기본 상호작용

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 고전 이론
- 2.2. 표준 모형
3. 기본 상호작용 개요
4. 상호작용
참조

1. 개요

기본 상호작용은 자연계에 존재하는 네 가지 기본적인 힘, 즉 중력, 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 설명하는 개념이다. 물질은 페르미온으로 구성되며, 이들은 보존을 교환하여 서로 작용한다. 표준 모형은 전자기력, 약력, 강력을 기본 입자와 연관시키고, 양자역학으로 모델링한다. 전자기력과 약력은 전약력을 형성하며, 강한 상호작용은 쿼크 사이에서 작용한다. 힉스 상호작용은 입자에 질량을 부여하며, 표준 모형 너머에서는 대통일 이론, 양자 중력, 만물의 이론과 같은 통합 이론이 연구되고 있다.

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기본 상호작용
일반 정보
이름	기본 상호작용
다른 이름	기본 힘 기본 상호 작용
분류	물리학
상세 정보
종류	중력 전자기력 강한 상호작용 약한 상호작용
매개 입자	중력자 (가설적) 광자 글루온 W 및 Z 보손
이론적 통합	대통일 이론 만물 이론
설명
설명	가장 기본적인 물리적 힘

2. 역사

아이작 뉴턴은 1687년에 모든 물체가 존재하기 전부터 그 안에서, 그리고 그 주변에 존재하는 무한하고 변하지 않는 물리적 구조로서의 공간을 가정했다. 또한 모든 물체의 상태와 관계는 모든 곳에서 일정한 속도로 진행된다고 가정하여, 이를 절대 공간과 시간이라고 불렀다. 뉴턴은 질량을 가진 모든 물체가 일정한 속도로 접근하지만, 질량에 비례하여 충돌한다는 것을 추론하여 물질이 인력을 나타낸다고 보았다. 그의 만유인력의 법칙은 모든 물체 간의 즉각적인 상호 작용을 의미했다.^[7]^[8] 뉴턴의 운동 이론은 통신 매체 없이 ''중심력''을 모델링했다.^[9]^[10]

1820년대에 마이클 패러데이는 자기를 설명하면서 공간을 채우고 그 힘을 전달하는 ''장''(field)을 추론했다. 1873년, 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기를 진공에서 일정한 속도로 이동하는 빛의 세 번째 결과인 전자기장의 효과로 통합했다. 그의 전자기장 이론이 모든 관성 좌표계에서 참이라면, 이것은 갈릴레이 상대성 원리에 의존하는 뉴턴의 운동 이론과 모순된다.^[13]

20세기 후반에 개발된 입자 물리학의 표준 모형에서 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력은 기본 입자와 연관되어 있으며, 그들의 행동은 양자 역학(QM)으로 모델링된다. 게이지 보손이라고 불리는 힘 입자는 페르미온이라고 불리는 물질 입자와 상호 작용한다.

일상 물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자는 원자핵을 구성하는 업 쿼크와 다운 쿼크, 그리고 이를 공전하는 전자의 세 가지 유형의 페르미온으로 구성된다. 원자는 상호 작용하여 분자를 형성하고, 전자가 광자를 흡수하고 방출하는 전자기적 상호 작용을 통해 추가적인 속성을 나타낸다. 광자는 전자기장의 힘 전달자이며, 방해받지 않으면 잠재적으로 무한한 거리를 이동한다.

약한 상호 작용의 힘 전달자는 질량이 큰 W와 Z 보손이다. 전자기력과 약한 상호 작용을 모두 다루는 것이 전약력 이론(EWT)이다. 빅뱅 직후의 고온에서 약한 상호 작용, 전자기 상호 작용, 그리고 힉스 보손은 원래 서로 다른 고대 대칭 깨짐 전 필드의 혼합된 구성 요소였다. 초기 우주가 냉각되면서 이러한 필드는 장거리 전자기 상호 작용, 단거리 약한 상호 작용, 그리고 힉스 보손으로 분리되었다. 힉스 메커니즘에서 힉스 필드는 일부 양자 입자와 상호 작용하여 해당 입자에 질량을 부여하는 힉스 보손을 나타낸다. 힘 전달자가 글루온인 강한 상호 작용은 쿼크 사이에서 미세한 거리를 이동하며, 양자 색역학(QCD)으로 모델링된다. EWT, QCD, 그리고 힉스 메커니즘은 입자 물리학의 표준 모형(SM)을 구성한다.

오늘날의 장 이론에서는 이러한 상호작용은 게이지 보존의 교환에 의해 발생한다고 여겨지고 있다. 또한 기본 입자의 대칭성 연구로부터 이러한 상호작용은 빅뱅 직후와 같은 초고에너지 상태에서는 그 거동에 차이가 없어진다고 생각되었다. 전자기력과 약력을 통일하는 이론 (와인버그-살람 이론)은 실험적으로 확립되어 있으며, 두 힘을 함께 묶어 전약력이라고 부른다.

