양자역학 3강 후기 -표준모형을 중심으로

둥글레
2022-01-25 00:53
558

저번 시간에 박재용샘께서 현대 양자역학을 압축적으로 설명하셨는데요, 나중에는 인풋에 과부하가 걸려 정신이 가출할 지경이었습니다. 갠적으로 양자역학에 대해서는 책 한 권 읽은 게 다라서 (물론 화학에서 배운 게 도움이 되긴 했지만) 책을 읽으면서도 가장 정리가 안되었던 부분이 표준모형이었습니다. 강의 듣고 인터넷도 조금 찾아보니 표준모형 정리가 조금 되더만요.

 

19세기까지는 1)중력2)전자기력 두 가지 상호작용(힘)만 있었지만 현대 양자역학에서 추가된 두 가지 상호작용이 있습니다. 바로 3)강한 상호작용4)약한 상호작용입니다.

 

예컨대 강한 상호작용에 의해 핵 안의 양성자들이 서로를 밀어내는 전자기력보다 더 강한힘으로 서로를 결합시키고 있습니다. 약한 상호작용에 의해 중성자가 양성자로 바뀌면서 전자와 전자 반중성미자를 방출하게 되는 경우입니다. 이 4가지 상호작용을 기초해서 나온 것이 바로 표준모형입니다. 

 

표준모형은 17개의 기본입자로 만들어진 방정식입니다. 그 방정식을 나무위키에서 봤는데 거의 한페이지였어요. ㅜㅜ 암튼 모든 물질은 표준모형에 있는 쿼크(중입자, 6가지)와 렙톤(경입자, 6가지) 그리고 이들의 반입자(또는 반물질)로 이루어져 있습니다. 이 입자들 상호간에는 아까 말한 4종류의 힘이 작동하고 이 힘들을 매개하는 4개의 입자들(Z,W보손, 광자, 글루온) 그리고 힉스입자(또는 힉스보손)가 있습니다.  

 

 

 

원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다는 사실은 이제 잘 아시죠? ㅋ 원자핵을 이루는 양성자와 중성자는 모두 세 개의 쿼크(2개의 위쿼크와 1개의 아래쿼크)로 이루어져 있습니다.

 

전하를 띤 입자들은 모두 전자기적 상호작용을 하는데 이를 매개하는 것은 광자(photon)입니다. 쿼크는 글루온을 교환하며 강한 상호작용을 하고 렙톤과 쿼크는 W, Z보손을 교환하며 약한 상호작용을 합니다. 위에서 말한 양성자간의 강한 상호작용은 양성자를 구성하는 쿼크와 글루온에 힘이 작용합니다. 또 약한 상호작용에 의해 중성자가 양성자로 바뀌는 현상은 아래 쿼크(down quark)가 W- 보손을 방출하며 위 쿼크(up quark)로 바뀌는 과정이고, 여기서 방출된 W- 보손은 곧 붕괴하여 전자와 반중성미자가 된다고 합니다. 

 

 

12개의 입자들이 반입자가 있는 이유는 이들 모두가 분수의 스핀(1/2)을 갖는 페르미온이기 때문입니다. 한편, 스핀이 정수인 입자는 보손입니다. 이 차이로 보손은 겹쳐질 수 있지만 페르미온은 겹쳐질 수 없습니다. 따라서 페르미온 입자들은 파울리의 베타원리를 따르죠.

 

마지막으로 힉스(보손)이 있는데요 힉스입자의 증명은 2013년에 되었다고 하네요. 강의 중에 호수님이 힉스 매커니즘에 의해 입자들에 질량이 생긴다는 것에 인상이 깊으셨다고 말씀하신게 기억이 납니다. (단 광자와 글루온의 질량은 0입니다.) 힉스 매커니즘을 설명하려면 너무 먼 아니 너무 긴 얘기가 될 것 같고 제 실력도 딸리니 대충 얘기하겠습니다. 표준모형에서 물리적 계의 위상 변화(게이지 변화)와 물리법칙의 불변성을 확보하기 위해 게이지 대칭성이 도입되었습니다. 그러려면 입자들의 질량이 0이어야 하지만 약한상호작용 입자들이 0보다 큰 질량을 가지는 게이지 대칭성의 위반이 생긴겁니다. 1964년 영국의 피터 힉스라는 양반이 자발적 대칭성 깨짐이라는 힉스 매커니즘을 가정하여 이 문제를 풀었지만 증명이 된 건 2013년이 되어서 입니다. 힉스 메카니즘은 전체적으론 대칭적이지만 최소 에너지 상태 근처에선 비대칭적인 힉스장이 생겨 원래 존재하던 대칭적이고 질량이 0인 게이지 보손을 질량이 0인 광자(전자기력)와 질량이 큰 3개의 W+, W-, Z입자(약력)로 나뉜다는 것입니다. 힉스 보손과 상호작용을 하는 입자들이 더 무거워지는 겁니다. 이렇게 입자들의 관성질량이 생깁니다. 힉스 매커니즘에 의해 전자기력과 약한 상호작용을 모두 포함한 전자기약력 통일장이론이 가능해졌다고 하네요.

 

그런데 표준모형으로 아직 설명이 안되는 건 중력과 중성미자의 진동(질량)이라고 합니다.

