만물은 무엇으로 이루어져 있을까?
만물을 구성하는 궁극의 극소물질 ‘소립자’!
원자·소립자의 행동을 설명하는 ‘양자’의 세계

‘만물은 무엇으로 이루어져 있는가’ 이 물음에 어떤 그리스의 철인은 이렇게 대답했다. ‘만물은 원자로 이루어져 있다.’ 이 문답은 이후 2500년 이상이나 반복되어왔다. 그리고 지금은 수십 종류, 수십 개의 소립자가 서로 결합해 양성자나 중성자, 원자핵을 구성하고 그 원자핵이 결합해 분자를 이루며, 다시 수십 종류, 수십 개의 분자가 한데 모여 만물을 형성한다는 사실이 밝혀졌다.
하지만 ‘소립자가 어떻게 원자를 구성하고, 원자가 어떻게 분자를 이루는가’에 대한 설명은 좀처럼 밝혀지지 않았다. 비로소 원자의 구조가 밝혀지기 시작한 것은 20세기 초에 접어든 뒤의 이야기다. 이 무렵에 당시 물리학의 근간을 뒤집은 양대 이론인 ‘상대성 이론’과 ‘양자론’이 등장했기 때문이다.
‘상대성 이론’과 ‘양자론’은 연구 대상으로 삼는 세계가 전혀 다르다. ‘상대성 이론’은 ‘우주, 천체, 미래’라는 장대하며 깊은 세계, 그리고 그곳을 종횡무진하는 광자나 로켓 등 무척이나 빠른 물체의 움직임을 대상으로 삼고 있다. 반면에 ‘양자론’은 ‘분자, 원자, 원자핵, 소립자라는 무척이나 미세한 물체의 움직임’을 다룬다. 하지만 ‘극대와 극소는 서로를 끌어당긴다’라는 매력적인 명제는 여기에도 적용된 듯하다. 현재 두 이론은 서로 영향을 주고받으며 한층 고도화된 응용 분야도 감당해낼 수 있게끔 성장을 이어나가고 있다.
양자론을 다룬 교과서나 해설서는 무척 많다. 하지만 처음부터 끝까지 수식의 나열로 이루어져 있거나 반대로 이게 과학 책인지 동양철학 책인지 헷갈릴 정도로 철학적인 분위기로 치우친 책들이 종종 보인다. 이 책은 이해한 내용이 독자의 머릿속에 남게끔, 일단 구체적으로 머릿속에 떠오를 법한 내용을 중심으로 쓰였다. 또 이 책에는 해설을 돕는 그림이 풍부하게 삽입되어 있다. 이를 훑어보기만 하더라도 이윽고 본질을 이해할 수 있게 될 것이다.

책 속에서

물질을 구성하는 소립자에는 몇 종류가 있지만 한데 모아‘ 페르미 입자’라고 불립니다. 페르미 입자는 또한 ‘쿼크’라는 그룹과 ‘렙톤’이라는 그룹으로 나뉘지요. 그리고 쿼크와 렙톤에는 각각 6종류의 소립자가 있습니다. 따라서 페르미 입자는 전부 12종류가 있다는 말이 됩니다. 각종 소립자의 집합체인 원자를 예로 들어 구체적으로 살펴보면 원자는 원자핵과 그 주변에 있는 전자(구름)로 이루어져 있습니다. 이 전자가 렙톤족의 소립자입니다. 그리고 원자핵은 양성자와 중성자라는 2종의 입자로 이루어져 있는데, 이 양성자와 중성자는 쿼크족의 소립자 3개로 이루어져 있습니다. 즉, ‘양성자는 2개의 위 쿼크와 1개의 아래 쿼크’, ‘중성자는 1개의 위 쿼크와 2개의 아래 쿼크’로 이루어져 있지요.
제1장 소립자란 어떤 물질일까?

‘분자’, ‘핵자’, ‘전자’, ‘양성자’, ‘중성자’, ‘중간자’, ‘소립자.’ 현대 과학에서 사용되는 용어 중에는 ‘자’가 붙는 것이 무척 많습니다. 그렇다면 ‘자’란 무엇을 의미하는 걸까요? 그 대답은 현 단계에서는 이해하지 못하는 분도 많이 있겠지만, 일단은 ‘에너지의 단위량’이라고 정의해두겠습니다. 분자, 원자 등은 확실히 부피(분자 구조, 원자 반지름 등)와 질량(중량, 분자량, 원자량)을 갖고 있습니다. 하지만 소립자에 이르면 이는 의심스러워집니다. 그런 점은 제쳐두고, 지금은 ‘양자란 에너지의 단위량’이라 해둡시다. 즉, 원자나 전자처럼 구체적인 이미지가 있는 것은 아니지만, 어떤 ‘일정량의 에너지가 덩어리(단위)처럼 행동하는 무언가’라는 뜻입니다.
제2장 극소의 세계로-양자론의 새벽

