| 소립자물리학이란무엇인가
입자물리학
입자물리학(粒子物理學)이란 이 세상이 무엇으로 이루어져 있고, 그것들이 어떻게 상호작용하는가를 밝히고자 하는 물리학의 한 분야이다. 현재의 이론에 의하면 세상의 기본 물질이 공간을 점유하지 않는 입자라고 생각되며, 이들을 기본입자 또는 소립자라고 부른다. 또한 기본입자들의 상호작용을 힘이라 부르기도 한다. 기본입자들의 성질은 초기우주를 설명하는 데 바탕이 되는 이론이기도 하며, 따라서 우주론도 입자물리학과 큰 공통분모를 갖는다. 고에너지물리학이라고도 불리는데, 입자물리학의 현상들을 통상 실험적으로 증명하기 위해서는 수백만~수백억 전자볼트 (MeV~GeV) 이상의 고에너지로 입자의 충돌반응을 연구하는 것이 필수적이기 때문이다.
표준모형도
이 부분의 본문은 표준모형입니다.
지금까지, 실험으로 검증된 엄밀한 의미에서의, 가장 근본적인 설명은 입자 물리학의 표준모형이다. 이 우주는 쿼크와 렙톤이라는 기본적인 물질로 이루어져 있으며 이들의 상호작용은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력 그리고 중력이라는 네 가지 힘으로 기술된다. 앞의 세 이론은 양자 마당 이론으로 잘 기술되고 있으며 중력은 아인슈타인의 일반상대성이론으로 기술되나 양자화된 이론은 없다.
기본입자로 알려진 것들이 사실은 구조를 가지고 있으며, 더 기본이 되는 입자들로 이루어져 있다는 것이 밝혀진 경우가 많다. 가령 1920년대까지 우주의 기본 구성 물질은 양성자, 중성자와 전자라고 생각했으나, 1960년대 이후 양성자와 중성자 모두 쿼크로 이루어진 결합물질이라는 것을 알게 되었다.
커다란 실험장치인 입자가속기터널속으로 입자를 쏘아충돌 시킨다
아래그림은 터널속 정면에서 바라본 모습!
입자물리학의 실험은 기본입자를 찾는 일이다. 기본적으로 현대의 입자 실험 물리학은 어니스트 러더퍼드의 산란 실험을 확장한 것이다. 즉 아주 속도가 높은 입자를 대상이 되는 물질과 충돌시켜서 발생하는 파편들을 분석하고 거꾸로 재구성해서, 대상 물질의 구조를 알아내는 것이다. 더 작은 구조를 알기 위해서는 더욱 속도가 높은 입자들이 필요하다. 이를 위해 입자 가속기를 사용하는데, 더 빠른 속도를 얻기 위해서는 더 큰 가속기가 필요하다. 현재 가장 큰 입자 실험 장치는 스위스와 프랑스의 국경에 있는 유럽 입자 물리 연구소(CERN)이다. 이 실험장치는 원형으로 생겼으며 지름이 8km에 이른다.
세계에 있는 실험기관들은 다음과 같다:
유럽 입자 물리 연구소(CERN), 프랑스와 스위스의 국경인 제네바에 있다. 중요한 실험은 LEP, 즉 거대 전자 양성자 충돌장치이다. 이는 2001년에 중단되었으며 LHC, 즉 거대 하드론 충돌장치로 업그레이드 되었다. 이는 2009년 가동 했다. 소설 천사와 악마의 무대가 되기도 했다.
독일 전자 싱크로트론(DESY), 독일의 함부르크에 있다. 중요한 실험은 HERA(하드론 전자 링 장치)이며, 이는 전자와 양전자를 충돌시키는 장치이다.
스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)는 미국의 팔로 알토에 있다. 주요 기구는 PEP-II이며 전자와 양전자 충돌 실험을 주로 한다.
페르미랩(Fermilab)는 미국의 시카고 근처에 있다. 현재 주요 기구는 테바트론(Tevatron))이고 양성자와 반양성자를 충돌시킨다. 이휘소 박사가 이론 그룹의 리더를 맡았던 곳이고, 현재 CDF 실험 그룹의 공동 대표는 김영기 박사이다.
브룩헤이븐 국립 연구소는 미국 롱 아일랜드에 있다. 주요 기구는 (최초의) 상대론적 무거운 이온 충돌기이고, 금과 같은 무거운 이온을 양성자에 충돌시킨다.
아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 미국 최초의 국립연구소로 1946년 설립. 미 중부 일리노이의 Argonne에 소재. 시카고대학의 금속공학과가 전신이며 현재 고에너지물리학 분야에서는 MINOS, CDF, ATLAS, ZEUS 등 다양한 실험에 참여하고 있다.
부즈커 핵물리 연구소이고 러시아의 노보시비르스크에 있다.
일본 고에너지 연구소(KEK) 일본의 쯔쿠바에 있다. 현재는중성미자 진동 실험인 K2K와 B 중간자의 CP 비대칭성을 재는 Belle이 있다.
