힘 2, 기본적인 힘

개념 파악
앞의 문장에서 "가속되지 않는"이라는 용어와 "같은"이라는 용어는 함께 불어 다닌다.

왜 그럴까? 그림 5-8의 짐이 위쪽으로 가속된다면 중력과 장력의 크기를 비교하면 어떻게
될까? 점이 케이블에 정지 상태에서 달린 대신에 일정 속력으로 위쪽으로 운동하고
있다면 이 힘들은 크기가 상대적으로 다를까?

 

힘 2

짐차를 끄는 힘, 의자가 몸에 작용하는 위로의 힘, 배트가 야구공에 작용하는 힘, 

그림 5-8에서의 케이블의 힘, 두 물체 사이의 마찰력과 같은 힘들을 접촉력

(contact force)이라고 부른다. 이유는 한 물체가 다른 물체와 직접 접촉하여서

힘을 작용하기 때문이다. 반면에 중력, 전기력, 자기력과 같은 힘들을 원격 작용력

(먼 거리 작용력, action-at-a-distance force)라 하는데, 이유는 지구와 달 사이의 

중력과 같이 이들은 외견상 떨어져 있는 물체들 사이에 작용하기 때문이다. 

실제로 이들 두 형태의 힘 사이의 구별은 뚜렷하지 않다. 미시적 수준에서는

접촉력이라고 말하는 것은 의자와 인체와 같은 거시적 물체를 구성하는 입자들

사이의 원격 전기력과 관련된다. 그래서 원격이라는 개념은 그 자제가 이해 

곤란한 것이다. 지구와 같은 물체가 어떻게 공간 거쳐서 어떻게 연락을 취하여 

달을 끌어당길 수 있을까? 나중에 이 난점을 해결하는 데 도움이 되는 복잡한 

방법을 다루게 될 것이다.

 

기본적인 힘
방금 너무 많은 힘들 ―중력, 접촉력, 마찰력, 전기력, 장력과 압축력, 자기력―
을 열거했다. 얼마나 많은 중류의 힘이 존재할까? 실제로 물리학자들은 어떻게
하는지 아직 모르지만 단 한 개의 힘만이 존재한다고 믿는다. 현재 물리학자들
은 중력(gravitational force), 전자기 약력(electroweak force), color force의

세 개의 기본적인 힘을 인정하고 있다. 이들 각각은 과거에는 다르다고 

생각했던 다른 힘들을 포함한다. 공통적이고 보다 기본적인 힘의 관점에서 

겉보기에는 관련성이 없는 힘들의 통일(unification)은 물리학의 역사상

주된 과제가 되어왔고 최신 물리학의 중심 문제이다(그립 5-9). 나중에 

23~34장에서 전기와 자기와의 통일을 탐구할 것이다. 마지막 장에서는 

기본적인 힘들과 그 동일의 전망에 대해서 보다 상세하게 고찰한다. 여기서는 

단순히 각 힘을 소개하고 간략하게 설명하기로 한다. 중력은 모든 몰질 사이에 

작용하는 인력이다. 지구가 미치는 중력으로 잘 알고 있다. 그러나 중력은 

기본적인 힘들 중에서 가장 약하며 가장 이해가 안 되는 현실일 것이다. 

그러나 중력은 항상 인력이기 때문에 그 효과는 누적된다. 그래서 행성에서부터 

은하계와 우주 자체에 이르기까지 큰 물체의 구조를 결정하는데 중력이 지배적인 

역할을 한다. 다음 장에서 지구 중력을 간단히 살펴보고 9장에서는 중력을 보다 

일반적으로 탐구할 것이다.
전자기 약력(electroweak force)은 전자기력(electro-magnetic force)과 소위 약 핵력
(weak nuclear force)'을 포함한다. 접촉력, 마찰력, 장력, 근육의 힘, 원자와 분자

수준에서 보통 물질을 유지하는 힘 등 실제로 일상생활에서 접하는 중력이 아닌 

모든 힘은 전자기력이다. 약 핵력은 별로 뚜렷하게 나타나지 않으나 어느 

원자핵이 안정하고 어느 원자핵이 방사성인가를 결정하는 데 도움을 주기 때문에

중요하다. 특히 약력과 관련되는 과정들은 태양 중심부에서 일어나며 우리의 삶을

지탱시켜주는 태양 에너지를 생성하는 데 도움을 준다.

전자기력과 약력을 공통적인 전자기 약력으로 연결하는 이론은 1970년대에

개발되어 1980년대에 실험적으로 확인되었다; 그 이전에는 물리학자들은 네 개
기본적인 힘을 나열하였다. 1세기 훨씬 전인 1860년대에는 전기와 자기의 통일이 

있었고 이 통일에 관해서 23~34장에서 집중적으로 다룬다.

세 번째의 기본적인 힘은 원자핵이 어떻게 형성되는가를 설명하기 위해서
1930년대에 제안되었다. 이것은 최초에는 핵력(nuclear force) 또는 약한 핵력과 

구별시키기 위해서 강한 핵력이라고 종종 불렀고, 개개의 양성자들과 중성자들

사이의 힘과 관련된다. 오늘날 양성자와 중성자가 쿼크(quark)라고 부르는 보다 

단순한 입자들의 복합체인 것을 알고 있다(그림 5-10). 쿼크 사이의 힘을 

color force라고 부르는데, 시각 현상인 색과는 무관하다. 중성자와 양성자를 

핵으로 결합하는 힘은 지극히 강한 color force의 부산물 같은 표현이다.

비록 color force가 일상생활에서 뚜렷하지는 않지만 가장 기본적인 단계에서

물질의 구조를 결정한다. 

color force의 세기가 약간만 달라져도 헬륨보다 복잡한 원자는 존재할 수 없을 것이며, 

우주는 생명도 없는 전혀 다른 모습이 될 것이다.
비록 세 가지 기본적 힘이 물리 세계에 일어나는 모든 사물의 근저를 이루고
있으나, 거시적 규모에서 힘과 운동을 고찰한다는 중력을 제외하고는 기본적인 

수준에서 힘을 거의 고려하지 않아도 된다. 대신에 승용차 타이어의 마찰력, 스키와 

눈 사이의 접촉력, 비행기 날개에 작용하는 공기의 힘, 등산용 밧줄에서의 장력 등을 

다룰 것이다. 철학적으로는 이 모든 힘이 세 가지 기본적 힘의 표현(대부분이 

전자기 약력의 전자기 표현임)이라 생각하는 것이 좋겠지만, 실제 문제를 푸는데 

있어서 그러한 지식을 이용할 필요는 없다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 59 힘의 통함은 물리학의 역사에서 추된 연구 과제였다. 전자기 약력과 색력의
대통합이 곧 이루어질 것 같다. 그러나 중력과 다른 힘들을 결합시키는 '완전 통일이론
(heory
이 everything)"은 매우 면 장래의 목표이다.