전하

자연계에는 4대 기본 힘(four fundamental forces)이 존재한다.

• 강력(strong force), 또는 강한 핵력(strong nuclear force)
  • 4가지 힘 중 가장 강한 힘이다.
  • 원자(atom)는 원자핵(atomic nucleus)과 전자(electron)로 구성되어 있는데, 강력은 원자핵 내부에서 양성자(proton)와 중성자(neutron)를 강력하게 묶어주는 역할을 한다.
  • 매개 입자: 글루온(gluon)
  • 작용 거리: 원자핵 크기 정도의 아주 짧은 거리에서만 작용한다.
• 전자기력(electromagnetic force)
  • 전기장(electric field)과 자기장(magnetic field)의 상호작용으로, 중력보다 강력하고 일상생활에서 보는 대부분의 물리 현상을 설명한다.
  • 전자기력을 일으킬 수 있는 입자를 전하(electric charge)를 가진 입자라고 표현한다. 전자기력은 전하를 가진 입자 사이에서 상호작용하며, 원자 안에서 전자가 원자핵 주위를 돌 수 있도록 붙잡아둔다.
  • 매개 입자: 광자(photon)
  • 작용 거리: 무한대
• 약력(weak force), 또는 약한 핵력(weak nuclear force)
  • 방사성 붕괴 과정(핵분열 등)에서 일어나는 상호작용이다.
  • 입자의 성질을 다른 종류로 바꾸는 역할을 하며, 태양이 에너지를 방출하는 핵융합 과정에도 기여한다.
  • 매개 입자: W 보손 및 Z 보손
  • 작용 거리: 강력보다 더 짧은 아원자 거리
• 중력(gravity)
  • 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 힘으로, 입자 수준에선 가장 약한 힘이지만 거시적 수준에선 우주의 천체를 지배한다.
  • 행성, 별, 은하 등 거대한 우주 구조를 유지한다.
  • 매개 입자: 중력자(graviton, 아직 발견되지 않은 가상의 입자)
  • 작용 거리: 무한대

다만 이러한 4가지 힘은 자연의 절대적인 법칙이라기보단 인간의 해석 규칙이라고 보는 편이 좀 더 정확하다.

본래 전기력과 자기력은 다른 것으로 여겨졌으나 전자기력으로 통합되었고, 현대물리학에선 전자기력과 약력을 통합하는 전약력 개념 또한 존재한다.

힘이 작용하는 영역을 장(field)이라고 한다. 장 통합 이론 시도에 따라 다른 이름이 붙는다. 전자기력과 중력을 통합하려는 걸 통일장 이론(unified field theory)라고 하고, 전자기력과 강력과 약력을 통합하려는 걸 대통일 이론(grand unified theory)라고 한다.

4대 기본 힘을 모두 통합하는 걸 모든 것의 이론(theory of everything)이라고 하는데, 이는 ToE(TOE)로 줄여서 자주 부른다. 현대물리학은 대통일 이론(GUT, 전자기력+강력+약력)에는 나름 가까워지고 있으나 중력을 통합하는 데에 애를 먹고 있다고 한다. 대표적인 가설적 ToE로는 끈 이론(string theory)이 있으며 초끈 이론(superstring theory)라고도 부른다.

양전하와 음전하

일반적으로는 다음과 같이 알려져 있다.

• 원자: 원자핵과 전자를 품은 입자
  • 원자핵: 양성자와 중성자가 합쳐진 입자 (양전하를 띰)
    • 양성자: 양전하를 띠는 입자
    • 중성자: 질량은 있으나 전하를 띠지 않는 입자
  • 전자: 원자 내부에서 원자핵 주변을 도는, 음전하를 띠는 입자

여기서 양전하(+)가 무언가 추가가 된 상태이고, 음전하(-)가 무언가 결여된 상태인 것처럼 오해하기가 쉬운데, 핵심은 그것이 아니고 서로 부호가 달라 인력을 일으키는지 또는 부호가 같아 척력을 일으키는지 그뿐이다.

예를 들어 나침반을 보면 N극이 있고 S극이 있다. 그리고 N극은 보통 빨갛게 표현되고, S극은 자석에서 파랗게 표현되거나 아니면 나침반에서 흰색으로 자주 표현된다.

그러나 그 각각의 명칭이 꼭 N극, S극이거나, 색이 꼭 그렇게 될 필요가 있었는가? 그렇지 않다는 것이다. 플러스(+)와 마이너스(-)로 정의된 양전하와 음전하도 마찬가지다.

그리고 한 가지 특이한 점은, 은연 중에 N극의 성질이 북극의 성질과 같다고 내심 생각하기 쉬운데, 사실 부호가 달라야 인력이 생기는 점을 감안해 보면 북극은 S극을 띠고 남극은 N극을 띤다. 처음에 전자기장에 대해 생각해 보았을 때 반직관적일 수 있는 사실 중 하나다.

전자와 음전하

전하(electric charge)가 흐를 경우 그것을 전류(electric current)라고 표현한다.

전자기장에서 또 한 가지 반직관적인 사실 중 하나는 부호만 생각하면 사실 물리적인 무언가가 플러스 기호에서 마이너스 기호로 흘러야 할 것 같으나, 구조적으로는 ‘전자’가 이동하는 것이기 때문에 사실 물리적인 무언가는 마이너스 기호에서 플러스 기호로 흐른다는 점이다.

전자를 플러스 기호로 표현하면 좋았겠지만, 벤자민 프랭클린이 전기적 현상을 발견했을 때는 인력과 척력 같은 현상만 관찰 가능할 뿐 내부적으로 무슨 변화가 일어나는지는 알 방법이 없었다.

그런데 수학적으로 부호를 사용하면 계산이 성립하긴 하니 사실상 찍듯이 부호를 정해야 했는데, 나중에 알고 보니 사실 음전하를 부여했던 전자가 이동하던 것이라서 어찌 보면 부호 찍기에 실패했다고 볼 수 있는 것이다. 그러나 그러는 사이 전자기학은 너무 굳어져서 바꿀 타이밍도 놓치고 말았다. 이는 그냥 음전하가 전자라는 점을 떠올려 익숙해지는 수밖에는 없다.

관련 문서

• 전류