2. 1. 고전 이론

아이작 뉴턴은 1687년에 모든 물체가 존재하기 전부터 그 안에서, 그리고 그 주변에 존재하는 무한하고 변하지 않는 물리적 구조로서의 공간을 가정했다. 또한 모든 물체의 상태와 관계는 모든 곳에서 일정한 속도로 진행된다고 가정하여, 이를 절대 공간과 시간이라고 불렀다. 뉴턴은 질량을 가진 모든 물체가 일정한 속도로 접근하지만, 질량에 비례하여 충돌한다는 것을 추론하여 물질이 인력을 나타낸다고 보았다. 그의 만유인력의 법칙은 모든 물체 간의 즉각적인 상호 작용을 의미했다.^[7]^[8] 통상적으로 해석하면, 뉴턴의 운동 이론은 통신 매체 없이 ''중심력''을 모델링했다.^[9]^[10] 따라서 뉴턴의 이론은 데카르트로 거슬러 올라가는, '원격 작용'이 없어야 한다는 전통을 위반했다.^[11]

1820년대에 마이클 패러데이는 자기를 설명하면서 공간을 채우고 그 힘을 전달하는 ''장''(field)을 추론했다. 패러데이는 궁극적으로 모든 힘이 하나로 통합될 것이라고 추측했다.^[12] 1873년, 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기를 진공에서 일정한 속도로 이동하는 빛의 세 번째 결과인 전자기장의 효과로 통합했다. 그의 전자기장 이론이 모든 관성 좌표계에서 참이라면, 이것은 갈릴레이 상대성 원리에 의존하는 뉴턴의 운동 이론과 모순될 것이다.^[13] 만약 그의 장 이론이 물질 내부든 진공이든 모든 공간을 채우고 전자기장을 나타내는 것으로 추정되는 기계적 광 에테르에 대해 정지해 있는 좌표계에만 적용된다면, 그것은 갈릴레이 상대성 원리와 뉴턴의 법칙과 조화를 이룰 수 있었다. (그러나, 그러한 "맥스웰 에테르"는 나중에 반증되었고, 실제로 뉴턴의 법칙은 대체되어야 했다.)^[14]

2. 2. 표준 모형

입자 물리학의 표준 모형은 20세기 후반에 걸쳐 개발되었다. 표준 모형에서 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력은 기본 입자와 연관되어 있으며, 그들의 행동은 양자 역학(QM)으로 모델링된다. QM의 확률적 결과로 예측 성공을 거두기 위해, 입자 물리학은 전통적으로 QM 사건을 특수 상대성 이론에 맞춰 설정된 필드에서 모델링하며, 이를 총칭하여 상대론적 양자장론(QFT)이라고 한다.^[15] 게이지 보손이라고 불리는 힘 입자—기저 필드의 ''힘 전달자'' 또는 ''전령 입자''—는 페르미온이라고 불리는 물질 입자와 상호 작용한다.

일상 물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자는 세 가지 유형의 페르미온으로 구성된다. 즉 원자핵을 구성하는 업 쿼크와 다운 쿼크, 그리고 이를 공전하는 전자이다. 원자는 상호 작용하여 분자를 형성하고, 전자가 광자를 흡수하고 방출하는 전자기적 상호 작용을 통해 추가적인 속성을 나타낸다. 광자는 전자기장의 힘 전달자이며, 방해받지 않으면 잠재적으로 무한한 거리를 이동한다. 전자기력의 QFT는 양자 전기역학(QED)이다.

약한 상호 작용의 힘 전달자는 질량이 큰 W와 Z 보손이다. 전자기력과 약한 상호 작용을 모두 다루는 것이 전약력 이론(EWT)이다. 빅뱅 직후의 고온에서 약한 상호 작용, 전자기 상호 작용, 그리고 힉스 보손은 원래 서로 다른 고대 대칭 깨짐 전(pre-symmetry-breaking) 필드의 혼합된 구성 요소였다. 초기 우주가 냉각되면서 이러한 필드는 장거리 전자기 상호 작용, 단거리 약한 상호 작용, 그리고 힉스 보손으로 분리되었다. 힉스 메커니즘에서 힉스 필드는 일부 양자 입자와 상호 작용하여 해당 입자에 질량을 부여하는 힉스 보손을 나타낸다. 힘 전달자가 글루온인 강한 상호 작용은 쿼크 사이에서 미세한 거리를 이동하며, 양자 색역학(QCD)으로 모델링된다. EWT, QCD, 그리고 힉스 메커니즘은 입자 물리학의 표준 모형(SM)을 구성한다. 예측은 일반적으로 계산 근사 방법을 사용하여 이루어지지만, 이러한 섭동 이론은 일부 실험 관측(예: 결합 상태와 솔리톤)을 모델링하기에는 부적절하다. 그럼에도 불구하고, 물리학자들은 표준 모형을 과학에서 가장 실험적으로 확인된 이론으로 널리 받아들인다.

현대 입자 물리학의 기본이 되는 표준 모형에 따르면, 물질을 구성하는 실체는 전자, 쿼크, 중성미자 등, 스핀 = 1/2을 갖는 페르미온이라고 총칭되는 소립자이다. 이러한 소립자는 진공을 구성하는 양자장의 국소적인 여기라고 여겨진다. 두 페르미온 입자 사이에는, 스핀 = 1을 갖는 게이지 입자가 교환됨으로써 힘이 전달된다고 이해된다. 게이지 입자에는 전자기력을 매개하는 광자, 강력을 매개하는 글루온, 그리고 약력을 매개하는 W, Z 입자가 있다. 페르미온의 종류에 따라 교환할 수 있는 게이지 입자가 다르다. 예를 들어 전자는 광자를 교환할 수 있지만, 글루온을 직접 교환할 수 없다. 따라서 전자는 전자기력은 받지만, 강력은 받지 못한다.

