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태초에 입자가 있었다. 그동안 우리들은 보이는 7일만에 창조한 가시적인 창조물에만 관심을 두었다.
그러나 현대는 미시세계의 보이지 않는 창조물을 점령하는 사람들만이 살아남게 되어 있다. 최신 스마트폰에는 수십억 개에서 수백억 개의 트랜지스터가 들어 있다. 메인 프로세서(AP)와 메모리 칩 등에 아주 작은 크기로 수많이 집적되어 스마트폰의 모든 연산과 기능을 제어한다.
스마트폰의 두뇌 역할을 하는 메인 칩 하나에만 약 100억~200억 개 이상의 트랜지스터가 포함된다. 메모리 및 기타 칩으로 RAM과 저장장치(NAND 플래시), 통신용 모뎀 칩 등까지 모두 합치면 스마트폰 전체의 트랜지스터 개수는 더욱 늘어나 약 300억-500억 개의 수로 늘어난다.
트랜지스터의 크기가 수 나노미터(nm) 수준으로 매우 작아 눈에 보이지 않는다. 그러나 트랜지스터는는 전자의 흐름을 켜고 끄는(Switch) 아주 작은 전자식 스위치 역할을 하여 사진 촬영, 인터넷, 앱 실행 등 모든 작업을 처리한다. 전세계는 보이지 않는 미시세계의 전쟁을 하고 있다.
여기서 밀려나면 국가가 휘청거린다. 독일이 중요한 예이다. 독일의 경제는 무너졌다. 영국, 프랑스도 마찬가지이다. 즉 핸드폰과 반도체, AI의 시장을 점유하지 못하면 경제적으로 추락하게 된다. 유럽의 최고 선진국인 독일의 경제가 무너져 노숙자, 절도자들이 늘어나고 있다.
전세계는 미립자 세계에 관심을 갖고있다. 전 세계는 새로운 원소가 아니라 이미 발견된 원소에 관심을 갖는다. 특히 Si에 관심을 둔다.
118개의 원소
2026년 현재까지 지구상에서 공식적으로 확인된 원소의 개수는 118개이다. 우리가 잘 아는 노벨상을 탄 폴란 출신의 퀴리부부는 라듐을 발견했다.
남편은 유명한 물리학자 피에르 퀴리다. 이 부부는 방사성 원소인 폴로늄과 라듐을 발견했다.
원자의 역사
고대 그리스 철학자 데모크리토스는 기원전 5세기경 스승 레우키포스와 함께 만물의 근원이 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 알갱이인 원자(Atomos)와 빈 공간(허공)으로 이루어져 있다고 주장하며 고대 원자론을 완성했다. 과학적 입증이 있는 것이 아니라 주장만 했을 따름이다.
원자의 역사는 고대 그리스 철학자의 생각에서 시작해 과학 실험을 거쳐 현대 양자역학의 확률 모형으로 발전했다.
오늘날 우리가 사용하는 AI, MRI, 핸드폰도 원자를 연구한 양자역학의 산물이다.
양자 역학이란?
영어단어에 quantity가 있다. quantity는 사물의 양, 수량, 또는 분량을 뜻하는 명사이다. 주로 셀 수 있는 명사와 잘 쓰이지만, 측정 가능한 전체적인 크기나 규모의 양을 나타낼 때도 폭넓게 쓰인다. 품질을 뜻하는 'quality'와 자주 대비된다.
양자의 어원 "quantum"라는 낱말은 라틴어의 "quantus"에서 유래했다. 즉 수량에서 유래한 것이다. 입자의 수량역학이 양자역학이다.
양자역학에서 양자(Quantum)란 에너지나 물리량이 연속적으로 이어져 있지 않고, 더 이상 나눌 수 없는 최소한의 덩어리(단위)로 이루어져 있는 상태나 그 개별 입자 알갱이를 뜻한다.
