입자

물리학에서 입자는 점과 같이 작거나 크기가 없는 역학(mechanics) 운동의 기본 단위를 말한다. 이상적으로는 크기가 없고 질량, 위치와 속도등의 성질만을 갖는다. 때때로 물질의 기본 단위를 일컬으며 이를 기본입자 또는 소립자라고 부르기도 한다. 그러나 양자역학에서는 고전적인 의미의 입자는 존재할 수 없다는 것을 보여준다. 또 현대물리학의 발전을 통해 세상 물질을 이루는 기본 단위가 입자가 아닌 끈일 가능성이 제시되고 있다.

일상생활에서는 보통 크기가 작은 물체의 한 단위나 조각을 나타내기도 한다. 예를 들면 꽃가루 입자나 미세먼지 입자가 있다. 이들은 뉴턴역학 관점에서는 점으로 훌륭하게 근사할 수 있는 대상이나, 미시세계를 기술하는 이론에 따르면 수많은 원자들이 뭉쳐 생긴 거대한 분자들이다.

목차

고전역학은 입자들의 집단이 어떻게 움직이고 상호작용하는가로 계(system)가 규정된다. 즉 모든 입자들의 위치와 속도(또는 운동량)을 아는 것이 계를 이해하는 것이다.

이들이 서로 상호작용하는 것은 입자에 질량, 전하등을 부여하여 서로 밀고 당기는 운동역학적으로 이해할 수 있다. 뿐만 아니라 입자가 아닌 확장된 대상 즉 끈이나 강체등도 부분 부분이 입자로 이루어져있다고 생각하면 같은 방식으로 기술할 수 있다. 또한 지구나 태양과 같이 공간적으로 확장된 물체들도 점입자로 근사하여 충분히 정확하게 기술할 수 있다.

그림 1. 입자들의 위치와 속도를 알고 이에 가해지는 힘을 알면 이후 계의 진행을 예측할수 있다.

뉴턴역학에서는 구형 물체를 입자로 다루거나, 일반적인 물체를 입자로 근사하여 운동과 상호작용을 기술하는 것이 계를 이해하는 것이다.

원자론에서는 더이상 쪼갤 수 없는 자연의 기본 단위를 생각한다. 지금까지 실험으로 검증된 기본입자를 소립자라고도 하며, 표준모형을 정의한다. 즉 쿼크와 렙톤이 물질 입자를 이루며, 자연의 기본힘인 전기·약 작용, 강한 상호작용을 매개하는 입자들과 더불어 질량을 설명하는 힉스 입자가 있다.

표준모형은 환원론적으로 이 세상을 설명한다. 쿼크들이 모여 원자핵이 되고, 여기에 전자가 모여 원자가 되며, 원자들이 모여 분자를 만들고, 분자들이 모여 우리가 일상 생활에서 만나는 물질을 이룬다.

그림 2. 물질의 구성()

양자역학에서 모든 입자는 동시에 파동성을 갖는다(파동ㆍ입자 이중성). 따라서 입자의 위치와 운동량이 의미가 없으며 이 양을 동시에 알 수 없다.

양자역학의 기본 단위는 파동함수이다. 여기에 부여되는 성질은 점입자와 비슷하다. 그러나 공간을 점유하는 방식은 다르다. 가령, 파동함수로 기술되는 대상의 위치를 측정하면, 파동함수 절댓값의 제곱이 입자가 존재할 위지에 대한 확률밀도함수를 준다.

세상을 이루는 물질의 기본 단위를 점 대신 끈으로 이해할 수 있다. 끈의 크기가 매우 작으면 전자나 쿼크 크기 세계에서는 근사적으로 점으로 보인다. 그래도 끈은 공간적으로 확장되어 있으므로, 끈 하나에도 다양한 성질을 부여할 수 있다. 입자의 성질인 위치와 운동량 이외에 끈이 콤팩트 공간(compact space)에 감기는 성질이나 끈의 진동을 통해 여러가지 양자수를 설명할 수 있다. 특히, 끈을 양자화하면 양자장론에서 예측하는 양자장을 만들 수 있다. 모든 끈이론은 닫힌끈을 포함하며 중력자를 예견한다. 따라서 끈이론은 중력을 기술하는 양자이론이다. 이외에도 다양한 양자수가 기본입자의 모든 성질을 설명하리라고 기대할 수 있다. 그러나 끈의 존재는 실험으로는 검증되지 않았다.