매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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원자모형
돌턴은 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 입자로 봤습니다.
그러다가 톰슨이 전자를 발견하고, 전자가 푸딩에 박힌 초콜릿 처럼 생긴 원자 모형이 만들어졌습니다.
러더퍼드는 알파선 실험을 하다가 우연히 얻은 결과를 바탕으로 원자핵이 가운데 있고, 그 주위를 전자가 도는 모델을 제시했구요.
보어는 더 나아가 전자들이 서로 다른 레이어(layer)를 도는 모델을 제시했습니다. 전자는 레이어와 레이어사이를 이동하는 모습을 보이는데, 이론적으로 순간이동을 해야 합니다. 왜냐하면 양자수는 양자화되어 있어서 연속적인 값을 갖지 않기 때문입니다. 보어는 이를 위한 설명으로 양자는 도약한다라는 가설을 주장했습니다. 양자도약이란 말이 여기서 나왔죠.
현재의 양자역학에서는 전자는 원자핵 주변을 구름띠로 존재하는 모델이 정설입니다. 하이젠베르크의 불확정성원리에 의해 전자의 운동량과 위치를 동시에 알 수 없기 때문에, 전자의 위치는 확률적으로만 알 수 있다는 것입니다. 그래서 전자가 위치할 수 있는 확률로 나타냅니다. 그래서 아래와 같이 오비탈(전자가 존재할 수 있는 확률 분포)로 표현합니다. 오비탈은 원형의 s 오비탈과 아령형태의 p 오비탈이 있습니다.
위 그림을 보면 우리가 일반적으로 생각하던 원자의 그림과 매우 다릅니다. 원자는 둥근 형태이어야 할 거 같은데 말이죠.
여기서 잠깐
이더 물리에서는 입자는 없다고 말합니다. 입자는 없고, 모든 게 파동이며 입자처럼 보이는 것은 특정 기하학의 꼭지점이라고 얘기합니다. 사실 드 브로이가 보어의 모델의 문제점을 수정할 때 입자는 파동처럼 행동한다는 가정으로 해결했습니다. 정말 입자는 없고 파동만 있는 것일 수도요.
질량의 의미
광자와 같은 기본입자는 질량이 0이라고 알려져 있습니다. 이전글에서 질량이 0이란 것의 의미가 의아했습니다. 도대체 질량이 0인 것을 존재할 수 있다고 할 수 있는가 하는 것입니다. 참고 책에서는 별다른 얘기가 없고 다음과 같이 설명되어 있어서 일단 따라가 봅시다.
광자는 질량이 0이어서 항상 빛의 속도로 움직입니다. 질량이 0이기 때문에 움직임을 멈출수가 없고 어떤 물질과 부딪쳐 상호작용하여 소멸하는 수 밖에 없습니다. 만약 광자에 질량이 조금이라도 있다면, 상대성 이론에 의해 광속에 도달하면 질량이 무한대가 되어 버립니다. 그러니 광자는 질량이 전혀 없어야 합니다. 정말로 없는 것인지(가능할까요?), 없어야만 하는 것인지 헷갈립니다!
질량이라는 것은 입자 단독 특성이 아니라 상호작용에 의한 것이라고 합니다. 뒤에서 설명할 질량을 부여하는 힉스 입자가 공간에 물처럼 퍼져있고, 입자가 그 공간을 통과하면서 힉스입자에 의해 질량이 부여됩니다. 단, 광자는 힉스 입자와 상호작용하지 않기 때문에 질량이 0입니다. 그리고 상호작용을 하지 않기 때문에 속도가 줄지 않죠.
그런데 왜 오직 광자만 상호작용하지 않을까요? 이상하지 않나요? 과학자들도 아직 이부분에 대한 뾰족한 설명을 내놓지 못하고 있습니다.
어쩌면 주류 물리학이 잘못된 모델위에 쌓은 모래성일지도 모릅니다. 사실 과학자라면 모델이 잘못됐다는 생각을 항상 가져야 할 것입니다.
참고
소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.
