중력이 생기는 원인은 무엇일까? - 사이언스타임즈

출처 : http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?atidx=56651

중력이 생기는 원인은 무엇일까?

중력양자와 친척인 신의 입자 힉스입자에 기대…라이브사이언스

2011년 12월 15일(목) 김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com

중력(重力)은 질량을 가진 두 물체 사이에 작용하는 힘이다. 현재 알려진 자연계의 네 가지 힘들 가운데 가장 약하며, 유일하게 인력(引力)만이 작용한다. 그런데 이러한 중력은 왜 발생하는 걸까? 최근 라이브사이언스닷컴이 이를 최고의 과학의 미스터리라고 지목했다.

 

▲ 태양계의 해성들은 중력의 작용으로 태양의 중심을 돌고 있다. 과학자들은 중력이 왜 생기는 지, 그 이유를 중력양자와 먼 친척이라고 할 수 있는 힉스입자를 발견할 하면 어느 정도 실마리를 풀 수 있다고 판단하고 있다.  ⓒNASA

현대 물리학에서 중력은 아인슈타인의 일반상대성이론으로 기술된다. 이는 관성질량과 중력질량이 같다는 등가원리에서 출발한 것이다. 일반상대론에서는 중력을 시공의 곡률로 인한 현상으로 간주한다. 약한 중력장의 경우, 일반상대론은 뉴턴의 중력 이론으로 수렴한다.

그러나 양자장론에서는 모든 힘을 어떤 매개하는 입자로 설명한다. 여기서, 중력은 스핀이 2인 입자 중력자가 매개하게 된다. 그러나 스핀이 짝수이기 때문에 중력은 인력만 존재하고 척력은 존재하지 않는다. 또 중력자는 질량을 가지지 않아서, 중력은 그 영향 거리가 무한하다. 그러나 일반상대론을 양자화하여 얻어지는 이론은 재규격화 할 수 없어서 단지 효과적 장론(effective field theory)으로서의 가치를 가진다.

오늘날 중력을 양자론으로 설명하려는 여러 양자중력 이론이 있는데 고리양자중력이론(LOQ)와 끈 이론(string theory)dl 대표적인 예다. 우주의 가장 깊은 곳에서 중력은 은하수와 별, 블랙홀을 형성하는데 관여한다. 중력은 거리에 상관없이 작용하면서도 우주에서 가장 약한 힘이다.

약한 힘은 중력이 가장 불가사의한 이유가 되기도 한다. 중력이 행성과 별에 미치는 영향력을 발견하는 것과 같이 쉽게 실험실에서 중력을 측정하기란 어렵다. 예를 들면 양전하를 가진 두 양자들 사이에 존재하는 척력은 중력이 끌어당기는 힘보다 10^36배 강하다. 척력이1에 36개의 0이 따라 붙는 만큼 강력한 것이다.

과학자들은 현대물리학의 꽃이자 물리학에서 다른 세 가지의 기초적인 힘을 설명하는 조금은 오래된 중력을 표준모델에 끼어 넣고 싶어한다. 하지만 아무것도 성공한 적이 없다. 수영장파티에서 왜소한 사람처럼 중력은 아인슈타인의 대규모의 중력만을 설명하는 상대성이론에 들어맞지 않는다. 

“중력은 표준모델에서 설명되는 다른 힘들과는 전적으로 차이가 있습니다.” 일리노이주 페르미입자가속기연구소(Fermilab)의 이론물리학자 마크 잭슨(Mark Jackson)은 말한다. “작은 중력의 상호작용을 계산할 시에는 말도 안 되는 답을 얻게 됩니다. 수학이 들어맞지가 않습니다.”

골칫거리와 같은 중력

숫자는 일치하지 않을 수 있다. 그러나 물리학자들은 중력에 보이지 않는 골칫거리인 그렘린(gremlins, 역자 주- 비행기와 같은 기계에 고장을 일으키는 것으로 여겨지는 눈에 보이지 않는 가상의 존재)이 있다는 추측을 하고 있다. 이것은 중력양자라 불리는 자그마하고 질량이 없는 입자들로 중력장을 발산시킨다.

각각의 가설적인 물질들은 광속으로 우주의 모든 물질들을 끌어당긴다. 그러나 이들이 우주에서 매우 흔하다면 어찌해서 과학자들이 이것을 찾아내지 못했을까?