입자의 충돌장면
입자가속기의 원리도
N극과 S극 사이의 진공상자 속에 D자형의 두 전극을 서
로마주보게 했으며 입자는 그 틈새로 지나갈때 가속된다.
물리학
물리학(物理學)은 넓은 의미로는 자연에 관한 과학이다. 물리학자는 모든 일반적인 물질을 구성하는 소립자(입자 물리학)에서부터 물질적인 우주 전체의 행동(우주론)까지를 포괄하는 넓고 다양한 범위에 걸쳐 물질의 운동과 특성을 연구한다.
물리학의 영어에 해당하는 단어인 physics[1]는 그리스어의 "자연적"이라는 뜻의 φυσικός (physikos)와 "자연"이라는 뜻의 φύσις (physis)에서 왔다. 한국어의 물리는 만물의 이치를 탐구한다는 뜻의 한자어이다.
물리학에서 연구하는 특성의 일부는 에너지 보존과 같이 모든 물질계에서 공통으로서, 그러한 특성을 흔히 물리 법칙이라고 부른다. 물리학은 때때로 "기초 과학"이라고 일컬어지는데, 이것은 다른 자연 과학의 각 분야들(생물학, 화학, 지질학 등)이 물리 법칙에 따르는 특정한 타입의 물질계를 다루기 때문이다. 예를 들어 화학은 분자와 화합물의 과학인데, 화합물의 특성은 화합물을 구성하는 분자의 특성에 의해 결정되며, 분자의 특성은 양자역학, 열역학 및 전자기학과 같은 물리학의 영역에서 정확히 기술되는 것이다.
물리학은 또한 수학에 긴밀하게 연관되어 있다. 물리 이론은 거의 변함없이 수학적 관계를 사용하여 표현되어 왔고, 여기에 사용된 수학은 일반적으로 다른 과학에서의 경우보다 더욱 복잡하다. 물리학은 궁극적으로 물질 세계의 기술에 관심이 있는 반면 수학은 물질 세계와 어떤 연관도 가질 필요가 없는 추상적인 패턴에 관심을 둔다는 차이가 있다. 하지만 둘 사이의 유용한 연관 사용으로 볼 때 언제나 확실하게 이런 구별을 할 수 있는 것은 아니다. 이 점은 인간의 추상이 물리 세계와 분리될 수 없다는 상식에 근거한 추론이다. 수리물리학이라는 물리학과 수학 사이의 넓은 연구 영역은 물리 이론의 수학적 구조를 개발하는 것을 목적으로 한다.
범주와목표
물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)부터 가장 크다고 여겨지는 은하까지 현상의 광범위한 범주를 포괄한다. 그렇기 때문에 물리학은 “기초 과학(fundamental science)”라고 불리어진다.
물리학의 목적은 단순화된 현상의 경계에서 자연에서 벌어지는 다양한 현상에 대한 묘사다. 따라서 물리학의 목적은 우리가 우리 주위에서 원인의 근원을 알아내어 사물과 연관시키는 것과 그것을 통해 자연 현상에 대한 이유를 절대적인 이성을 바탕으로 이러한 원인을 함께 연관시키려 하는 것이다.
예를 들어 고대 중국인들은 자석(lodestone)이 눈에 보이지 않은 힘으로 다른 것을 끌어 당기는 것을 관찰하였다. 이 변상은 후에 자성(magnetism)이라 불리게 되었고 이것은 17세기에 처음으로 엄밀하게 연구되었다. 중국인들보다 약간 일찍, 고대 그리스인들은 호박과 같은 다른 물질들을 모피로 문지를때 두 개 사이에 보이지 않는 비슷한 힘의 원인을 알려고 하였다. 이것도 역시 17세기에 처음으로 엄밀하게 연구되었고 전기(electricity)라고 불리게 된다.
이렇게 물리학은 몇 가지 원인(전기와 자성)을 바탕으로 한 자연에 대한 두 가지 관찰에 대해 이해하려 하는 것으로 생기게 되었다. 그러나 19세기에 추가적인 연구로 통해 이 두 개의 힘은 단지 하나의 힘이 두 개의 다른 모습이라는 것이 밝혀지게 되었다. 이것을 전자기학(electromagnetism)이라 한다. 이 통합된 힘의 과정은 오늘날까지 이어진다.
과학적 방법론
물리학은 물리학적 이론의 정당성을 실험 위해 과학적 방법론을 사용한다.
이것은 결합된 결론을 동반한 어떠한 의문점에서 이론 관계의 비교를 통한 방법론적인 접근의 사용인데 곧 실험을 통한 경험과 관찰로부터 결과를 뽑아내는 것을 의미한다. 경험과 관찰은 여러 가지 정보를 모으고 측정 또는 이론의 정당성/비정당성 뒷받침하는 이론을 통해 만들어진 예측 및 가설을 일치시킨다.