1. 막스 플랑크
양자역학의 효시는 독일 물리학자 막스 플랑크이다. 1900년 막스 플랑크는 어느날 흑체(black body)에서 나오는 복사 (방사)문제를 연구하면서 에너지가 연속적인 것이 아니라 불연속적인 최소 단위(양자)로 존재한다는 양자 이론을 창시했다.
그러므로 적외선 카메라를 이용한 체온 측정뿐 아니라 태양과 같은 별의 온도 측정에도 ‘흑체(black body)복사’의 원리가 이용된다.
흑체
흑체(Black body)는 입사하는 모든 파장의 전자기 복사(빛과 열)를 반사나 투과 없이 100% 흡수하는 이상적인 가상의 물체이다.
흑체에서 방출되는 에너지는 연속적인 파동이 아니라, 에너지가 띄엄띄엄 떨어진 '에너지 덩어리(양자)' 형태로 방출되므로 입자의 성질을 가진다.
이러한 혁명적인 아이디어로 1905년 아인스타인(Einstein)에 의해 광전자 효과(photoelectron effect)를 설명할 수 있게 된 계기가 되었다.
광전 효과는 금속 등의 물질 표면에 한계 진동수(문턱 진동수)보다 높은 진동수의 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 현상이다. 광전자는 빛의 입자이다. 빛은 질량도 없는데 입자로서의 성격을 갖는다.
광전자 효과 이전에 빛은 파동의 성질만 가지고 있다고 생각했으나, 광전자 효과의 실험적인 증명으로 물리학자들은 빛은 입자이자 파동의 성질을 동시에 가지고 있다는 사실을 알게 되었다.
에너지는 입자로 합쳐진 것이라고 하여 입자물리학의 세계를 연다. 그 이후에도 입자와 파동의 논의가 끝나지 않았다. 이 공로로 1918년 노벨 물리학상을 받았으며 현대 물리학의 문을 연 인물이다.
이러한 양자 개념은 물리학자들에게 미시세계의 특성을 설명하고 이해하기 위한 근본 골조의 일부로 여겨지고 있다.
2. 양성자
전자가 원자핵 주변을 돌며 음(-)의 전하를 띠는 기본 입자라면 양성자(陽性子, 영어: proton)는 +1e인 전하를 가지는 원자를 구성하는 입자다. 전자의 반대 개념이 양성자이다.
양자역학이란 보이지 않는 미시세계의 입자들의 양을 연구하는 학문이다.
양자역학의 응용
양자역학은 반도체, 레이저, 의료용 MRI, 그리고 차세대 기술인 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신, 양자 센서 등 일상 기기부터 첨단 과학까지 아주 넓은 분야에 쓰인다.
대한민국이 내세우는 반도체, 방산무기, 조선, 자동차 등 양자역학이 들어가지 않는 부분이 없을 정도이다. 그래서 지금은 보이지 않는 입자의 전쟁이다.
일본은 노벨 과학분야에서 21명의 수상자를 배출했다. 일본의 힘만으로 성과를 낸 것은 아니다. 일본은 국내파학자들이 많이있고 심지어 지방대 출신이 노벨상을 받기도 했다.
닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 폴 디랙, 알베르트 아인슈타인, 로버트 오펜하이머, 어니스트 로렌스는 모두 노벨상을 받았다.
일본의 노벨상 수상자들
아인슈타인의 수상은 1921년 그가 일본행 배를 타고 있을 때 발표됐다. 그는 과학 열풍을 일본에 선물했다. 그 결과 일본은 수 십명의 노벨상 수상자가 나온다.
이처럼 일본이 입자연구에 전문성을 갖추자, 응용과학과 기술문명으로 이루어져 세계적인 자동차 산업, 전자산업의 중심이 되었던 것이다.
3. 이휘소
불행하게도 아직까지 대한민국은 노벨물리학상, 노벨화학상 한 명 나오지 않고 있다. 가장 유력했던 이휘소박사는 노벨상을 앞두고 자동차 사고로 일찍 타계(1977년)하고 말았다.
