물질의 의미와 이론의 역사

물질의 의미와 이론의 역사

물질의 의미

물질(Matter)은 관측 가능한 우주를 구성하고 에너지와 함께 모든 객관적인 현상의 기초를 형성합니다. 가장 근본적인 수준에서 물질은 쿼크와 렙톤으로 알려진 기본 입자로 구성되어 있습니다. 쿼크는 양성자와 중성자로 결합하고, 전자와 함께 수소와 철 같은 주기율표의 원소 원자를 형성합니다. 원자는 물 분자 같은 분자로 더 결합할 수 있습니다. 그리고 렙톤은 전자를 포함하는 기본 입자의 종류를 의미합니다. 온도와 다른 여러 가지 조건에 따라서 물질은 여러 가지 상태로 나타날 수 있습니다. 이러한 상태는 더 세부적으로 분류해서 그룹화할 수 있습니다. 예를 든다면 고체는 구성 원자들을 함께 묶는 결합의 종류에 기초하여 결정체 또는 비정형 구조를 가진 고체 또는 금속, 이온, 공유체 또는 분자 고체로 나누는 것이 가능합니다. 그러나, 모든 유형의 물질은 아이작 뉴턴의 운동 법칙 세 가지 중의 제1법칙인 관성의 법칙에서 공식화된 관성의 기본 특성을 모두 공유합니다. 이렇게 물체의 질량은 물질이 정지 또는 운동의 상태를 바꾸려는 시도에 즉각적으로 반응하는 것을 방지해줍니다. 즉 이는 변화에 대한 저항의 척도로 볼 수 있습니다. 예를 든다면 거대한 해양선을 움직이게 하는 것은 자전거를 미는 것보다 엄청나게 어렵다는 점이 있습니다. 그리고 또 다른 보편적인 성질은 바로 중력 질량(gravitational mass)입니다. 이는 질량을 가진 물체가 받는 중력에 의해 가지는 질량을 의미합니다.

물질 이론의 역사

이런 물질에 대한 과학자들의 생각은 뉴턴뿐만 아니라 아리스토텔레스의 자연 철학까지 거슬러 올라갑니다. 하지만 물질에 대한 더 많은 이해가 등장한 것은 20세기 초에 나타났습니다. 이는 바로 아인슈타인의 특수 상대성이론으로 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도인 유명한 방정식 E = mc2에 따라 물질과 에너지가 서로 변환될 수 있다는 것을 보여줍니다. 이 변환은 핵분열 중에 일어나는데, 우라늄과 같은 무거운 원소의 핵이 더 작은 총질량의 두 조각으로 쪼개지며 이때 질량 차이는 에너지로 방출됩니다. 그리고 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로도 알려진 중력 이론은 실험적으로 관찰된 관성 질량과 중력 질량의 등가성을 중심적으로 가정하며, 또한 왜곡 사이에서 각 물질이 중력이 어떻게 발생하는지를 보여줍니다. 그리고 물질의 개념은 양자역학에 의해 더욱 복잡해지게 되었습니다. 1900년, 막스 플랑크가 처음으로 언급한 양자역학은 뜨거운 물체에 의해 방출되는 전자기 복사의 특성을 의미하는데 양자적 관점에서 기본 입자들은 작은 공처럼 행동하고 우주에 퍼져있는 파동처럼 행동합니다. 그리고 그 뒤로 물질의 의미에 대한 추가적인 발견은 1930년대에 시작된 천문학 관측에서 일어났습니다. 이는 우주의 많은 부분이 암흑 물질로 구성되어 있다고 얘기하며, 이 보이지 않는 물질은 빛에 영향을 미치지 않으며 중력 효과를 통해서만 감지될 수 있다고 말합니다. 비록 완전히 만족스러운 양자장론의 대통일 이론(grand unified theory, GUT)이 아직도 도출되지 않았지만, 전기 약작용 이론은 힉스 보손으로 알려진 기본 아원자 입자가 모든 알려진 입자에 질량을 가한다고 예측했습니다. 그리고 입자 가속기를 사용한 수년간의 실험 덕에 과학자들은 마침내 2012년에 힉스 입자의 발견을 발표할 수 있었습니다.