“우리는 광자처럼 질량이 없는 입자들은 발견할 수 있지만 중력양자는 인지되지 않습니다. 너무나 약하게 상호작용하기 때문입니다. 시카고대학의 우주학자 마이클 터너(Michael Turner)는 말한다. “우리는 단순히 중력양자를 인지하는 방법을 모르고 있습니다.”

그러나 터너는 중력양자에 대한 인류의 궁금증을 낙담하지 않는다. 그는 인류가 결국에는 현재 더 쉽게 발견되는 입자들의 그늘에 가려 탐지하기 어려운 이 입자 일부를 걸러낼 수 있을 것으로 보고 있다. “결국 중요한 것은 기술입니다.” 

과학자들은 아직까지 중력양자를 발견하기 위해 기계의 고기술을 이용하고 있지 않다. 현재 과학자들은 물질에 질량을 부여하며 중력양자의 먼 친척인 입자라 할 힉스입자(Higgs boson, 역자 주- 전기적으로 중성인 불안정한 가상의 입자 )의 존재를 확인하는 데에 집중하고 있다. 

“화장실을 찾아서”

1979년 노벨상 물리학분야 수상자인 쉘던 글래쇼(Sheldon Glashow)는 힉스입자를 입자물리학 표준모델의 “화장실”라 부르기도 했다. 터너 교수는 글래쇼가 이러한 용어를 만든 이유는 힉스입자가 핵심적인 기능을 수행하기 때문이라고 설명한다. 최소한 지적인 방법으로 표준모델을 유지하는 것이다. 

“힉스입자는 정말이지 표준모델과 함께 송수관테이프를 든 배관공과 같습니다. 우아하지 못한 면들이 힉스입자에 감추어져 있습니다.” 그래서 그러므로 당연히, 터너 교수는 중력과 같이 질량에 관련된 다른 힘들을 만들어내는 것이 필요하다고 주장한다. “동시에 힉스입자는 중력을 밝혀내기 쉽지 않기 때문에 답답하게 만들기도 합니다.” 터너 그 입자는 언젠가는 반드시 밝혀질 것이라고 예측하며 이같이 말하였다. 

▲ 과학자들은 물체와 물체간에 중력이 존재한다는 일찍부터 알고 있었다. 그러나 왜 생기는 지에 대해서는 지금까지도 의문이다.  ⓒNASA
 

가속화되고 있는 해답

힉스입자와 같이 알기 어려운 입자를 발견하는 것은 시간여행을 하는 것과 같다. 어마어마한 규모의 기계를 이용하여 입자를 광속에 가깝게 급속히 가속시킨 뒤 상호 충돌시킨다. 엔지니어는 초기 우주 당시 존재했던 놀라운 에너지들을 모방해낼 수 있다. 그래서 초기우주의 입자들은 아주 활동적이어서 함께 붙어서 양자, 중성자 또는 이와 비슷한 것들을 형성하기 어려웠을 것이다. 

과학자들의 웹사이트에 따르면 웹4마일(6.3킬로미터) 의 원둘레를 가진 페르미연구소의 테바트론(Tevatron)입자가속기는 이미 가속화한 데이터에서 힉스입자를 찾아 냈을 가능성도 있다. 

“힉스입자가 발견된다면 한시름을 놓을 것 같습니다.” 터너 교수는 말한다. 하지만 입자가속기가 결국 중력양자를 갑자기 내놓아줄 것인가?

위스콘신 밀워키 대학의 중력이론학자인 사비에 시에멘스(Xavier Siemens)는 파동과 같은 중력의 작용을 보여주는 것이 선행될 필요가 있다고 말한다. “고전적으로 우리는 파동을 측정할 수 있고 파동은 많은 입자들로 구성되어 있습니다.”

그는 중력의 파동과 같은 증거를 관측하는 레이저간섭중력파 관측기(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO))의 회원이기도 하다. “우리는 중력의 파동을 감지함으로써 중력양자가 실제로 존재한다는 것을 밝혀낼 근거가 마련되고 이것을 찾는데 나서게 될 것입니다”. 

“현재로는 과학적 허구로 보일 수 있습니다. 그러나 이론적으로는 우리는 하나의 중력양자를 찾아내야 합니다. 그러나 그 방법은 어렵고 큰 문제입니다.”