그러나 그는 7 명이 노벨상을 받게 하는 노벨상 메이커였다. 그들은 대부분 이휘소의 이론에서 자극을 받아 노벨상을 받았던 것이다.
1979년 노벨물리학상을 받은 압두스 살람은 "현대 물리학을 10여년 앞당긴 천재 이휘소가 있어야 할 자리에 내가 있어 부끄럽다"고 까지 했다.
이휘소는 핵물리학자가 아니라 소립자 물리학자였다. 서울대학교 53학번이었다.
그는 펜실베니아 대학에서 박사학위를 받자 마자 바로 조교수로 취임하였다. 이희소는 아인슈타인에 버금갈정도로 당대 최고의 천재 물리학자였다.
대칭성이 부서진 게이지 이론의 재규격화
이휘소는 한인 역사상 최고의 천재 과학자 중 하나로, 그는 20세기 후반 입자물리학에서 자발적으로 대칭성이 부서진 게이지 이론의 재규격화 문제의 해결에 결정적인 역할을 하였고, Cham 쿼크의 질량을 예측하여 그 탐색에 공헌하였다.
물리학적으로, 재규격화란 어떤 에너지 스케일을 지나면 물리 이론을 더 이상 적용할 수 없기 때문에, 고에너지에서의 무식을 나타낸다. 재규격화라는 이름은 어떤 크기에서, 물리량의 크기(norm)를 다시(re-)세워준다(normalization)는 뜻이다.
즉 게이지 이론의 재규격화는 양자장론 계산에서 발생하는 무한대(∞) 값을 수학적으로 처리해 유한하고 의미 있는 실제 값으로 바꾸는 핵심 과정이다.
양자역학적 계산을 할 때 확률과 에너지를 구하면 불필요한 무한대 값이 나타난다. 대칭성이 중요한 게이지 이론은 기존 방식으로는 이 무한대를 없애기 아주 어려웠다. 이 일을 이휘소가 해내자 그는 물리학자로서 세계적인 명성을 떨친다.
무한대를 해결하지 못하면 이론이 물리적 현상을 제대로 설명하지 못한다.
이휘소, 110편의 논문 발표
이휘소는 물리학자로서 본격적인 활동을 시작한 이래 약 20년간 모두 110편의 논문을 발표하였으며, 이 중 77편의 논문이 학술지에 게재되었다.
그러나 학자들은 원자를 여전히 쪼 갤 수 있다고 판단하고 수학공식으로 계속 입자를 연구하고 있다.
태초에 하나님은 입자를 창조했다. 고대 철학자 데모크리토스의 철학적 주장부터 돌턴, 톰슨, 러더퍼드, 보어를 거쳐 현대에 이르는 원자 모형의 변천 과정을 거쳤다.
4. 돌턴의 원자설
존 돌턴(John Dalton, FRS, 1766년 9월 6일~1844년 7월 27일)은 잉글랜드의 화학자이자 물리학자, 기상학자로서 "같은 원소의 원자는 같은 크기와 질량, 성질을 가진다. 원자는 더 이상 쪼개질 수 없다. 원자는 다른 원자로 바뀔 수 없으며 없어지거나 생겨날 수 없다" 라고 주장한 원자설의 첫 제창자로 알려져 있다.
5. 톰슨의 음극선
1897년 영국의 물리학자 J. J. 톰슨은 진공 유리관(크룩스관)을 이용한 음극선 실험을 통해 질량을 가지며 음(-)전하를 띤 미립자인 전자를 발견했다.
톰슨은 음극선은 질량을 가지며, 음극선이 지나는 길에 바람개기비를 설치하면 바람개비가 회전하고, 장애물을 설치하면 그림자가 생기고, 음극선은 (-)에서 (+)로 직진한다. 자석을 가까이 하면 음극선이 휘어져 전하를 띤다. 음극선이 지나는 길에 전기장을 걸어주면 음극선은 (-)전하를 띤다.
