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자연계의 4대 힘

우주에는 4가지 힘이 있다(강력,전자기력,약력,중력)

강력의 크기를 1로보면

  • 전자기력은 1000분의 1
  • 약력은 100000분의 1
  • 중력은 100000000000000000000000000000000000000000000분의 1 -10의 44승

이 세상의 특정한 부분의 구성을 책임지고 있다는 사실은 매우 흥미롭다. 더욱 흥미로운 사실은 거시세계에서는 단지 중력 작용하고 전자기력이나 강력은 완벽하게 제외되어 있으며 미시세계에서는 중력과 강력이 완전히 제외되어 있고 극미세계에서는 중력과 전기력이 제외되어 있어 별개의 독립된 힘으로 보인다는 점이다.

(중력이 가장 넓게 작용한다. 다른힘들은 근접상태에서만 힘을 발휘한다. 광활한 우주의 활동을 지배하는 힘은 중력이며 그 세세한 내부를 살펴보면 전자기력,약력,강력도 존재한다. )

중력

첫번째 기본 상호작용인 뉴튼의 만유인력의 힘인 중력(Gravity Force)은 한가지 종류로 이루어진 질량 사이의 상호작용이며 이는 거시세계(Macro Wold)를 구성한다. 이 중력은 사물들(Objects)로 하여금 땅으로 떨어지게 하고 동시에 행성들이나 은하계의 운동을 관장한다. 이 중력은 어떤 면에서는 가장 거대한 힘인데, 전자(Electrons)나 양성자로 구성된 미시세계(Micro World)에서는 중력의 힘은 극단적으로 약하여 거의 작용을 하지 않고 있어 독립적으로 보인다.

지구가 태양의 주위를 공전하는데 필요한 구심력의 원천이며, 우리들의 발이 지구에 붙어있도록 해주는 힘이다. 또, 물체의 질량은 중력의 크기를 결정하는 척도로서, 질량과 중력은 서로 비례하는 관계가 있다.

전자기력

두가지 종류로 이루어진 전하 사이의 상호작용이며 원자 내부의 세계, 즉 미시세계를 구성한다. 전자기력 상호작용은 우리 주위에서 일어나는 일반적인 현상들을 책임진다. 우리들이 사용하는 TV, 컴퓨터, 전화등과 천둥 번개같은 자연현상의 근원이 되는 힘이다. 심지어는 피부로 느껴지는 부드러운 손의 감촉도 전자기력으로 설명될 수 있다. 전자기력에서 전기 전하는 중력의 질량과 동일한 역할을 한다. 즉, 전기 전하는 전자기력의 크기를 결정하는 물리량인 것이다.

자석도 이 힘에 의한다.

강력

강력은 양성자와 중성자의 내부의 쿼크들을 단단하게 결속시켜주는 힘으로 원자핵이 존재할 수 있게 한다. 이 힘이 없으면 우주 만물의 형상도 만들어질 수 없다. 밀가루가 물이 없으면 뭉쳐질 수 없듯이, 물질의 최소 입자중의 하나인 쿼크들이 없으면 물질을 만들 수 없기 때문이다.

원자핵은 중성자와 양성자로 구성돼 있으며, 그 각각에는 세 개의 쿼크가 한 조를 이루며 뭉쳐 있다. 이 중 어느 하나가 멀리 떨어져있으면, 쿼크들은 고무줄처럼 서로 잡아당겨 결국 중성자와 양성자로 이루어지는 원자핵을 구성한다.

양성자나 중성자를 이루는 쿼크에는 이들 삼원색이 잘 섞여 들어있어서 양성자나 중성자의 외부에서는 색을 전혀 지니지 않은 것으로 보인다. 그리고 이들 색 사이의 상호작용을 강상호작용(强相互作用) 또는 강력(强力)이라고 부르며 이것이 자연계에 존재하는 세 번째 기본 상호작용이며 세 번째 힘이다. 강력은 오로지 양성자나 중성자 같은 소립자 내부에서만 작용하며 이들 소립자의 구성을 책임진다. 어떤 쿼크든지 이 세가지 색중에서 어느 한가지 색을 가질 수 있다. 즉 u쿼크가 Red 일수도 있으며 Green 일수도 있고 Blue 일 수도 있다. 그리고 쿼크의 반입자는 이 색들의 보색을 가지고 있다. 이러한 빛의 삼원색 베이스의 쿼크들의 상호작용을 양자색력학(量子色力學, Quantum Chromo Dynamics or Theory of Color Interactions) 이론 이라고 한다.

약력

우라늄이나 코발트 같은 원소에서 방사능을 붕괴를 일으키는 힘이다.

강력과 약력은 원자 스케일의 근거리에서만 작용하고 거리가 멀어지면 급격히 감소하기 때문에 우리에게는 다소 낯선 힘이다. 이 두개의 힘이 중력이나 전자기력보다 한참 뒤에 발견된 것도 이러한 이유때문이다.

19세기 말 방사능 원소에서 저절로 나오는 알파선(α-ray)과 베타선(β-ray) 그리고 감마선(γ-ray) 중에서 베타선(β-ray)은 지금까지 설명한 세가지 기본 상호작용 중 어떤 것으로도 설명할 수가 없었다. 이들 방사선은 모두 원자핵에서 나오는 것이다. 처음에는 이 방사선의 정체가 무엇인지 몰라서 그리스 문자의 처음 세 개를 따 알파(α), 베타(β), 감마선(γ)으로 이름을 지었지만 지금은 이들 방사선의 정체가 무엇인지 잘 알고있다. 알파선은 원자핵 속에 들어있는 양성자 두개와 중성자 두개가 모두 단단히 결합하여 함께 나오는 것이다. 이것은 바로 헬륨 원자의 원자핵이다. 베타선은 전자의 흐름이며 감마선은 진동수가 매우 큰 전자기파이다. 여기서 문제는 원자핵 내부에 전자가 들어있을 수 없다는 사실이다. 방사능 원소에서 베타선이 방출되는데 원자핵에 원래 들어있던 전자가 나오는 것이 아니다. 원자핵에 포함된 중성자가 저절로 양성자와 전자로 바뀐 다음 원자핵에 남아있을 수 없는 전자가 바깥으로 나오는 것이다.

그런데 중성자가 저절로 양성자와 전자로 바뀌는 현상을 중력이나 전기력 또는 강력으로 설명할 수는 도저히 없음이 밝혀졌다. 그래서 방사능 원소에서 베타선이 나온다는 사실은 자연에 또 다른 기본 상호작용이 존재하여야만 함을 알려준다. 이 네 번째 기본 상호작용을 약상호작용(弱相互作用) 또는 약력(弱力) 이라고 부른다. 물리학자들은 베타선의 방출 말고도 약상호작용이 동작하여 일어나는 현상을 많이 알고 있으며 그뿐 아니라 이 약상호작용에는 다른 기본 상호작용이 지니지 않은 많은 특별한 성질들도 지니고 있음을 알고 있다. 그러나 약상호작용에 대해서는 아직 모르는 것이 더 많으며 현재 물리학자들이 가장 활발하게 연구하고 있는 분야 중에서 하나이다.

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