운동량 보존법칙, 어둠속의 당구대

어둠속의 당구대

어두운 곳에 당구대가 놓여 있고, 당구공 두 개는 빛을 띠고 있어 움직이는 경로를 눈으로 확인할 수 있다고 하자. 두 공이 서로 다가오다가 직접 부딪치지도 않았는데 경로가 바뀐다면, 다른 공 - 까만색이어서 우리 눈에 보이지 않는 공 - 이 두 공 사이를 지나가면서 양쪽 공에 힘을 줘 서로 밀치는것처럼 보였다고 추측할 것이다. 마찬가지로 입자물리학자들은 입자들의 경로를 관측한 결과, 보이지 않는 입자들이 교환됨으로써 힘이 발생한다는 사실을 알게 되었다. 

운동량 보존 법칙은 우리게에 친숙한 개념으로, 흔히 당구공의 충돌로 설명된다. 두 공의 힘과 각 운동량의 합은 충돌 이전과 이후에 똑같다. 즉 보존된다. 운동량 보존개념은 입자물리학자들이 우주의 네 가지 기본 힘들 -전자기력,강한 핵력, 약한 핵력, 중력- 이 입자의 교환을 통해 전달되는 현상을 설명할 때도 이용된다. 예를 들어 우주에서 유영하는 비행사 두 명이 서로에게 무엇인가를 던지고 받는 것처럼 움직이면서 서로에게 다가가다가 갑자기 코스를 바꾼다면, 우리는 두 사람 사이에 무엇인가가 지나갔다고 - 설사 그 무엇인가를 눈으로 보지 못했다고 할지라도 - 추측하게 된다. 마찬가지로 깜깜하게 어두운 공간 속에서 두 명의 아이스 댄서가머리에 밝은 전구를 차고서 춤을 추다가서로에게 다가가더니 상대편 주위를 회전한다면, 우리는 두 무용수가 서로 손을 꼭 잡고 있다고 추측할 것이다. 위의 두 경우 모두, 눈에 보이는 입자들이 서로를 밀어내거나 끌어당길 때 무엇인가가 관여한다, 즉 상호작용한다고 생각할 수 있다.

마찬가지로, 소립자들 사이에 힘이 상호작용 할 때도 어떤입자가 교환되고 있다고 생각할 수 있으며, 이처럼 힘을 전달하는 입자를 게이지 보손 (gauge boson)이라고 부른다. 이러한 상호작용은 흔히 - 노벨물리학상 수상자인 리처드 파인만이 개발한 - 파인만 다이어그램으로 묘사된다. 파인만 다이어그램은 소립자들이 게이지 보손을 교환하는 모습을 보여주지만, 위에서 거론했던 비유들을 묘사할 때도 똑같이 사용될 수 있다. 

* 파인만 다이어그램은 소립자들 사이의 상호작용을 다스리는 원리는 유영하는 우주인들이서로 스패너를 주고받을 때도 적용된다는 걸 보여준다.

*빛을 이루는 광자는질량이없다. 그런데도 왜 광자를 입자라고 하는가? 사실 아인슈타인의 유명한 방정식 E = mc2은 운동량을 가진 것은모두입자로 볼 수 있다는 사실을 밝힌 긴 방정식을 축약한 것이다. 

*전 세계 인구 6,886,706,217 을 우주로 끌어올리는 데 드는 에너지를 공급하기 위해 필요한 질량은 1kg 이다. 

*현재까지 확인된 기본입자는 29개다

*현재까지 알려진 원자보다 작은 입자는 200개 이상이다. 

*사람 한명에게는 초대형 수소폭탄 30개에 해당하는 에너지가 들어있다.