가장 큰 것과 가장 작은 것(2)

원소들이 어떻게 더 큰 덩어리로 서로 결합할 수 있을까?  우리가 눈으로 볼 수 있는 모든 것은 분명히 수많은 원자들이 단단하게 붙어있는 질료의 덩어리다.  어떤 접착제가 있기라도 한 것일까?   원자를 결합시키기 위해서는 그 어떤 다른 것, 어떤 힘이 있어야 한다. 어떤 종류의 힘이 있을까? 모든 물체가 아래로 향하게 하는 중력이 있다. 또 다른 힘이 있는데 그 힘은 우리가 일상생활에서 늘 접하고 있는 것으로서 당기고 미는 힘이다. 나침반을 그렇게 오랫동안 사용했으면서도 자석 바늘이 항상 남북방향을 가리키는 까닭을 안 것은 훨씬 후의 일이었다.  19세기에 우리의 현실에서 나타나는 전기현상들을 체계적으로 연구했을 때,  사람들은 점차로 전하, 전장, 전력의 작용에 대해 인식하게 되었다.

 

덴마크의 원자물리학자 닐스 보어는 1902년 원자모형을 만들었는데 원자를 하나의 작은 태양계로 생각 하엿다.. 원자의 중심에는 원자핵이 있고 태양주위를 도는 행성들처럼 작은 위성들이 원자핵을 돌고 있다고 생각한 것이다.  원자에는 더 이상 원자라는 이름이 합당치 않게 된 셈이다.  전기는 같은 성질끼리 서로 밀치고 반대성질끼리 서로 당긴다. 사람들은 이 결과를 원자의 모델에도 적용할 수 있었다. 그래서 원자핵은 양전기를 작은 위성들은 음전기를 띠었다고 생각했다.  핵은 '양자' 작은 위성들은 '전자'라는 이름을 갖게 되었다. 양자는 전자를 끌어당기고 전자는 고정된 궤도를 따라서 양자의 주위를 돈다. 가장 단순한 원자는 핵(양자)과 그것을 도는 하나의 전자로 이루어진 수소다. 그 다음으로 단순한 것이 헬륨이다.  헬륨의 경우는 두 개의 전자가 핵 주위를 돌고 있다.  하나의 양자는 하나의 전자만을 당길 수 있고, 두 개는 당길 수 없기 때문이다.  그러면 원자에는 두 개의 양자가 있어야 하는데, 그것도 문제인 것이 전기 성질이 같은 양성의 양자들이 서로 밀쳐서 핼륨원자의 핵이 찢어질 것이기 때문이다. 

 

그래서 또다른 입자, 즉 전기적으로 양성도 음성도 아닌 중성의 부분이 존재한다고 생각했다. 이것을 중성자라고 불렀다.  중성자에게 부여된 임무는 서로 퉁겨져나가려는 양자들을 고정시키는 일이다. 사람들은 원소의 구조를 양자, 전자, 중성자로 된 일종의 조립체계로 밝힐 수 있었다. 원소가 무엇인지 결정하는 것은 원자핵 속에 있는 양자의 수이다.  핵속에 있는 양자 수와 같은 수의 전자들이 핵 주위를 돌고 있다. 또 핵속의 양자들을 지탱하기 위해 그만큼의 중성자들이 필요하다. 전자들은 상이한 거리를 두고 일정한 궤도를 따라 핵주위를 돌고 있다. 핵에서 가장 가까운 궤도에서는 두 개의 전자가 돌 수 있고,  그 다음 궤도에서는 네 개가,  세 번째 궤도에서도 최대 여덟 개가 돌 수 있다. 과학자들은 양자들과 중성자들로 이루어진 원자핵이 실제로 고정되기 위해서는 핵속에서 어떤 운동이 끊임없이 일어나고 있다는 사실을 다시 밝혀냈다. 그것은 양자들이 양성의 전하를 중성적인 중성자들에게 옮기는 운동이다. 그렇게 함으로써 양자로부터 중성자가 생겨나고, 중성자에서는 양자가 생겨나게 된다. 그리고 이러한 교환은 쉬지 않고 반복된다. 이 일을 떠맡은 것은 일종의 심부름꾼이라고 할 수 있는데,  그것은 새로운 입자로서 양자와 중성자들 사이에서 번개처럼 날쌔게 왔다갔다 하며 전하를 옮겨 주는 역할을 한다. 이 입자는 양전자라는 이름을 얻었다.