 

양자 중첩과 양자 얽힘에 대해서도 간단하게 강의내용을 정리해보면,

관찰(측정)하기 전까지는 전자가 파동성과 입자성이 중첩되어 있다라고만 알고 있었는데 이번에 스핀 또한 1/2과 -1/2로 중첩되어 있다는 사실을 알게되었습니다. 

 

예컨대 헬륨의 전자 2개는 한 전자의 스핀이 1/2이면 나머지 전자의 스핀은 -1/2이 됩니다. 그 반대의 가능성도 있죠. 따라서 이 두 전자는 각각 중첩된 상태에서 서로 양자적으로 얽혀있는 것이죠.

 

 사실 코펜하겐 해석에 따르면 불확정의 원리에 따라 한 개의 전자를 측정하는 순간 그 전자의 스핀이 정해지고 나머지 전자의 스핀도 정해집니다. 즉 전자의 스핀이 미리 정해져있는 게 아니죠. 다른 말로하면 국소성이 있는 것이 아닙니다. 하지만 우리가 모르는 ‘숨은 변수’가 있을 것이라며 양자 얽힘을 부정하는 사람들(아인슈타인 포함)도 있었습니다만 1982년 알랭 아스페에 의해 양자 역학이 맞음이 실험으로 증명되었습니다. 

 

양자 얽힘을 이용한 양자컴퓨터가 상용화되고 있다고 합니다. 일반 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 이진법이라 경우의 수가 2의 n승이지만 양자 컴퓨터의 경우는 중첩된 두 가지와 스핀 두 가지 해서 4의 n승이 됩니다. 그래서 연산 속도가 훨씬 빠르게 되는 것입니다. 또 양자 얽힘을 이용해서 양자 통신을 하면 해킹이 불가하다는 것도 재미있었습니다. 해킹이 되어 한쪽이 알려지면 다른 쪽도 정해지므로 그 정보는 폐기하게 되니 원칙적으로 해킹이 불가능하다는 말이죠.

 

사실 양자 역학 공부하고 가장 감화받았던 부분이 이 중첩과 얽힘 부분이었어요.

가마솥님이 쓰신 후기처럼 저도 작년에 음양론과 중첩(얽힘)이 비슷하게 여겨졌었거든요.

음과 양은 절대값이 아니잖아요. 항상 서로 대대하는 관계이고 서로 갈마드는 관계이고 상대적이 관계이잖아요.

아무튼 전 올해 황로학과 양자역학을 횡단해볼 작정입니다. 잘 될런지른 모르겠지만요… 

 

아이고 쉬는 날 이틀을 반납하고 일을 하다보니 더 이상의 후기는 무리데쓰...

제가 언급 못한 부분이나 잘못 이해한 부분 있으면 댓글로 부탁드립니다~~

댓글 4
  • 2022-01-25 18:59

    정성스러운  후기 감사합니다. 

    저처럼 과학 문외한이 그나마 강의를 들을 수 있는 것은 매번 강좌 후에 이렇게 올려주시는 후기 덕분입니다. 

  • 2022-01-25 23:16

    쿼크 설명을 듣게되면 쿼크가 '실제 존재하는 입자이다' 라고 생각하시는 분이 많을거 같은데

    쿼크는 실제 존재하는 입자라기보다 현재까지 가장 유력한 모델입니다.

    입자가속기를 통하여 실제로 관측한것은 쿼크 이상의 양성자, 중성자등의 하드론들이구요.

    입자가속기의 발전으로 입자끼리 막 부딪히게 해보니 양성자, 중성자외에도 수많은 새로운 입자들이 생기고 사라지는 것이 관측되었고

    현재까지 약 250종으로 너무 갯수가 많아서 아름답지 않다. 다 표시하기 귀찮아서 그보다 작은 단위가 있다고 가정을 하고

    유사한 모습을 보이는 것들을 요리조리 끼워맞춰서 묶어보니(군론) 6개의 기본입자로 250종을 표현할수 있더라. 

    그래서 그 기본입자를 쿼크라고 부르자는 모델을 제시한거지...쿼크가 발견된게 아닙니다. 

    나중에 양성자를 쪼개는 실험에서 작은 점입자를 발견해서 이게 쿼크의 증거야! 라고 했지만..

    과연...그게 쿼크일지...ㅎㅎ 

    그 실험에 대한 해석에서 쿼크 모델을 만든 머리 겔만은 파인만이 자신의 이론인 쿼크라고 부르지 않고 

    파톤(부분알갱이)이라고 칭해서 맘 상했다고 ㅋㅋ 

    간단하게 만들어 보겠다고 전자의 기본전하 1, -1 을 버리고 2/3, -1/3 같은거 만든것도 별로인듯

    하나도 아름답지 않아! ㅋㅋ

    • 2022-01-27 19:31

      오, 역시 과학은 끊임없이 반박에 반박을 거듭하고, 다시 새로운 가설을 세우는 과정의 연속이군요!

      쿼크에 대한 오해를 짚어주셔서 감사합니다.^^

  • 2022-01-26 09:33

    알면 알수록 모르는게 많다는 사실을 알게 되는 양자역학!

    양자역학만 그런가요, 공부가 다 그렇지!
    공부만 그런가요? 인생이 그렇지!
    그러니까 혼자 못 살고 함께 살려고 하는 게지.

    양자들처럼......반으로 혹은 1/3로 쪼개서라도...ㅎㅎㅎ

     

    둥글레님이 수업시간에 질문들을 하더니만, 선행 학습이 있었군여~~~~ㅎㅎ

    후기 잘 읽었습니다.

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