오늘날의 장 이론에서는 이러한 상호작용은 게이지 보존의 교환에 의해 발생한다고 여겨지고 있다. 또한 기본 입자의 대칭성 연구로부터 이러한 상호작용은 빅뱅 직후와 같은 초고에너지 상태에서는 그 거동에 차이가 없어진다고 생각되었다. 전자기력과 약력을 통일하는 이론 (와인버그-살람 이론)은 실험적으로 확립되어 있으며, 두 힘을 함께 묶어 전약력이라고 부른다.

3. 기본 상호작용 개요

기본 상호작용의 개념적 모형에서, 물질은 전하와 스핀 ±½ (고유 각운동량 ±ħ/2, 여기서 ħ는 환원 플랑크 상수)를 갖는 페르미온으로 구성된다. 페르미온들은 보존을 교환함으로써 서로를 끌어당기거나 밀어낸다.^[15]

섭동 이론에서 페르미온 쌍의 상호작용은 다음과 같이 모델링할 수 있다.

: 두 페르미온이 들어가서 → 보존 교환에 의한 ''상호작용'' → 두 개의 변형된 페르미온이 나온다.

보존의 교환은 항상 페르미온 간에 에너지와 운동량을 전달하여 속도와 방향을 변경한다. 또한 교환은 페르미온 간에 전하를 전송하여 과정에서 페르미온의 전하를 변경할 수도 있다(예: 한 유형의 페르미온에서 다른 유형으로 전환). 보존은 1 단위의 각운동량을 가지므로 페르미온의 스핀 방향은 이러한 교환 동안 +½에서 -½로(또는 그 반대로) 전환된다(단위는 환원 플랑크 상수). 이러한 상호작용은 운동량의 변화를 초래하므로 고전적인 뉴턴 힘이 발생할 수 있다. 양자역학에서 물리학자들은 종종 "힘"과 "상호작용"이라는 용어를 바꿔서 사용한다. 예를 들어, 약한 상호작용은 때때로 "약력"이라고도 한다.

현재까지 알려진 네 가지 기본 상호작용 또는 힘은 중력, 전자기력, 약한 상호작용, 그리고 강한 상호작용이다. 그 크기와 동작은 아래 표에 설명된 바와 같이 크게 다르다. 현대 물리학은 이러한 기본 상호작용으로 관찰된 모든 물리 현상을 설명하려고 시도한다. 더욱이, 서로 다른 상호작용 유형의 수를 줄이는 것이 바람직하다고 여겨진다. 다음은 그 예이다.

전기력과 자기력을 전자기력으로 통일
전자기 상호작용과 약한 상호작용을 전약 상호작용으로 통일

상호작용	현재 이론	매개 입자	상대적 강도^[17]	범위 (m)^[18]
약력	전약 이론 (EWT)	W 보손과 Z 보존	10³³	10⁻¹⁸
강력	양자 색역학 (QCD)	글루온	10³⁸	10⁻¹⁵
중력	일반 상대성 이론 (GR)	중력자 (가설)	1
전자기력	양자 전기역학 (QED)	광자	10³⁶

명칭	상대적인 세기	작용 범위 r(m)	작용 대상	무한대에서의 영향	힘을 전달하는 게이지 보존	현상
강한 상호작용	10⁴⁰	10^-15	원자핵 내	동일하며 0	글루온	소립자의 쿼크에 작용하여 쿼크끼리 결합하여 양성자나 중성자를 구축하고, 남은 힘은 강한 잔류력(핵력)으로서 다른 양성자나 중성자를 끌어당기는 힘으로서 원자핵을 구성하지만, 소립자의 렙톤에는 작용하지 않는다.
전자기 상호작용	10³⁸	무한대	원자 간	양성자와 전자는	광자 (포톤)	원자 간의 공유 결합이나 물질 간의 쿨롱력(인력·반발력) 등에 작용하지만, 원자핵 내의 경우에는 강한 상호작용의 강한 잔류력보다 양성자 간에 발생하는 쿨롱력(반발력)이 약하기 때문에 원자핵은 전자기 상호작용으로 붕괴되지 않는다.
약한 상호작용	10¹⁵	10^-18	소립자 내	동일하며 0	W 보손 (W^±,Z⁰)	소립자(쿼크)의 맛깔 변화에 의해, 방출되는 소립자의 렙톤 등의 에너지를 β 붕괴(중성자에서 양성자로의 변화)로서 검출하여 정의하고 있다. 강한 핵력에 작용하지 않는 소립자의 렙톤이지만, 전자기 상호작용과 중력 상호작용에는 전자나 뮤온 등이 작용한다.
중력 상호작용	10⁰(=1)	무한대	우주 전체	동일하며 0 이상	중력자 (그래비톤, 2020년 현재·미확인)	위의 3가지 힘은 소립자, 원자핵, 원자, 분자 간의 미시 세계에서 작용하는 양자역학이지만, 중력 상호작용은 물질 간에서부터 행성, 항성(태양 등), 태양계, 블랙홀, 은하계, 은하단 단위, 우주 전체에서의 인력으로서 거시 세계에서 작용하는 뉴턴 역학이나 고전 역학으로 별개의 계통이지만, 항성의 핵융합·핵분열, 중성자성의 생성 등에서는 밀접한 관계가 되기 때문에 초대통일 이론 중 하나의 작용력으로 연구가 진행되고 있다.

