이 모형이 제시한 예측 중의 하나가 아르노 에이. 펜치아스(Arno A. Penzias)와 로버트 더블유. 윌슨(Robert W. Wilson)가 1960년에 우주 마이크로파 배경방사를 발견하면서 실험적으로 증명되었다. 그들은 1978년에 노벨상을 받았다. 이 방사선은 빅-뱅의 초기단계에서 일어날 것으로 예측되는 격렬한 과정의 잔광이라는 것이다. 지금 우주의 나이에서는 평형상태 온도가 절대온도 3도 (3 겔빈)이다. 서로 다른 방향에서 측정했을 때 거의 균일한데 등방성에서 벗어나는 작은 차이가 현재는 관측되고 있으며 이것이 우리에게 우주의 초기 역사에 대해 정보를 좀 더 줄 것이다.


우주공간은 실험실에서는 구현할 수 없는 극한 상태가 자연적으로 만들어진 입자들간의 상호작용이 일어나는 활동무대로 비유된다. 입자들은 지구상의 어떤 가속기에서보다도 더 높은 에너지로 가속될 수도 있고 핵융합 반응이 별의 내부에서 급격히 증가할 수도 있고 중력에 의해서 입자들을 극히 높은 밀도로 집약시킬 수도 있을 것이다. 한스 에이. 베테(Hans A. Bethe)는 수소와 탄소의 순환과정에서 에너지가 전달되어 별에서 양성자가 융합하여 헬륨의 핵으로 되는 것을 처음으로 설명했다. 이 업적으로 베테는 1967년 노벨상을 받았다.


수브라마니안 찬드라세크하르 (Subramanyan Chandrasekhar)는 별의 진화를 이론적으로 설명하였다. 특히, 별이 마지막 단계에서 ‘백색 왜성’이 되는 것을 설명하였다. 어떤 조건에서는 마지막 단계가 ‘중성자별’이 될 수도 있다. 중성자별은 극도로 치밀한 물체로 모든 양성자가 중성자로 변해 있다. 별의 진화과정에서 초신성 폭발 중에 무거운 원소들이 만들어져 우주로 퍼져나간다. 별에서 일어나는 가장 중요한 핵반응의 자세한 과정과 무거운 원소 형성은 윌리엄 에이. 퐈울러(William A. Fowler)가 가속기를 이용한 실험과 이론으로 명쾌하게 밝혔다. 퐈울러와 찬드라세크하르는 1983년에 노벨상을 받았다.


가시광선과 우주배경복사만이 우주에서 오는 유일한 전자기파가 아니다. 더 긴 파장에서 전파천문학은 분광학으로 얻을 수 없었던 천체물체에 대한 정보를 제공한다. 마틴 롸일 경(Sir Martin Ryle)은 하늘의 방사선 지도의 분해능을 높이기 위해 몇 개의 분리된 망원경으로부터 얻은 신호를 합하는 방법을 개발했다. 안토니 휴이쉬(Antony Hewish)와 그의 연구그룹은 1964년에 롸일 망원경으로 기대하지 않았던 발견을 했다. 그것은 펄사라고 불리는 미지의 물체에서 아주 잘 정의된 반복 주기를 가지고 라디오 주파수의 펄스가 방출된다는 사실이었다. 곧 이것들은 그 자체가 아주 강한 자석이기 때문에 아주 빨리 회전하는 등대같이 움직이며 라디오파를 방출하는 중성자별로 밝혀졌다. 롸일과 휴이스는 1974년 노벨상을 받았다.


1974년에 펄사에 대한 연구는 이미 전파천문학자들 사이에는 일상적인 일이었지만, 같은 해 여름에 놀라운 새로운 것이 나왔다. 러셀 에이. 헐스(Russell A. Hulse)와 조셉 에이취. 테일러 2세(Joseph H. Taylor, Jr.)가 새로 발견된 PSR 1913+16 라는 펄사에서 주기적인 주파수 동조가 일어나는 것을 발견했던 것이다. 이것이 처음 발견된 이중펄사인데, 이름 그대로 가까운 두 개의 별이 하나의 시스템을 이루고 그 중 하나가 빛을 내는 중성자별이고 다른 하나와 거의 같은 크기를 가진다. 20년이 넘는 관측결과 이중펄사에서 중력에 의한 방사선의 첫 번째 증거를 보았다. 아인슈타인의 이론에 기초하면 이중펄사의 회전 주파수의 감소가 중력방사선에 의한 손실 예측과 상당히 일치한다. 헐스와 테일러는 1993년에 노벨상을 받았다. 그러나 지구에서 중력방사선을 직접 측정하는 일은 아직 해야 할 일로 남아있다.