일반인의 입자물리학 2부
소립자에서 반쿼크는 무엇인가? 반입자, 반물질은 무엇일까?
우주의 공간이 아무것도 없는 무의 상태가 아니라 그것조차 물질들로 가득 차 있다면?
폴 아드리언 모리스 디락(Paul Adrian Maurice Dirac)은 영국의 이론물리학자로 양자 역학을 탄생시킨 사람 중 한사람으로 이를 추론했다.
어려운 디락방정식을 간단히 풀이하면
디락의 방정식에는 전자의 값이 양의 에너지 외에도 음의 에너지를 가져야 하는 결함이 있었다. 하지만 디락은 결함이라 생각하지 않았고 양의 에너지 뿐 만 아니라 음의 에너지를 가진 전자도 존재 가능하다고 추측을 하였다.
그리고 ‘하나의 전자는 같은 장소에 하나만 들어갈 수 있고 한 상태에 전자가 여러 개가 있을 수 없다’는 파울리의 베타원리와 ‘높은 에너지 상태의 전자는 낮은 에너지 상태가 비어 있을 경우 빛을 발산하고 낮은 에너지 상태로 떨어져 버린다’는 이론을 이용하여 ‘디락의 바다’라는 이론을 만들었다.
보통 전자는 양의 에너지를 가지고 있고, 우주가 비어 있다고 했을 경우 양의 에너지는 음의 에너지 상태로 모두 떨어져 버릴 것이다. 그러나 우주에 전자가 무한히 많이 있다면? 음의 상태 각각에 전자가 하나씩 전부 꽉 채우게 될 것이다. 이것이 ‘디락의 바다’이다.
바닷물이 바다를 채우듯 음의 에너지 자리에 전자가 온 우주를 가득 채우고 있다. 그래서 ‘진공’상태는 에너지가 ‘0’인 무(無)의 상태가 아니라 음의 에너지 무한대, 곧 최저음의 에너지 상태가 되는 것이다.
그래서 우주의 진공은 아무것도 없는 상태가 아니라 음의 에너지로 온 우주가 가득 차 있다고 하였다.
디락의 계속된 추론에서,
음의 에너지 상태에서 전자가 가득차고 하나가 남는다면 이것은 파울리의 베타원리 ‘한 상태에 전자가 하나만 있어야 한다’는 원리에 의해 더 이상 음의 장소는 다 차 있으니 음의 에너지가 아니라 양의 에너지가 된다고 했다. 이것이 우리가 보는 전자이고 이러한 전자들이 많이 있다면 우주의 원자를 만들고 분자와 생명체를 만드는 것이라 했다.
‘디락의 바다’ 이것은 아주 적절한 표현이 아닌가 생각한다.
지구의 바다에서도 중력에 대항하는 부력을 가지고 있지 않은가? 일반적으로 지구의 공기 상태에서 모든 물체는 땅으로 떨어지지만 물에서는 중력과 반대로 떠오르려고 하는 힘이 있다. 물론 부력의 정도 차이에 따라 가라앉는 것이 대부분이지만 공기 상태와는 틀린 음의 에너지 상태로 볼 수 있겠다.
디락은 여기서 멈추지 않고 추론을 계속하였다.
높은 에너지 상태의 전자가 광자를 방출하고 낮은 에너지 상태로 떨어진다면 반대의 경우도 생길 수 있다. 즉, 낮은 에너지를 가진 전자가 빛을 받으면 높은 에너지 상태로 떠오를 수 있을 것이다. 그렇게 된다면 디락의 바다에 구멍이 하나 생길 것이다.
결국, 음의 에너지 전자에 광자가 흡수되어 양의 에너지 전자 하나가 빠져나가고 생긴 구멍, 즉 그 구멍을 반대입자 또는 반(反)입자라고 한다. 여기서의 반입자는 양전자이다.
양전자는 우리의 눈에 어떻게 보이겠는가?
그것은 바다를 예로 들 수 있겠다. 물 분자로 가득 찬 곳에 구멍이 생기게 되면 공기 방울이 생기게 된다. 이것을 양전자로 비유할 수 있겠으며, 바다에서 에너지 즉 빛을 받으면 빛을 흡수한 전자처럼 물이 수증기가 되어 증발되어 양의 세계에 나타나게 되고 또 비가 되어 에너지를 방출하며 바다로 떨어져 그 구멍들을 메우게 된다. 이러한 과정들을 전자와 양전자의 비유로 들 수 있다. 양전자는 음의 에너지 구멍, 다시 말해서 그림으로 치자면 하얀 백지에 점 하나 찍은 것이 전자라면 검은 색 흑지위에 흰점을 찍은 것은 양전자라 하겠다.
동양 사상에서 ‘색즉시공 공즉시색’에 비유할 수도 있다. 비어 있는 것과 가득 찬 것의 차이이다. 좀 난해한 상상이지만 이 문구와 반대 물질과는 일맥상통하는 것 같다. 어쨌든 이것은 디락의 상상력에 의한 추론으로 당대에는 크게 이목을 집중시킬 수 없었던 망언이었을 것이다. 그가 동양에서 살았더라면 어땠을까? 라고 생각해 본다.
그러던 중 1932년 앤더슨이 우주선(cosmic ray)을 관측하는 동안 질량이 전자와 같으면서도 양전기를 띤 입자를 발견했다. 이것이 양전자이며 이로써 반입자의 추론이 입증되었다. 그 후 반입자, 반물질은 더 이상 공상과학이 아니었으며 쿼크에도 반대입자인 반대쿼크가 존재하며 중성미자, muon, tau(lepton) 등이 존재한다는 것을 알게 되었다. 반입자는 음의 전하를 가지고 전기적으로 중성인 입자는 그 자신이 반입자이다.
그리고 우리가 볼 수 있는 세계의 반대를 반대물질 또는 반물질이라 부른다. 오늘날 과학에서 이러한 반쿼크를 모아 반양성자, 반중성자 등을 만들 수 있게 되었고, 반대물질인 반수소원자도 만들 수 있게 되었다.
더욱이 양전자를 이용한 의료 장비인 PET(양전자 방출 단층 촬영기)를 이용하여 우리의 일상에서도 적용되고 있다. 또 우리 몸에서도 시간당 180여개의 양전자가 생겨나고 있지만 우리 몸에 해를 끼칠 정도는 아니라고 하며 그렇게 인간이 진화되어졌을 것이다. 따라서 반물질세계와 물질세계는 같이 공존을 하고 있으며 그 신비는 하나 씩 밝혀질 것이다.
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