물리학의 기본 상호작용 - Fundamental interaction

물리학의 기본 상호작용 - Fundamental interaction

물리학에서 근본적인 힘으로도 알려진 근본적인 상호작용은 보다 기본적인 상호작용에 대해 환원할 수 없는 것으로 보이는 상호작용이다. 존재하는 것으로 알려진 네 가지 기본적인 상호작용이 있다. 일상 생활에서 직접적으로 영향을 볼 수 있는 상당한 장거리의 힘을 생성하는 중력과 전자기 상호작용, 그리고 미분자 아원자 거리에서 힘을 생산하고 핵 상호작용을 지배하는 강력하고 약한 상호작용. 일부 과학자들은 제5의 힘이 존재할지도 모른다는 가설을 세우기도 하지만, 이러한 가설들은 여전히 추측성적인 것으로 남아 있다.

알려진 각각의 기본적인 상호작용은 수학적으로 하나의 분야로 묘사될 수 있다. 중력은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 기술된 스페이스타임의 곡률에 기인한다. 나머지 3개는 이산 양자장이며, 이들의 상호작용은 입자물리학의 표준모델에 의해 기술된 기초 입자에 의해 매개된다.

표준 모델 내에서 강한 상호작용은 글루온이라는 입자에 의해 운반되며, 양자나 중성자와 같은 하드론을 형성하기 위해 함께 결합하는 쿼크를 담당한다. 잔류 효과로서 후자의 입자를 묶어 원자핵을 형성하는 핵력을 생성한다. 약한 상호작용은 W와 Z보손이라는 입자에 의해 운반되며, 또한 원자의 핵에도 작용하여 방사능 붕괴를 매개한다. 광자에 의해 운반되는 전자기력은 전기장과 자기장을 생성하는데, 이는 원자를 서로 붙들고 있는 궤도 전자와 원자핵 사이의 끌어당김뿐만 아니라 가시광선을 포함한 화학적 결합과 전자기파 등을 담당하며 전기기술의 기초를 형성한다. 전자기력은 중력보다 훨씬 강하지만, 큰 물체 안에서 스스로 소멸되는 경향이 있기 때문에, (행성과 은하계의 규모에서) 먼 거리에서는 중력이 지배적인 힘이 되는 경향이 있다.

많은 이론 물리학자들은 이러한 근본적 힘이 연관되어 아주 작은 규모의 플랑크 규모에서 매우 높은 에너지에서 하나의 힘으로 통일될 것이라고 믿지만, 입자 가속기는 이것을 실험적으로 탐사하는데 필요한 엄청난 에너지를 생산할 수 없다. 하나의 이론으로 힘 사이의 관계를 설명할 수 있는 공통의 이론적 체계를 고안하는 것은 아마도 오늘날 이론 물리학자들의 가장 큰 목표일 것이다. 약력과 전자기력은 이미 1979년 노벨 물리학상을 받은 쉘든 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그의 전기위크 이론과 통일되었다. 이른바 '대통합론' 안에서 전기와이크와 강한 분야를 하나로 묶는 작업이 현재 진척되고 있다. 더 큰 도전은 중력장을 정량화하는 방법을 찾는 것으로, 그 결과 다른 세 가지 힘과 공통된 이론적 틀에서 중력을 결합하는 양자 중력(QG) 이론을 만들어 내는 것이다. 일부 이론들, 특히 끈 이론들은 하나의 틀 안에서 QG와 GUT 모두를 추구하며, 모든 것의 이론 안에서 대량 생성과 함께 네 가지 기본 상호작용을 통일한다.

고전 이론

아이작 뉴턴의 1687년 이론에서 아이작 뉴턴은 그들의 상태와 관계가 도처에 일정한 속도로 펼쳐지는 동안 모든 물체 주위에 존재하는 무한하고 변화할 수 없는 물리적 구조로 공간을 가정했고, 따라서 절대적 공간과 시간이다. 뉴턴은 질량이 일정한 속도로 접근하지만 질량에 비례하는 충격에 의해 충돌하는 모든 물체가 매력적인 힘을 보인다는 추론했다. 그의 만유인력의 법칙은 수학적으로 우주 전체를 즉각적으로(절대 시간에도 불구하고), 또는 실제로 힘이 아니더라도 모든 물체들 사이의 즉각적인 상호작용이 되도록(절대 공간에도 불구하고) 명시했다. 관습적으로 해석되었듯이 뉴턴의 운동 이론은 의사소통 매체가 없는 중심적인 힘을 모델링했다. 따라서 뉴턴의 이론은 데카르트가 말한 기계적 철학의 첫 번째 원리를 위반했다, 거리에서는 아무런 작용도 없다. 반대로 1820년대 동안, 자력을 설명할 때, 마이클 패러데이는 공간을 채우고 그 힘을 전달하는 필드를 유추했다. 패러데이는 결국 모든 힘이 하나로 통일되었다고 추측했다.

1873년 제임스 서점 맥스웰은 진공 상태에서 일정한 속도로 이동하면서 세 번째 결과가 빛이었던 전자기장의 효과로서 전기와 자력을 통일했다. 전자파장 이론은 물질 내부든 진공 상태든 모든 공간을 채우고 전자기장을 발현하도록 표현된 진미층 에더의 물리적 상태가 모든 현상을 일치시키지 않는 한 뉴턴의 운동 이론의 예측과 모순된다.