 

양전자 발견에 그치지 않고 새로운 기능을 가진 새로운 입자들이 원자속에서 계속 발견되었다. 실험과정에서는 수명이 아주 짧은 입자들도 만들어졌다.  이런 입자들은 어떻게 만들었을까?  하나의 입자를 다른 입자로 쏘아 안개상자에서 무슨 일이 일어나는지 관찰 할 수 있었다. 원자도 쏠 수 있는데, 그 경우에는 핵이 터져서 각 성분들로 나뉘게 된다. 독일 과학자 오토 한은 1939년에 처음으로 실험실에서 원자를 파열시켰다. 그후 이러한 효과를 기술적으로 변환함으로써 한편으로는 핵폭탄이 발명되었는가 하면, 다른 한편으로는 핵발전소가 건설되었다. 어떻게 핵 파열의 효과에서 폭탄을 만들어낼 수 있었을까?  과학자들이 관찰한 사실은 이러하였다. 원자핵하나가 입자의 침투로 인해 파열되면,  수많은 새로운 입자들이 생겨나고 이것들은 다시 옆에 있는 원자들속으로 파고 들어가서 그 핵들을 또 파괴 한다.  맨 처음 파열된 원자가 1백개 정도의 입자로 분산된다면,  입자들은 각각 1백개의 다른 원자들을 파괴하는 식으로 연쇄반응이 계속되어 결국 엄청난 폭발을 일으키는 것이다. 이것이 원자폭탄 원리다.  이때 완화하는 물질을 폭발하는 원소속으로 투입하여 이 연쇄반응에 제동을 걸 수도 있다. 그렇게 핵분열을 조절함으로써 유용하게 이용할 수 있는 것이다. 하지만 이러한 진행이 통제를 벗어나게 되면, 원자력 발전소는 원자폭탄으로 탈바꿈할 수 있다.

 

입자 가속기 속에서 원자 입자들은 전장을 지나면서 높은 속도로 가속화된다. 입자 가속기를 크게 만들수록 입자의 속도를 더 빠르게 높일 수 있었고, 새로 발견되는 입자들의 크기는 더 작아졌다. 과학자들은 거대한 전자석을 부착한 거대한 터널을 만들었는데, 이 장치에서 만든 입자들중 많은 수가 수명이 아주 짧아서 생기자마자 곧바로 사라져버렸다. 과학자들은 새로운 입자를 쿼크quark라고 불렀다.  발견된 쿼크수는 여섯 개가 된다.  다양한 쿼크들이 생겨났다는 것은 결국 쿼크보다 더 작은 입자들이 있다는 것을 의미하기 때문이다. 과학자들은 빛에서 관찰된 적색이동을 우주가 확장되고 있는 증거라고 보고,  현재에서부터 거슬러 계산을 하면 시간적인 시작에 도달할 수 있을 것이라고 믿는다. 계속해서 더 먼 과거로 옮겨지고 있다.  무한에서의 시작이란 결국 시작이 없음을 의미한다. 전체를 아우르는 이 세계 자체는 과연 시작과 끝이 있는 것일까? 물리학은 세계의 물체들이 서로에게 일으키는 작용을 통해 개별 물체의 본질을 규정한다. 물리학자들은 세계에 존재하는 모든 것에는 나름대로 하나의 원인이 있다는 것을 알아냈다. 이 원인이란 것도 따지고 보면 다시 그보다 앞서 있었던 원인의 결과이고,  그 원인도 다시 그전에 있었던 원인의 결과로 계속해서 연결되는 것이다. 세계의 어떤 사물에 시작이 있다면 그것은 그전에 있었던 사물들로부터 생겨난 것이다.  인과법칙은 이렇게 세계의 모든 현상에 해당되는 것인데 과연 이러한 법칙이 세계 전체에도 해당될까?