힉스입자에 대한 포스팅을 끝냈다고 생각을 했는데 제 설명이 아직 부족해서 모든 궁금증을 해결해드리지 못했나봅니다.

댓글에 아래와 같은 질문이 달려서… 오늘은 이에대한 포스팅을 하려고 합니다.

이렇게 세 가지 입니다.

질문은 4월29일에 하셨는데 한달이 지나서 답변을 드리게 되네요 ㅜ.ㅜ

답변이 너무 늦어서 정말 죄송합니다.

변명을 좀 하자면 블로그를 깔끔하게 개편하고 수익을 내기 위해 광고글도 써 보고… 이런 저런 실험들을 하다가 블로그가 네이버에서 검색이 안 되는 상황에 처해버려서 이거 처리하는데 너무 많은 시간이 걸렸습니다. ㅜ.ㅜ 아직도 처리가 완벽히 되지 않아서 블로그 조회수가 막 떨어지고 있어요 ㅋㅋㅋ

어떡하지?ㅜ.ㅜ

불쌍하면 제 블로그에서 다른 글도 읽어주시고 댓글 좀 많이많이 달아주세요 ㅋㅋㅋ

댓글 많으면 블로그 다시 살아난대요~ ㅋㅋ ㅜ.ㅜ

암튼 댓글로 받은 질문 중에서 제가 잘 몰라서 대략적인 설명밖에 할 수 없는 2번과 3번 질문에 대한 답을 먼저 드리고 스핀양자수에 대해서 집중적으로 다뤄보겠습니다.

2. 암흑물질은 페르미온인가?

이에 대한 답변은 정말 아무도 모른다는 것 입니다.

우리가 눈으로 보고 몸으로 느낄 수 있는 물리법칙들은 관측 결과를 가지고 분석을 해서 이론을 만들고, 그 이론을 다듬으면서 진실을 향해 나아 갈 수 있습니다.

그런데 암흑물질은 말 그대로 아무것도 모르는 상태라서 이름도 암흑물질인 것 입니다.

이 우주에서 우리가 알고 있는 물질은 약 3~4%정도밖에 되지 않습니다.

나머지 96%이상은 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져있는데 어떤 물질인지, 어떤 물리법칙을 따르는지도 정확히 알 수 없기 때문에 저도 섣불리 답변을 할 수 없는 부분입니다.

즉, 암흑물질은 페르미온인지 보존인지 아니면 이 둘과 완전 다른 성질을 가진 입자인지 알 수 없는 상태입니다.

3. 질량과 공간의 일그러짐의 관계는 힉스메커니즘으로 어떻게 설명이 되는가?

힉스메커니즘과 중력과의 관계도 정확히 밝혀진 것이 없는데 힉스입자가 힉스장의 들뜬상태인 것 처럼 질량이 있는 물체가 만들어 내는 중력장도 들뜬상태를 만들면 중력자가 나올것이라는 아이디어가 있는데 이 부분도 아직 정확히 알고있는 부분이 없습니다. 즉, 중력에 대한 이론과 힉스메커니즘에 대한 이론 모두 연구중인 이론들이라서 정답이라는 것이 없는 상태입니다. 질문 해 주신 부분이 밝혀지기까지는 시간이 꽤 오래 걸릴 것 같습니다.

1. 스핀양자수가 무엇을 뜻하는가?

스핀양자수는 절대로 전자나 광자가 얼만큼 회전하고 있는지를 표현하는 양자수가 아닙니다.

이는 실험을 통해서 나온 결과를 해석하기 위해 편의상 약속 해 둔 양자상태라고 이해하는것이 더 정확합니다.

스핀양자수는 Stern-Gerlach(슈테른-게를라흐)실험을 통해서 나온 개념인데요 그 실험은 이렇습니다.

여러분 초딩때 분광기 가지고 놀아보셨죠?

빛의 스펙트럼을 분석한다고 얇고 긴 구멍이 나 있는 통을 이용해서 햇빛과 형광등 불빛을 관찰 한 경험이 있을 것입니다.

