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  the Manster(2007-07-21 22:12:59, Hit : 1269, Vote : 348
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 입자우주론이 뜨고 있다

물질을 구성하는 가장 작은 단위들이 어떻게 우주의 형태와 운명을 결정해왔는지 연구하는 입자우주론(particle cosmology)은 오늘날 물리학에서 가장 뜨거운 주제 중 하나다. 최근 몇 년간 이 분야에 미국 에너지부(Department of Energy), 미 국립과학재단(National Science Foundation), 미국항공우주국(NASA)에서 5억 달러나 되는 연구비를 지원했다.  

우주 역사 속에서 그 최초의 순간 우주를 격동시키고, 그후 수십억 년 동안의 우주 진화에 영향을 끼친 고에너지입자들의 상호작용에 대한 과학자들의 이해는 매우 빠르게 발전해왔다. 입자우주론의 극적인 성공은 이 연구 분야가 30년 전만 해도 존재조차 하지 않았다는 사실 앞에서 더욱 놀랍다.

** 30년 전만 해도 존재조차 않던 분야

그렇다면 입자우주론이 왜 나타났을까. 1970년대 중반, 과학자들은 초기 우주 연구가 실험실에서는 재현할 수 없는 고에너지 세상의 주목을 받는 데 도움이 되었다. 입자우주론의 신속한 출현은 정부예산과 교육제도, 심지어 교과서 출판이 어떻게 연구방향을 급속하게 변화시킬 수 있는지 말해준다. 또 이 시기의 역사는 연구자들이 친숙한 주제를 떠나 새로운 도전을 시작할 때 과학이 엄청난 열매를 거둘 수 있다는 사실을 보여주고 있다.

이 이야기를 풀어가는 한 가지 좋은 방법은 두 가지 장(field)의 역사에 초점을 맞추는 것이다. 그중 하나는 중력 전문가들이 창안한 브랜스-디키장(Brans-Dicke field)이며, 다른 개념은 입자물리학자들이 골머리를 앓으며 내놓은 힉스장(Higgs field)이다. 두 연구진 모두 1950년대 후반에서 1960년대 초반 사이에 수많은 과학자의 상상력을 발휘시켰던 문제-왜 사물은 질량을 갖는가-에 대한 답으로 이러한 개념들을 창조했다. 비록 이 두 이론이 입자물리학과 우주론의 결합을 이끌어내지는 못했지만, 그 이론들의 발전 과정은 어떻게 두 갈래의 연구 분야가 한데 모아지는지 보여준다.

질량은 그에 대한 설명이 필요치 않다고 생각될 정도로 물질의 명백한 성질로 보인다. 그러나 현대물리학의 다른 아이디어들과 모순 없이 질량에 대한 설명을 찾는 것은 결코 쉬운 일이 아니라는 사실이 증명되었다. 중력과 우주론 전문가들은 이 문제를 ‘마흐의 원리’(Mach’s principle, 우주론에서 가속도운동을 하는 천체의 관성력(慣性力)은 우주에 있는 물질의 양과 분포에 따라 결정된다는 가설. 모든 운동은 상대적이며 우주의 평균질량분포가 정지 상태의 표준임을 주장한다)라는 틀로 접근한다.

마흐의 원리는 오스트리아의 물리학자이자 철학자인 에른스트 마흐(Ernst Mach)의 이름을 딴 것으로 마흐는 뉴턴에 대한 비평가로 유명하며, 젊은 앨버트 아인슈타인에게 영감을 주기도 했다. 마흐의 원리는 다음과 같이 표현할 수 있다. 사물의 질량은-운동 변화에 대한 저항력의 척도-궁극적으로 그 사물과 우주의 다른 모든 물질과의 중력상호작용으로부터 유도된다. 이 원리는 아인슈타인의 흥미를 돋우고 그의 사고를 자극했지만 그의 일반상대성이론(general theory of relativity)은 결국 그로부터 벗어난 것이었다.