4. 상호작용

기본 상호작용은 입자 물리학의 표준 모형에서 네 가지로 분류된다. 이들은 중력, 전자기력, 약한 상호작용(약력), 강한 상호작용(강력)이다. 각 상호작용은 게이지 보존이라는 입자를 통해 전달되며, 서로 다른 세기와 범위를 가진다.

전자기력과 약력은 높은 에너지에서 전약 상호작용이라는 하나의 힘으로 통합된다. 강력까지 포함한 세 가지 힘을 통합하는 대통일 이론이 연구되고 있지만, 아직 실험적으로 검증되지 않았다. 중력을 포함한 네 가지 힘을 모두 통합하는 만물의 이론은 아직 완성되지 않았다.

명칭	상대적인 세기	작용 범위 (m)	작용 대상	무한대에서의 영향	힘을 전달하는 게이지 보존
중력 상호작용	1	무한대	우주 전체	동일하며 0 이상	중력자 (미확인)	행성, 항성, 태양계, 블랙홀, 은하계 등 거시 세계에서의 인력
약한 상호작용	10¹⁵	10^-18	소립자 내	동일하며 0	W 보손, Z 보손	β 붕괴(중성자에서 양성자로의 변화) 등
강한 상호작용	10⁴⁰	10^-15	원자핵 내	동일하며 0	글루온	쿼크 간의 결합, 원자핵 구성

입자 물리학의 표준 모형에 따르면, 물질을 구성하는 전자, 쿼크, 중성미자 등은 스핀 1/2을 갖는 페르미온 소립자이다. 이들은 진공을 구성하는 양자장의 국소적인 여기로, 두 페르미온 입자 사이에는 스핀 1을 갖는 게이지 입자가 교환됨으로써 힘이 전달된다. 게이지 입자에는 전자기력을 매개하는 광자, 강력을 매개하는 글루온, 약력을 매개하는 W, Z 입자가 있다. 페르미온의 종류에 따라 교환 가능한 게이지 입자가 다르다. 예를 들어 전자는 광자를 교환할 수 있지만, 글루온은 교환할 수 없어 전자기력은 받지만, 강력은 받지 못한다.^[1]

힉스 장과의 상호작용은 다섯 번째 상호작용으로 간주될 수 있지만, 전통적인 네 가지 기본 힘에는 포함되지 않는다.

4. 1. 중력

'''중력'''은 원자 규모에서 네 가지 상호작용 중 가장 약한 상호작용이지만, 두 가지 이유로 천문학적 거리에서 가장 중요하다. 첫째, 중력은 전자기력처럼 무한한 유효 범위를 갖는다. 둘째, 중력은 항상 인력으로 작용하며 척력으로 작용하지 않는다. 천문학적 물체는 거의 중성적인 순 전하를 띠므로 전자기력은 상쇄되지만, 중력은 그렇지 않다.^[19]

전자기력이 중력보다 훨씬 강하지만, 정전기적 인력은 행성, 별, 은하와 같은 큰 천체에는 관련이 없다. 이러한 물체는 동일한 수의 양성자와 전자를 포함하고 순 전하가 0이기 때문이다. 반면 질량을 가진 모든 물체는 중력의 영향을 받는다. 따라서 우주의 대규모 구조에서는 중력만이 중요하다.

중력의 긴 작용 범위는 은하와 블랙홀의 구조와 같은 대규모 현상을 설명하며, 우주의 팽창을 늦춘다. 중력은 또한 행성 궤도와 같은 작은 규모의 천문학적 현상과 물체가 떨어지는 현상 등 일상적인 경험을 설명한다.

중력은 수학적으로 처음 묘사된 상호작용이었다. 고대 아리스토텔레스는 질량이 다른 물체가 서로 다른 속도로 떨어진다고 생각했다. 과학 혁명 동안, 갈릴레오 갈릴레이는 실험을 통해 특정 상황에서 이 가설이 틀렸다는 것을 밝혔다. 즉, 공기 저항과 부력을 무시하면 모든 물체는 같은 속도로 지구를 향해 가속한다. 아이작 뉴턴의 만유인력의 법칙(1687)은 중력의 작용을 잘 설명했다. 현재의 중력에 대한 이해는 1915년 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 비롯되었으며, 이는 시공간의 기하학 측면에서 중력을 보다 정확하게 설명한다.

일반 상대성 이론과 양자역학(또는 양자장론)을 양자 중력에 대한 보다 일반적인 이론으로 통합하는 것은 활발한 연구 분야이다. 중력은 질량이 없는 스핀-2 입자인 중력자에 의해 매개된다고 추측된다.

일반 상대성 이론은 가장 작은 규모를 제외하고 모든 규모에서 실험적으로 확인되었지만, 일반 상대성 이론의 대안이 있다. 이러한 이론은 어떤 한계 내에서 일반 상대성 이론으로 축소되어야 한다.^[20]

명칭	상대적인 세기	작용 범위 (m)	작용 대상	무한대에서의 영향	힘을 전달하는 게이지 보존	현상
중력 상호작용	10⁰ (=1)	무한대	우주 전체	동일하며 0 이상	중력자 (2020년 현재 미확인)	물질 간에서부터 행성, 항성(태양 등), 태양계, 블랙홀, 은하계, 은하단 단위, 우주 전체에서의 인력으로서 거시 세계에서 작용하는 뉴턴 역학과 고전 역학으로 별개의 계통이지만, 항성의 핵융합·핵분열, 중성자별 생성 등에서는 밀접한 관계가 되기 때문에 초대통일 이론 중 하나의 작용력으로 연구가 진행되고 있다.