햇빛을 관찰하면 위와 같이 스펙트럼이 연속적으로 나오고

형광등은 이렇게 선 스펙트럼이 나온다는 사실을 알고 계시죠?

우리가 초딩때 분광기로 관찰 한 것은 양자역학에서 "주양자수"에 해당하는 부분을 관찰 한 것입니다.

파란색 선 스펙트럼은 주양자수가 3인 빛, 녹색은 2인 빛, 빨간색은 1인 빛… 이렇게요!

그리고 이 각각의 선 스펙트럼에 자기장을 걸어서 또 분광시키면 하나의 선이었던 스펙트럼이 더 세밀하게 분리됩니다.

그런데 여기서 중요한 포인트가 있습니다.

우선 실험을 위해서 자석을 아래와 같이 셋팅을 합니다.

그 다음 이 길다란 자석이 만들어내는 틈 사이로 조그마한 자석들을 여러 방향으로 통과시켜보겠습니다.

우선 아래와 같이 일자로 서 있는 형태의 자석을 통과시키면

그 결과는 아래와 같이 위쪽으로 쏠려서 이동하겠지요?

반면 수평 방향의 자석은 위쪽과 아래쪽에 동일한 자기력을 받아서 아래와 같이 일직선으로 뻗어나갈 것이고

첫번째 자석과 반대 방향으로 서 있는 자석은 아래와 같이 아래쪽으로 휘어진 경로로 이동 할 것입니다.

즉, 자석의 방향에 따라서 도달하는 위치는 아래 그림과 같이 연속적인 값이 나오겠죠?

일상 생활에서 이러한 실험결과는 얼마든지 예측이 가능합니다.

자석을 세워서 던질 수도 있고, 눕혀서 던질 수도 있고, 대각선으로 던질 수도 있잖아요?

그런데!!! 이 실험장치에 자석이 아니라 원자를 통과시키니까 아주 이상한 결과가 나왔습니다.

위의 그림과 같이 딱 두 가지 방향밖에 나오지 않았지요!

중간에 위치하는 자기상태가 하나도 없이 딱딱 끊어져서 나온 것 입니다.

즉, 원자의 자기상태도 "불연속적인 양자상태"라는 의미이지요

그래서 위쪽 방향과 아래쪽 방향 두 가지 상태의 자기상태를 화살표로 표시하는데 여기에 스핀이라는 이름을 붙인 이유는 과학자들이 이 현상을 어떻게 해석해야하나… 하고 고민하다가 전자가 시계방향으로 자전하면 위쪽 방향의 자기장이 생기고 반시계방향으로 회전하면 아래쪽 방향의 자기장이 생기겠구나!!

이런 현상이 일어나는 이유를 전자의 자전으로 설명하면 될 것 같으니까 이것들의 이름을 스핀양자수라고 정하자!

이런 것이지요!

그런데 원래 전자는 점입자이고 수학적으로 점은 어떤 부피를 차지하고 있는 개념이 아니기 때문에 자전을 할 수도 없습니다. 전자가 진짜로 자전을 해서 이름이 스핀양자수인것이 아니고 이런 실험을 통해서 나온 결과에 따라 편의상 스핀양자수라고 부르기로 한 것입니다.

그런데 입자의 종류에 따라서 파울리의 배타원리를 따라서 페르미-디락 통계로 분석해야 하는 입자가 있고, 파울리의 배타원리를 따르지 않고 서로 양자상태가 겹쳐도 되는 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 입자가 있다는 것을 발견하고 이 두 입자를 수학적으로 구분하기 위해서 수학적으로 모델링 한 후에 페르미온에는 반정수 값의 스핀양자수를 부여하고, 보존에는 정수값의 스핀양자수를 부여했더니 수학적으로도 아주 잘 맞는 이론이 완성된 것입니다.

그래서 이제는 입자들이 정리된 표를 보고 스핀값이 반정수값이면 페르미온, 스핀값이 정수값이면 보존! 이렇게 바로 알 수 있는 것이고 실제로는 실험을 통해서 편의상 약속한 개념입니다.