이론이 데이터에 의해 매우 잘 뒷받침되고 어떠한 적당한 경험적인 테스트가 결코 실패하지 않으면 과학적 법칙, 또는 자연적 법칙이라 부른다. 물론 모든 이론들은 이러한 과학적 법칙이라 부르는 것을 포함하고 만약 그것이 실험적 데이터를 동반한 이론적 불일치가 발견된다면 항상 더 정확하고 일반적인 설명으로 대체될 수 있다.
역사
물리학은 그리스의 철학자 아리스토텔레스가 자연계의 존재하는 물질의 변화와 운동을 연구하는 물리학과 자연계를 넘어선 순수 이상을 연구하는 형이상학으로 철학을 구분하면서 시작되었다. 그러나 오랜 역사에도 불구하고 철학의 일부였다는 사실 때문에 오랜 기간 물리학은 형이상학에 종속되어, 형이상학의 이해를 물질세계로 확대하는 말단지엽적인 역할만을 맡았을 뿐이다.
근대적인 물리학은 14세기 경의 이탈리아의 물리학자 갈릴레오 갈릴레이에 의해 비로소 정립되기 시작했는데, 그에 의해 수학적 언어를 토대로 하는 이론적 가설의 성립과 정량적 측정에 의한 실험적 검증이라는 대원칙이 확립되기 시작했다. 이러한 물리학의 방법론의 생산성과 수월성은 차츰 빛을 발해, 아이작 뉴턴에 이르게 되면 그 때까지 독립적으로 연구되던 천체 운동론과 역학이 통일되어 천체 역학을 탄생시키는 개가를 이루게 된다.
이후 패러데이, 맥스웰 등에 의해 전기와 자기의 이론이 정립되고, 볼츠만 등에 의해 발전된 통계역학은 여러 가지 물성을 단 몇 가지 원리 만으로 유도할 수 있게 하였다.
한편 20세기에 이르러서는 아인슈타인 등에 의해 시간과 공간 자체의 생성과 변천까지 연구의 대상이 되었으며, 양자역학이 탄생하여 기존의 지식으로는 이해할 수 없었던 미시 세계의 역학까지 이해의 지평이 넓혀졌다.
양자역학은 또한 응집물질 물리와 그의 세부 이론인 고체 물리의 이론적인 기반이 되었다. 이 분야에서는 고체와 유체 그리고 결정 구조, 반도체와 초전도체에 대한 연구가 이루어지고 있다.
응집물질물리의 개척은 1928년 펠릭스 블로흐에 의한 결정구조에서의 전자의 운동을 양자역학적으로 기술한 것이다. 트랜지스터 역시 물리학자인 존 바딘, 브래튼과 쇼클리에 의해 1947년 벨 연구소에서 발명되었다.
20세기의 두 가지 주제인 일반상대성이론과 양자역학은 서로 상치되는 것처럼 보인다. 일반상대성이론은 우주를 태양계나 별 등의 거시적인 크기에서 기술하지만 양자역학은 아원자의 크기에서 기술한다. 이러한 상황은 끈 이론에 의해 도전되었다.
1960년대 처음 등장한 끈이론에 의해서 쿼크 입자들을 점이 아닌 1차원 입자인 끈으로 기술한다. 끈이론에서의 끈은 우리가 일반적으로 생각하는 끈의 성질인 장력과 진동을 가지고 있다. 그러나 1970년대에 이 이론은 명백한 한계가 있음이 밝혀져 사장되는 듯했으나 1990년대에 원형 고리(닫힌 끈) 형태의 10차원 끈으로 수정되어 초끈이론으로 부활하였다. 끈의 형태를 직선에서 원형 고리로 수정하면서 단일 쿼크입자뿐만 아니라 전 우주를 아우르는 시공간을 포함하여 양자역학과 일반상대성이론을 아울러 설명하는 이론으로 재정립되었다. 이후 일부 문제를 해결하는 과정에서 11차원의 원형 끈으로 수정되어 현재까지 연구되고 있다. 이 이론은 아직 검증 가능한 결론을 내리지는 못하고 있다.
국제연합은, 아인슈타인의 3대 이론의 탄생 100주년 기념이기도 한 2005년을 세계 물리의 해로 지정했다.
핵심이론
물리학이 넓은 범위에 걸친 다양한 주제를 다룸에도 불구하고 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다. 이들 이론에 대한 연구는 여전히 활발히 지속되고 있지만, 그 중에 근본적으로 잘못된 이론이 있으리라고 믿는 물리학자는 거의 없다. 물리 연구의 기본 도구 역할을 하는 이 이론들 각각은 그 적용 범위 내에서 기본적으로 옳은 것으로 믿어지고 있는데, 예를 들어 원자보다 크고 천체에 비해 매우 가벼우며 광속보다 훨씬 느리게 움직이는 일상적인 물체의 움직임은 고전역학으로 정확히 기술된다. 이러한 특성 때문에 이 이론들은 모든 물리학도들이 기본적으로 이해해야 하는 필수 과목이기도 하다.
고전역학 또는 고전 물리학
열역학 또는 통계역학
전자기학
양자역학
상대성이론
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