6. 러더퍼드의 양성자
알파 입자 방출 장치를 통해 알파 입자를 발사하고 얇게 편 '금박(Gold Foil)'에 입자를 충돌시킨다. 금박을 통과하거나 튕겨 나온 알파 입자의 경로를 주변에 설치한 형광 스크린을 통해 확인한다.
대부분 (약 99%): 금박을 그대로 직진하여 통과했다. 일부 경로가 조금 휘어져서 통과했다. 극소수 입자가 금박에 정면으로 충돌하여 큰 각도로 튕겨 나왔다. 튕겨나는 현상에 대하여 (+)전하를 띤 알파 입자를 밀어내거나 튕겨내려면, 원자 내부에 강력한 (+)전하를 띤 부분이 존재해야 한다고 판단했다.
대부분 (약 99%): 금박을 그대로 직진하여 통과했다. 일부: 경로가 조금 휘어져서 통과했다. 대부분 입자는 금박에 정면으로 충돌하여도 마이너스 입자가 있기 때문에 잘 통과하였다. 그러나 일부는 튕겨 나왔다. 똑같은 양전하가 있기 때문이다.
7. 채드윅의 중성자
영국의 물리학자 제임스 채드윅은 1932년 베릴륨에 알파 입자를 충돌시키는 실험을 통해 전하가 없고 양성자와 비슷한 질량을 가진 중성자를 발견했다. 이 공로로 그는 1935년 노벨 물리학상을 받았다.
채드윅은 폴로늄에서 나온 알파 입자를 베릴륨 원자에 쏘았다. 이 과정에서 전자기파(감마선)보다 훨씬 강한 에너지를 가진 정체불명의 투과성 복사선이 발생했다.
운동량 보존 법칙을 적용해 계산한 결과, 이 입자는 감마선이 아니라 양성자 무게와 거의 같으면서 전기가 없는(중성인) 새로운 입자임을 증명했다.
원자(atom)는 모든 물질을 이루는 기본 단위이다. 그리스어 '아토모스(atomos)'에서 유래했으며, '더 이상 쪼갤 수 없다'는 뜻을 가지고 있다. 하나님이 만든 원자를 더이상 쪼갤 수 없다는 것이다.
원자(原子, atom)는 화학 원소의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소 입자이다. 중심에는 원자핵이 있고 그 주변은 전자들로 둘러싸여 있다.
원자핵은 양성자와 중성자로 되어 있다. 하나님은 태초에 물질을 창조할 때 그 안에 전자, 양성자, 중성자까지 창조했다. 우리가 모를 뿐이었다.
삼성, SK하이닉스 법인세 8.5조 납부
2026년 삼성전자와 SK 하이닉스가 낸 법인세는 8.5조이다.
반도체와 트랜지스터는 양자역학의 원리를 바탕으로 작동한다. 반도체 안에서 전자의 에너지 밴드 구조와 전류 흐름을 제어하는 기본 원리가 모두 양자역학에 근거하고 있다.
반도체는 전자가 어떻게 움직이는지 다루는 기술이며, 그 근본적인 작동 원리는 미시 세계의 법칙인 양자역학에 완전히 의존한다.
노벨상이 없어도 반도체의 연료인 규소는 하나님의 은혜로 3일에 만든 땅에서 발견되는 SI(실리콘)이다. 사막은 모두 반도체로 구성되어 있다.
대한민국이 노벨물리학상이 한 명 없어도 미시세계를 통하여 먹고 살 수 있는 것은 전적 하나님의 은혜이다.
이제는 전 세계가 입자 전쟁이다. 입자를 만드신 분은 하나님이다. 하나님의 눈을 가질 때 우리는 입자의 속성에 대해서 더 잘 파악하고 이를 현실에 응용할 수 있는 눈을 갖게 되는 것이다.
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