4. 2. 전자기-약 상호작용

전자기력과 약력은 일상적인 낮은 에너지에서는 매우 다르게 보이지만, 100 GeV 정도의 통일 에너지 이상에서는 단일 전자기-약력으로 병합된다.

전자기-약 이론은 현대 우주론, 특히 우주의 진화에 중요하다. 빅뱅 직후, 온도가 약 10¹⁵ K 이상이었을 때, 전자기력과 약력은 결합된 전자기-약력으로 존재했다.

기본 입자 간의 약력과 전자기력 통일에 기여한 압두스 살람, 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그는 1979년 노벨 물리학상을 수상했다.^[21]^[22]

4. 2. 1. 전자기력

전자기력은 전기적으로 하전된 입자들 사이에서 작용하는 힘이다. 이 현상에는 정지 상태의 하전 입자들 사이에서 작용하는 정전기력과 서로 상대적으로 움직이는 하전 입자들 사이에서 작용하는 전기력과 자기력의 결합된 효과가 포함된다.

전자기력은 중력처럼 무한한 범위를 가지지만 훨씬 강력하다. 그것은 전자를 원자에 결합시키는 힘이며, 분자를 함께 유지한다. 빛, 자석, 전기, 마찰과 같은 일상적인 현상은 전자기력 때문에 발생한다. 전자기학은 근본적으로 모든 거시적 특성과 많은 원자 수준의 화학 원소 특성을 결정한다.

4 킬로그램(약 1갤런) 물통에는 총 2.1억°C의 전자 전하량이 있다. 만약 그런 물통 두 개를 1미터 간격으로 놓으면, 한쪽 물통의 전자는 다른 쪽 물통의 전자를 의 힘으로 밀어낸다. 이 힘은 지구의 무게보다 훨씬 크다. 한 물통의 원자핵은 다른 물통의 원자핵도 같은 힘으로 밀어낸다. 그러나 이 척력은 A 물통의 전자가 B 물통의 핵에 의해 끌어당겨지고, A 물통의 핵이 B 물통의 전자에 의해 끌어당겨지면서 상쇄되어 순수한 힘이 발생하지 않는다. 전자기력은 중력보다 엄청나게 강하지만, 상쇄되는 경향이 있어 천문학적 규모의 물체에서는 중력이 지배적이다.

전기 및 자기 현상은 고대부터 관찰되어 왔지만, 19세기에 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기가 동일한 기본 상호 작용의 두 측면임을 발견했다. 1864년까지 맥스웰 방정식은 이 통합된 상호 작용을 엄밀하게 정량화했다. 벡터 미적분을 사용하여 재진술된 맥스웰의 이론은 대부분의 기술적 목적에 적합한 전자기학의 고전 이론이다.

진공에서의 광속(일반적으로 소문자 ''c''로 표시)은 맥스웰 방정식에서 파생될 수 있으며, 이는 특수 상대성 이론과 일치한다. 그러나 관찰자에 관계없이 광속이 일정하다는 관찰에서 비롯된 알베르트 아인슈타인의 1905년 특수 상대성 이론은 맥스웰 방정식에서 유도된 이론적 결과가 전자기학을 넘어 시간과 공간의 본질에 대한 심오한 의미를 갖는다는 것을 보여주었다.

고전 전자기학에서 벗어난 또 다른 연구에서 아인슈타인은 빛이 주파수에 따라 특정 에너지 내용의 '양자'로 전송된다는 막스 플랑크의 발견을 활용하여 광전 효과를 설명했는데, 이를 현재 광자라고 부른다. 1927년경부터 폴 디랙은 양자역학과 전자기학의 상대론적 이론을 결합했다. 리처드 파인만, 프리먼 다이슨, 줄리언 슈윙거, 토모나가 신이치로에 의한 1940년대의 추가 연구를 통해 이 이론이 완성되었으며, 현재 양자 전기역학(QED)이라고 불리며 전자기학의 수정된 이론이다. 양자 전기역학 및 양자 역학은 양자 터널링과 같은 전자기적 거동에 대한 이론적 기초를 제공하며, 고전 전자기 이론에서는 불가능했던 방식으로 전기적으로 하전된 입자의 특정 비율이 이동하는 현상으로, 트랜지스터와 같은 일상적인 전자 장치가 작동하는 데 필요하다.

표준 모형에 따르면, 전자기력을 매개하는 게이지 입자는 광자이다.

4. 2. 2. 약한 상호작용

'''약한 상호작용''' 또는 '''약력'''은 베타 붕괴와 같은 일부 핵 현상을 담당한다. 전자기력과 약력은 전약 상호작용의 두 측면으로 이해된다. 이 발견은 표준 모형으로 알려진 통합 이론을 향한 첫 번째 단계였다. 전약 상호작용 이론에서 약력의 매개 입자는 W 보손과 Z 보손이라고 불리는 질량이 큰 게이지 보손이다. 약한 상호작용은 패리티를 보존하지 않는 유일한 알려진 상호작용이며 좌우 비대칭적이다. 약한 상호작용은 CP 대칭성도 위반하지만 CPT 대칭성은 보존한다.