양자화학에서는 ‘양자화’, ‘물질파’ 등 신기한 개념이 등장하는데, 그중 하나가 바로 ‘불확정성 원리’입니다. 이는 양을 명확하게 측정할 수 없는 경우가 존재한다는 원리입니다. 이럴지도 모르고, 저럴지도 모른다는 뜻이지요. 이렇게 말하면 다소 모호하고 비과학적으로 들릴지도 모르겠네요. 하지만 ‘몇%의 확률로 이럴 것이다’ 정도로는 표현할 수 있습니다.
제3장 양자론적으로 보는 원자의 구조

공유결합은 복잡한 결합입니다. 잘 알려져 있듯이 공유결합에는 단일결합, 이중결합, 삼중결합 등이 있는데, 그 외에 σ(시그마)결합, π(파이)결합 등도 존재합니다. 그리고 ‘몇 중 결합’이라고 표현하는 결합은 σ결합과 π결합의 조합으로 이루어져 있습니다. 즉, ‘몇 중 결합’이라는 용어와 ‘σ결합, π결합’이라는 용어 사이에는 밀접한 관계가 있습니다. 아래의 문장은 그 점에 주의해 읽어주세요.
제4장 양자론적으로 보는 분자의 구조

원자는 전자구름이라는 가볍고 폭신폭신한(밀도가 작은) 부분과, 여기에 에워싸이듯이 존재하고 있는 작고 무거운(밀도가 큰) 입자로 이루어져 있습니다. 이 작고 무거운 입자를 원자핵이라고 부릅니다. 원자를 구성하는 전자(구름)는 스스로가 1개의 소립자이지만 원자핵은 소립자가 아니지요. 전자와 원자핵은 둘 모두 고유한 반응을 갖고 있습니다. 하지만 원자핵의 반응은 원자핵 반응이라 불리는데, 특수하며 좀처럼 일어나지 않지만 그 대신 한 번 일어나면 막대한 에너지를 방출하기 때문에 일반적인 화학에서는 취급하지 않습니다. 반면에 일반적인 화학 반응은 전자(전자구름)만이 일으키는 반응으로, 원자핵은 일절 관여하지 않지요.
제5장 소립자를 통해 보는 원자핵의 구조

핵융합 반응이란, 작은 원자핵이 융합해 커다란 원자핵으로 변하는 반응입니다. 이때는 방대한 에너지가 발생합니다. 따라서 미래의 에너지원으로서 뜨거운 주목을 받고 있지요. 핵융합 에너지의 예시로 널리 알려진 것은 태양을 비롯한 항성의 에너지원입니다. 지구로 날아드는 에너지의 대부분은 태양에서 유래하는 에너지입니다. 우리 생물은 이 태양 에너지를 받아 생명을 길러내고 있으니 우리가 살아갈 수 있는 것은 핵융합 에너지 덕분이라 해도 과언이 아닐지도 모릅니다. 항성에서는 원자번호 1인 수소 원자핵H 2개가 핵융합을 일으켜 원자번호 2인 헬륨 원자핵He으로 변함에 따라 막대한 에너지가 발생하고 있습니다. 이 에너지를 인류가 제어할 수는 없을까? 바로 이 꿈이 핵융합 개발의 원동력입니다. 핵융합이 촉망되는 분야는 핵융합로를 이용한 핵융합 발전입니다.
제6장 원자핵 반응과 우주를 생성한 에너지

우주 방사선이란 광속에 가까운 속도로 우주 공간을 날아다니는 양성자(수소 원자핵)나 헬륨 등의 원자핵, 전자나 뮤 입자 등의 소립자를 말합니다. 게다가 이 고속 · 고에너지 입자가 지구의 성층권이나 대기권에 존재하는 분자와 충돌해서 발생시킨 미립자 등도 우주 방사선이라고 부릅니다. 즉, 오존, 산소, 질소 등의 분자와 충돌하면서 발생한 중성자 등의 핵자, 혹은 중성미자 등의 소립자, 또는 γ선과 같은 고에너지 전자파 등도 우주 방사선이라 불린다는 뜻이지요. 하지만 역시나 일반적으로 우주 방사선이라 한다면 양성자와 그 10% 정도 양의 헬륨, 그리고 극히 소수의 탄소, 철, 그보다 미량이기는 하지만 우라늄 등의 원자핵 성분과 전자가 주류로 여겨지는 경우가 많습니다.
제7장 지구와 인간에 우주 방사선이 끼치는 영향

‘양자’에 관한 화제로 뉴스에 자주 언급되는 것이 ‘ 양자 컴퓨터’입니다. 양자 컴퓨터는 양자역학 현상을 정보처리 기술에 적용한 것으로, 기존의 컴퓨터(고전 컴퓨터)로는 쉽게 풀지 못하는 복잡한 계산을 처리할 수 있는 컴퓨터입니다. 양자 컴퓨터는 ‘양자 중첩’이나 ‘양자 얽힘’과 같은 양자론 특유의 현상을 이용해 여러 계산을 동시에 진행시키는 병렬 계산을 시행합니다. 그 결과, 고속 계산이 가능해지기 때문에 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대를 모으고 있지요. 아직 연구 단계라서 실용적으로는 완성되지 않았지만 시제품 단계의 제품은 가동 중이라고 합니다.
제8장 어떻게 현실세계에서 양자론을 활용할 수 있을까