안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 자연계에 존재하는 기본 4가지 힘에 대해서 알아보겠습니다.

세상에는 수많은 힘들이 존재합니다. 그러나 이 수많은 힘들은 근본적으로 자연계 기본 4가지 힘의 상호 작용에 의해 발생한답니다. 다시 말해 우주에 존재하는 모든 힘들은 자연계 기본 4가지 힘에 의해 만들어지죠.

힉스 입자 편에서 입자물리학의 기본원리인 표준모형을 통해 6개의 쿼크, 6개의 렙톤으로 이루어진 12개의 소립자와, 이들 사이에 힘을 전달하는 강한 핵력, 전자기력, 약한 핵력, 중력에 해당하는 글루온, 광자, 위크 게이지 보존, 중력자로 이루어진 4개의 힘과 관련된 매개입자들이 결합하여 세상의 모든 물질을 구성하고 있음을 살펴보았습니다.

바로 이 강력(Strong Force), 전자기력(Electromagnetic Force), 약력(Weak Force), 중력(Gravitational Force) 4가지의 힘이 자연계에 존재하는 기본적인 상호작용의 힘입니다.

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◇ 중력(重力, Gravitational Force)

뉴턴의 만유인력으로 잘 알려져 있는 중력은 우리가 일상생활 속에서 가장 쉽게 느낄 수 있죠? 거시세계를 구성하는 중력은 물체를 서로 잡아 당겨 인력으로 작용할 뿐만 아니라 시공간을 변형시킬 수도 있는데요. 우주에서 별과 행성 간에 작용하여 천체 궤도를 형성하고 은하계 운동을 관장하기도 하는 중력은 얼핏 엄청 강력한 힘처럼 느껴지지만 사실 자연계 기본 4가지 힘 중에서 가장 약합니다.

중력은 어떤 면에서는 매우 거대한 힘이지만 전자나 양성자로 구성된 미시세계에서의 중력의 힘은 극단적으로 약하여 거의 작용을 하지 않습니다. 때문에 중력은 세기 약하지만 그 적용 범위는 매우 넓다고 할 수 있겠네요. 중력은 거리와 범위에 따라 그 상호작용이 결정됩니다. 중력자(graviton)라는 매개입자에 의해 조정된다고 알려져 있습니다.

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◇ 전자기력(電子氣力, Electromagnetic Force)

미시세계를 구성하는 전자기력은 전기력과 자기력에 바탕을 둔 힘입니다. 중력과 다르게 인력과 척력이 모두 존재하는 반면 중력과 마찬가지로 그 범위가 매우 넓지요. 전자기력은 양전하, 음전하 사이에 작용하여 전하의 움직임에 관련됩니다. 원자는 양성자, 중성자, 전자 등으로 이루어져 있는데 양성자와 전자 사이에 전자기력이 작용하고 있습니다. 물리학에서 전자기력은 대부분 원자 내부에 존재하는 입자들 사이의 힘을 설명하는데 사용되는데요. 양성자와 전자는 서로 잡아당기고, 양성자와 양성자, 전자와 전자는 서로 밀어 냅니다.

전자기력의 세기는 꽤 큰데요. 수소원자가 이루고 있는 전자기력은 중력보다 무려 1041배 정도 큰 세기를 갖습니다. 전자기력도 중력처럼 거리와 범위에 따라 그 상호작용이 결정됩니다. 전자기력은 우리에게 익숙한 빛의 양자화 단위인 광자(photon)라는 매개입자에 의해 조정됩니다. 광자는 전기적으로 중성이고 질량이 없기 때문에 광자들끼리는 서로 상호작용을 하지 않지요.

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◇ 강력(强力, Strong Force)

극미세계를 구성하는 강력은 원자핵의 양성자와 중성자를 강하게 결합하게 하는 강한 핵력을 지칭하는데요. 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어져 있는데, 강력은 쿼크와 쿼크 사이에 작용하는 힘으로 전하를 띤 입자들 보다 훨씬 강력합니다. 거리가 멀어지면 서로 당기는 힘이 점점 더 강력해지지만, 일정한 거리를 벗어나면 갑자기 그 세기가 0이 되어 작용이 사라져버립니다. 때문에 중력과 전자기력에 비해 그 적용 범위가 훨씬 작습니다. 강력은 모든 무거운 원소들을 만들게 한 근본적인 힘이며, 태양이 수많은 열에너지와 빛에너지를 내뿜는 것이 바로 이 강력 때문입니다. 강력을 이용하면 수소폭탄을 만들 수 있고 핵융합을 일으킬 수도 있습니다. 글루온(gluon)이라는 매개입자에 의해 조정됩니다.