현대 입자 물리학의 표준 모형에 따르면, 물질을 구성하는 실체는 전자, 쿼크, 중성미자 등 스핀 = 1/2을 갖는 페르미온이라고 총칭되는 소립자이다. 이러한 소립자는 진공을 구성하는 양자장의 국소적인 여기라고 여겨진다. 두 페르미온 입자 사이에는, 스핀 = 1을 갖는 게이지 입자가 교환됨으로써 힘이 전달된다고 이해된다. 게이지 입자에는 전자기력을 매개하는 광자, 강력을 매개하는 글루온, 그리고 약력을 매개하는 W, Z 입자가 있다. 페르미온의 종류에 따라 교환할 수 있는 게이지 입자가 다르다. 예를 들어 전자는 광자를 교환할 수 있지만, 글루온을 직접 교환할 수 없다. 따라서 전자는 전자기력은 받지만, 강력은 받지 못한다.^[1]

명칭	상대적인 세기	작용 범위 (m)	작용 대상	무한대에서의 영향	힘을 전달하는 게이지 보존	현상
약한 상호작용	10¹⁵	10^-18	소립자 내	동일하며 0	W 보손 (W^±, Z⁰)	소립자(쿼크)의 맛깔 변화에 의해, 방출되는 소립자의 렙톤 등의 에너지를 β 붕괴(중성자에서 양성자로의 변화)로서 검출하여 정의하고 있다. 강한 핵력에 작용하지 않는 소립자의 렙톤이지만, 전자기 상호작용과 중력 상호작용에는 전자나 뮤온 등이 작용한다.^[2]

4. 3. 강한 상호작용

강한 상호작용은 거리에 따라 변화하는 방식 때문에 가장 복잡한 상호작용이다. 핵력은 약 1펨토미터(fm, 즉 10⁻¹⁵ 미터) 거리에서 핵자들 사이에 강력한 인력을 작용하지만, 약 2.5 fm 이상의 거리에서는 급격히 작아져 무시할 수 있을 정도가 된다. 0.7 fm 미만의 거리에서는 핵력이 척력으로 작용한다. 이 척력 성분은 핵의 물리적 크기를 결정하는데, 핵자들이 이 힘이 허용하는 것보다 더 가까이 접근할 수 없기 때문이다.^[15]

1908년 핵이 발견된 후, 전자기력의 발현인 양전하를 띤 양성자들의 전기적 반발력을 극복하는 데 새로운 힘, 즉 오늘날 핵력으로 알려진 힘이 필요하다는 것이 분명해졌다. 그렇지 않으면 핵은 존재할 수 없었을 것이다. 게다가, 이 힘은 양성자를 직경이 약 10⁻¹⁵ m인 부피로 압축할 만큼 충분히 강해야 했는데, 이 부피는 전체 원자 부피보다 훨씬 작다. 이 힘의 짧은 범위로부터, 유카와 히데키는 그 힘이 질량이 약 100 MeV인 질량이 큰 힘 입자와 관련이 있다고 예측했다.^[15]

1947년 파이온의 발견은 입자 물리학의 현대 시대를 열었다. 1940년대부터 1960년대까지 수백 개의 하드론이 발견되었고, 강하게 상호작용하는 입자로서의 하드론에 대한 매우 복잡한 이론이 개발되었다. 특히 주목할 만한 점은 다음과 같다.^[15]

파이온은 진공 응축의 진동으로 이해되었다.
사쿠라이 준은 로 및 오메가 벡터 보존이 힘 전달 입자로 작용하여 아이소토프와 하이퍼차지의 근사적 대칭을 나타낸다고 제안했다.
지오프리 추, 에드워드 K. 버뎃, 스티븐 프라우치는 무거운 하드론을 끈의 진동 및 회전 여기 상태로 이해할 수 있는 계열로 묶었다.

이러한 각 접근 방식은 통찰력을 제공했지만, 어떤 접근 방식도 근본적인 이론으로 직접 이어지지는 않았다.^[15]

머레이 겔만은 조지 츠바이크와 함께 1961년에 분수 전하를 가진 쿼크를 처음으로 제안했다. 1960년대 내내, 여러 저자들이 쿼크의 상호작용에 대한 단순한 모델로서 양자 색역학(QCD)의 현대적 근본 이론과 유사한 이론들을 고려했다. QCD의 글루온을 처음 가설로 제시한 사람은 한무영과 남부 요이치로로, 이들은 쿼크 색 전하를 도입했다. 한과 남부는 그것이 힘 전달장과 관련될 수 있다고 가설을 세웠다. 그러나, 당시에는 그러한 모델이 쿼크를 영구적으로 가둘 수 있는지를 알아내기 어려웠다. 한과 남부는 또한 각 쿼크 색에 정수 전하를 할당하여, 쿼크가 평균적으로만 분수 전하를 가지도록 했으며, 그들의 모델에서 쿼크가 영구적으로 갇힐 것으로 예상하지 않았다.^[15]