마흐의 원리를 중력이론과 결합하기 위해 과학자들은 모든 유형의 물질과 상호작용하는 새로운 스칼라 장(scalar field)의 존재를 가정했다(스칼라장은 시간과 공간상의 각 점에서 하나의 값만 갖는다). 1961년 프린스턴 대학교의 대학원생이었던 칼 브랜스와 그의 논문 지도교수였던 로버트 디키는 아인슈타인의 일반상대론에서 중력의 세기가 뉴턴의 상수 G에 의해 고정된다고 지적했다. 아인슈타인에 따르면 G가 지구상에서 같은 값을 갖는 것과 마찬가지로 가장 멀리 떨어진 은하에서도 같은 값을 가지며, 그 값이 시간에 따라 변하지도 않는다. 브랜스와 딕은 또 다른 가능성으로 뉴턴상수가 시간과 공간에 따라 변하는 경우에도 마흐의 원리가 만족한다는 사실을 보였다.

한편, 훨씬 더 큰 입자물리학자 집단 속에서는 질량에 대한 문제가 다른 형태로 나타났다. 1950년대에 들어서면서 이론물리학자들은 아원자입자들의 행동을 지배하는 방정식에 특별한 종류의 대칭성을 부여함으로써 핵력(nuclear force)의 효과를 설명할 수 있다는 사실을 발견했다. 그러나 이 방정식에서 대개 입자의 질량을 나타내기 위해 포함된 항들이 특수한 대칭성들을 위배했다.

많은 물리학자는 아원자입자에 작용하는 힘의 대칭적인 특성을 설명함과 동시에 질량을 가진 입자들도 편입될 수 있는 이론을 공식화하기 위해 이 문제를 집중적으로 연구했다. 1961년, 당시 케임브리지 대학교에 있던 제프리 골드스톤은 아원자입자들의 행동을 지배하는 방정식의 해는 방정식 자체가 만족하는 대칭성을 따를 필요가 없다는 사실을 알아차렸다. 1964년 에든버러 대학교의 피터 힉스는 골드스톤의 연구를 수정하며 자발적으로 대칭성이 붕괴(spontaneous symmetry breaking)하는 이론이 질량을 가진 입자의 존재를 허용할 것이라는 사실을 발견했다. 질량은 약한 핵력을 생성하는 소립자들도 포함한 모든 유형의 입자와 φ장 사이의 상호작용의 결과 나타난다. 힉스는 이 상호작용을 결정하는 방정식이 모든 필수적인 대칭성을 만족한다는 것을 증명했다.

** 입자가속기 건설 백지화로 타격

빅뱅의 최초 몇 분간은 입자물리학자들에게 지구상에서는 재현이 불가능한 고에너지 상호작용을 관측할 수 있는 기회를 제공해주는 ‘유일한 가속기’가 될 수 있기 때문이다. 다수의 과학자, 저널리스트, 철학자, 역사가들은 이러한 과학적인 발전이 입자우주론의 등장을 설명해준다고 지적했다.

역사가 다시 반복될 것인가? 입자물리학은 1990년대에 다시 심한 타격을 입었다(특히 텍사스에 건설 중이었던 거대한 입자가속기인 초전도 슈퍼 충돌형가속기(Superconducting Super Collider)의 건설계획이 백지화된 것이 큰 이유다). 미국의 연구비 지원도 그 이후 계속 감소하고 있다. 아마 끈이론(string theory)의 주창자들과 그와는 다른 방식으로 접근하려는 사람들이 경쟁하면서 달궈진, 이론물리학이 나아가야 할 방향에 대한 오늘날의 격렬한 논쟁은 마지막 시련 이후 이 분야를 흔들고 있는 성장통과 같은 증상일 것이다.

물리학자들은 현재 예정된 여러 프로젝트에서 새로운 결과가 내년 중으로 온라인상에 올라오길 기대하고 있다. 주목받는 프로젝트는 스위스에 있는 거대강입자충돌형가속기(Large Hadron Collider)와 감마선관측 광역우주망원경(Gamma-Ray Large Area Space Telescope), 그리고 전례가 없는 높은 정확도로 우주배경복사를 관측할 플랑크위성(Planck satellite)이다. 약간의 행운이 깃든다면 고에너지 물리학은 다시 30년 전처럼 약동하면서 활기가 넘치는 시기를 맞이할 것이다.

박성근〈고대 물리학과 교수·사이언스 올제 발행인〉





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