원자 내부의 핵에는 양성자와 중성자가 존재하는데요. 전자기력을 생각하면 전하를 띈 양성자는 서로 밀어내므로 원자핵은 붕괴되어야 하는데 형태를 잘 유지하고 있지요. 질량이 있는 중성자와 양성자의 중력을 고려하더라도 이는 전자기력보다 비교하여 그 세기가 턱없이 약합니다. 강력은 원자핵이 형태를 유지하고 붕괴되지 않기 위해 전자기력의 척력을 극복할 정도로 강하게 작용하며 자연계 기본 4가지 힘 중에서 가장 강합니다.

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◇ 약력(弱力, Weak Force)

극미세계를 구성하는 약력은 방사성 붕괴를 일으키는 약한 핵력을 말합니다. 약력은 지구 중심에 열에너지를 제공하는 힘으로 지구 대륙 이동의 근원이라고 할 수 있죠. 원자력 발전소, 원자폭탄이 바로 약력을 이용한 대표적인 예입니다. 약력은 방사성 붕괴 중 특히 베타 붕괴의 원인이 됩니다. **위크 게이지 보존(weak gauge boson)이라는 매개입자에 의해 조정됩니다.

방사능 원소의 원자핵에서 저절로 방출되는 알파선(α-ray)과 베타선(β-ray), 그리고 감마선(γ-ray) 중에서 베타선(β-ray)은 지금까지 설명한 중력, 전자기력, 강력으로는 설명이 불가능합니다. 알파선은 방사능 원소의 원자핵 속에서 양성자 2개와 중성자 2개가 모두 단단히 결합하여 함께 방출되어 나오는 것으로 헬륨 원자의 원자핵을 의미합니다. 감마선은 방사능 원소의 원자핵 속에서 방출되는 진동수가 매우 큰 전자기파를 의미하지요. 베타선은 방사능 원소의 원자핵 속에서 방출되는 전자를 의미하는데 문제는 원자핵 내부에 전자가 들어있을 수 없다는 사실입니다. 때문에 원자핵에 포함된 중성자가 양성자와 전자로 바뀐 다음 원자핵에 남아있을 수 없는 전자가 바깥으로 나오는 것이고 바로 약력이 중성자가 저절로 양성자와 전자로 바뀌는 현상의 원인입니다.

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자연계 기본 4가지 힘의 세기 비교

자연계 기본 4가지 힘 중 가장 약한 중력의 크기를 1로 잡으면
약력은 1000000000000000000000000000000000000000 (10의 39승)
전자기력은 100000000000000000000000000000000000000000 (10의 41승)
강력은 100000000000000000000000000000000000000000000 (10의 44승)

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우리가 쉽게 느낄 수 있는 힘?

중력을 제외한 대부분의 힘은 전자기력에 의한 효과입니다. 강력과 약력은 그 작용 범위가 매우 한정적이라, 거시적으로 나타나는 일이 없습니다. 거시적으로 나타날 수 있는 힘은 그 도달거리가 무한대인 중력과 전자기력인데요. 중력의 경우 그 세기가 작아서 태양과 지구처럼 매우 큰 질량이 모여 있지 않는 한 좀처럼 그 영향력을 직접적으로 느끼기 어렵습니다. 이에 반해 전자기력의 경우 작은 전하로도 큰 힘을 미칠 수 있지요. 따라서 우리 주변에서 느낄 수 있는 힘의 대부분은 전자기력인 것입니다. 그 대표적인 예로, 접촉면의 원자들 사이에서 발생하는 전자기적 상호작용이 거시적으로 나타난 마찰력을 생각할 수 있습니다.

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여러분이 저를 통해 물리학과 과학기술에 흥미를 갖게 되는 것이 저의 가장 큰 보람입니다. 아무리 어려운 내용을 다루어도 쉽고 재미있게 전해드릴 수 있도록 노력하겠습니다. #kr-science 태그에서 함께 새로운 문화를 만들어나갑시다!

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