1971년, 머레이 겔만과 하랄트 프리치는 한/남부 색 게이지장이 분수 전하를 가진 쿼크의 단거리 상호작용에 대한 올바른 이론이라고 제안했다. 그 후 얼마 지나지 않아, 데이비드 그로스, 프랭크 윌첵, 데이비드 폴리처는 이 이론이 점근적 자유라는 성질을 가지고 있다는 것을 발견하여, 실험적 증거와 연결할 수 있게 되었다. 그들은 QCD가 모든 거리 척도에서 정확한 강력 상호작용의 완전한 이론이라고 결론지었다. 점근적 자유의 발견은 대부분의 물리학자들이 QCD를 받아들이도록 이끌었는데, 쿼크가 영구적으로 가둬져 있다면 강력 상호작용의 장거리 특성조차도 실험과 일치할 수 있다는 것이 명백해졌기 때문이다. 즉, 강력은 거리에 따라 무한정 증가하여 쿼크를 하드론 내부에 가둔다.^[15]

쿼크가 갇혀 있다고 가정하면, 미하일 시프만, 아카디 바인슈테인, 발렌틴 자하로프는 진공을 설명하는 몇 개의 추가 매개변수만 사용하여 QCD로부터 많은 저에너지 하드론의 특성을 직접 계산할 수 있었다. 1980년, 케네스 G. 윌슨은 QCD의 기본 원리에 기초한 컴퓨터 계산을 발표하여 QCD가 쿼크를 가둘 것이라는 것을 확실하게 확립했다. 그 이후로, QCD는 강력 상호작용의 확립된 이론이 되었다.^[15]

QCD는 8개의 보손 입자인 글루온을 통해 상호작용하는 분수 전하를 가진 쿼크의 이론이다. 글루온은 쿼크뿐만 아니라 서로도 상호작용하며, 먼 거리에서 힘 선은 끈으로 정렬되어 선형 포텐셜(일정한 인력)로 대략 모델링된다. 이러한 방식으로, QCD의 수학적 이론은 쿼크가 단거리에서 어떻게 상호작용하는지뿐만 아니라 추와 프라우치가 발견한 끈과 같은 거동이 장거리에서 나타나는 이유도 설명한다.^[15]

현대 입자 물리학의 기본이 되는 표준 모형에 따르면, 물질을 구성하는 실체는 전자, 쿼크, 중성미자 등, 스핀 = 1/2을 갖는 페르미온이라고 총칭되는 소립자이다. 이러한 소립자는 진공을 구성하는 양자장의 국소적인 여기라고 여겨진다. 두 페르미온 입자 사이에는, 스핀 = 1을 갖는 게이지 입자가 교환됨으로써 힘이 전달된다고 이해된다. 게이지 입자에는 전자기력을 매개하는 광자, 강력을 매개하는 글루온, 그리고 약력을 매개하는 W, Z 입자가 있다. 페르미온의 종류에 따라 교환할 수 있는 게이지 입자가 다르다. 예를 들어 전자는 광자를 교환할 수 있지만, 글루온을 직접 교환할 수 없다. 따라서 전자는 전자기력은 받지만, 강력은 받지 못한다.^[15]

명칭	상대적인 세기	작용 범위 r(m)	작용 대상	무한대에서의 영향	힘을 전달하는 게이지 보존	현상
강한 상호작용	10⁴⁰	10^-15	원자핵 내	동일하며 0	글루온	소립자의 쿼크에 작용하여 쿼크끼리 결합하여 양성자나 중성자를 구축하고, 남은 힘은 강한 잔류력(핵력)으로서 다른 양성자나 중성자를 끌어당기는 힘으로서 원자핵을 구성하지만, 소립자의 렙톤에는 작용하지 않는다.

4. 4. 힉스 상호작용

힉스 장의 3차 유카와 결합은 약하게 인력적인 다섯 번째 상호작용을 만들어낸다. 비록 힉스 상호작용은 전통적으로 네 가지 기본 힘에 포함되지는 않지만,^[23]^[24] 게이지 상호작용도 아니고, 어떠한 미분동형사상 대칭성에 의해서도 생성되지 않는다. 자발적 대칭성 깨짐을 거쳐 힉스 메커니즘이 일어나면, 유카와 항은 다음과 같은 형태로 남는다.

:

\frac{\lambda_i}{\sqrt 2} \bar{\psi} \phi' \psi = \frac{m_i}{\nu} \bar{\psi} \phi' \psi

여기서

\lambda_i

는 유카와 결합,

m_i

는 입자 질량(eV), 그리고 힉스 진공 기댓값은 246.22 GeV이다. 따라서 결합된 입자들은 가상 힉스 보손을 교환할 수 있으며, 다음과 같은 형태의 고전적 포텐셜을 생성한다.

:

V(r) = - \frac{m_i m_j}{m_{\rm H}^2} \frac{1}{4\pi r} e^{-m_{\rm H}\, c\, r/\hbar}

여기서 힉스 질량은 125.18 GeV이다. 힉스 보손의 환산 콤프턴 파장이 매우 작기 때문에(1.576e-18 m, W 및 Z 보손과 유사), 이 포텐셜은 몇 아토미터의 유효 범위를 갖는다. 두 전하 사이에서, 그것은 약력보다 약 10¹¹배 약하게 시작하며, 비영 거리에서 지수적으로 약해진다.

4. 5. 표준 모형을 넘어

기존의 네 가지 기본적인 상호작용을 전약력 통일 모델로 체계화하려는 수많은 이론적 노력이 이루어졌다.

대통일 이론(GUT)은 표준 모형으로 설명되는 세 가지 기본적인 상호작용(강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력)이 모두 단일 상호작용의 서로 다른 표현이며, 어떤 극도로 높은 에너지 수준 아래에서 대칭성이 깨지고 별도의 상호작용을 생성한다는 것을 보여주는 제안이다.^[16] GUT는 또한 표준 모형이 관련이 없는 것으로 취급하는 자연 상수 간의 일부 관계를 예측할 것으로 예상하며, 전자기력, 약력 및 강력의 상대적 강도에 대한 게이지 결합 통일을 예측한다. 예를 들어, 초대칭 이론의 경우 1991년 거대 전자-양전자 충돌기에서 검증되었다.

GUT를 양자 중력 이론과 통합하는 만물 이론은 더 큰 장벽에 직면해 있는데, 끈 이론, 루프 양자 중력, 트위스터 이론을 포함하는 어떤 양자 중력 이론도 널리 받아들여지지 않았기 때문이다. 일부 이론은 표준 모형의 힘 전달 입자 목록을 완성하기 위해 중력자를 찾고 있으며, 루프 양자 중력과 같은 다른 이론은 시공간 자체가 양자적 측면을 가질 수 있다는 가능성을 강조한다.

표준 모형을 넘어선 일부 이론에는 가설적인 다섯 번째 힘이 포함되어 있으며, 그러한 힘을 찾는 것은 진행 중인 실험 물리학 연구의 한 분야이다. 초대칭 이론에서 일부 입자는 초대칭 깨짐 효과를 통해서만 질량을 얻으며, 이러한 입자들은 계수라고 알려져 있으며 새로운 힘을 매개할 수 있다. 새로운 힘을 찾아야 하는 또 다른 이유는 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 발견(암흑 에너지라고도 함)으로, 0이 아닌 우주 상수를 설명해야 할 필요성이 발생하고, 아마도 일반 상대성 이론의 다른 수정 사항도 필요하기 때문이다. 다섯 번째 힘은 또한 CP 위반, 암흑 물질, 암흑 흐름과 같은 현상을 설명하기 위해 제안되었다.

오늘날 장 이론에서는 이러한 상호작용은 게이지 보존의 교환에 의해 발생한다고 여겨지고 있다. 또한 기본 입자의 대칭성 연구로부터 이러한 상호작용은 빅뱅 직후와 같은 초고에너지 상태에서는 그 거동에 차이가 없어진다고 생각되었다. 전자기력과 약력을 통일하는 이론 (와인버그-살람 이론)은 실험적으로 확립되어 있으며, 두 힘을 함께 묶어 전약력이라고 부른다. 또한 전약력과 강력을 통일하는 이론 (대통일 이론)도 연구가 활발히 진행되고 있지만, 이론에 의해 예언되는 양성자 붕괴 등의 새로운 현상이나 초대칭 입자가 실험적으로 확인되지 않아 난항을 겪고 있다. 또한 이들 3가지 힘과 중력을 통일한 초대통일이론 (만물의 이론)은 실현되기까지는 아직 멀다.

참조

_[1] 서적 Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics https://books.google[...] Springer Science & Business Media
_[2] 웹사이트 The Standard Model of Particle Physics {{!}} symmetry magazine http://www.symmetrym[...] 2018-10-30
_[3] 뉴스 The Planck scale http://www.symmetrym[...] Fermilab/SLAC 2018-10-30
_[4] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1979 https://www.nobelpri[...] 2018-10-30
_[5] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1979 https://www.nobelpri[...] 2018-10-30
_[6] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1979 https://www.nobelpri[...] 2018-10-30
_[7] 웹사이트 Newton's Laws of Motion https://www.grc.nasa[...] NASA
_[8] 웹사이트 Newton's law of gravitation {{!}} Definition, Formula, & Facts https://www.britanni[...] 2021-03-22
_[9] 학술지 Newton's graphical method for central force orbits 2018-10
_[10] 문서
_[11] 학술지 Gravity and De gravitatione: the development of Newton's ideas on action at a distance https://www.pure.ed.[...] 2011-03
_[12] 학술지 Experimental Researches in Electricity 2012
_[13] 학술지 On Galilean invariance and nonlinearity in electrodynamics and quantum mechanics 2001-02
_[14] 학술지 Ether and Relativity 2016-05
_[15] 기사 Physicists debate whether the world is made of particles or fields—or something else entirely http://www.scientifi[...] Scientific American 2013-07-24
_[16] 학술지 A Brief History of the Grand Unified Theory of Physics http://nautil.us/iss[...] 2017-03-16
_[17] 문서
_[18] 학술지 Fundamental interaction https://www.accesssc[...] 2020
_[19] 뉴스 What Is The Strongest Force In The Universe? https://www.forbes.c[...] 2021-03-22
_[20] 웹사이트 Extra dimensions, gravitons, and tiny black holes http://home.web.cern[...] 2012-01-20
_[21] 서적 The Equations. Icons of knowledge https://archive.org/[...]
_[22] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1979 http://nobelprize.or[...] The Nobel Foundation 2008-12-16
_[23] 웹사이트 fundamental force {{!}} Definition, List, & Facts https://www.britanni[...] 2021-03-22
_[24] 웹사이트 The Standard Model https://home.cern/sc[...] 2021-03-22
_[25] 웹인용 Standard Model of Particles and Interactions http://www.pha.jhu.e[...] 존스홉킨스 대학교 2016-08-18

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