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척력
척력(repulsive force)은 두 물체 사이에 보이지 않지만 서로 밀어내는 힘을 의미한다. 반대로 서로 끌어당기는 힘인 인력이 있다. 밀어내기 때문에 반발력이라고도 부른다. 분자 세계에서 양전하/양전하나 음전하/음전하의 같은 전하가 전기력으로 서로 밀어내는 힘이나 자석의 N극/N극, S극/S극의 같은 극이 자기력으로 서로 밀어내는 힘도 척력에 해당한다. 기본적으로 거리가 가까울수록 세고 멀수록 약해지며, 각각 물질간 작용하는 힘에 따라서 비례관계가 나타난다. 예를 들면 전하 간 작용하는 전기력의 식은 다음과 같다. F = q₁q₂/4πr²( q₁, q₂각 전하의 전하량, = 전하 간 거리) 따라서 전기력은 전하간 거리의 제곱에 반비례한다.
전기력
고전적인 전자기학에서 부호가 같은 전하 q₁과 q₂가지고 거리 r₁₂만큼 떨어진 두 점전하 사이에 서로 미는 전기력이 작용하고 크기는 아래와 같다.
F = k(|q₁| |q₂|/r²₁₂)
그림 1에서와 같이 척력의 방향은 두 전하를 연결하는 직선 상에서 서로 미는 방향이다. 점전하가 아닌 전하의 분포가 있을 때는 전기력의 벡터적 합성으로 최종 힘의 크기와 방향을 구할 수 있다.
임의의 공간에서 전기력의 방향은 양의 테스트 전하가 받는 힘의 방향으로 정의되므로, 힘의 방향을 연결한 선인 전기장선은 양의 전하에서 나와서 음의 전하로 들어가게 된다. 이를 이용하면 같은 전하인 경우 척력이 작용함을 쉽게 이해할 수 있다. 예로서, 그림 2처럼, 두 양의 전하가 존재할 경우 각 전하에서 나온 전기장선은 모두 밖으로 향하므로 두 전하 사이 공간에서 전기장선 밀도가 높아져 서로 밀치게 된다. 높아진 전기장선 밀도는 높은 퍼텐셜 에너지를 의미하는데, 이 공간에 상대적으로 많은 전기에너지가 축적된 것을 의미한다. 자연은 가능한한 낮은 전기에너지 상태로 돌아가려는 성질이 있으므로 두 전하를 밀어내게 된다.
그런데 이 전기력은 아인슈타인(A. Einstein, 1879-1955)의 상대성이론을 만족시키지 않는다. 현대 물리학에서는 전기력을 진공 자체의 전기적 성질 변화를 통해 이해한다. 예를 들면, 전하가 q₁인 입자의 존재는 주위 진공 자체의 전기적 성질에 변화를 준다. 전하가 q₂인 입자가 전기적 성질이 변한 진공에 놓여질 경우, 변화된 진공에 의해 결과적으로 전기력을 받게 된다. 전기력의 원인이 되는 진공의 전기적 성질 변화를 전기장으로 나타낸다.
자기력
두 자석의 같은 극 사이에는 척력이 작용하고, 다른 극 사이에는 인력이 작용한다. 고전적인 전자기학에서 자석은 북극(N)과 남극(S)은 독립적으로 존재할 수 없고, 항상 쌍을 이루고 있다. 자석 외부 임의의 공간에 테스트 자석을 놓았을 때 N극이 가리키는 방향을 연결한 선이 자기력선이므로 자기력선은 N극에서 나와서 S극으로 들어간다. 두 N극이 가까워질 경우, 사이 공간의 자기력선 밀도가 높아져서 상대적으로 많은 자기에너지가 축적된다. 낮은 에너지 상태로 돌아가려는 자연의 성질에 의해, 두 N극 사이에는 척력이 작용한다.
중력
아인슈타인의 상대성이론에서 질량은 정지한 물체가 가진 에너지로서 다른 형태의 에너지로 변화도 가능하며, 질량은 0이지만 에너지를 가지는 빛도 중력을 받아 휘는 것이 이론 및 관측으로 확인되었다. 양의 에너지를 가지는 빛을 포함한 입자들 사이에 작용하는 중력은 인력이다. 그런데, 현대물리학에서는 음의 에너지(질량)를 가진 상태의 경우 중력 만으로도 척력이 발생할 수 있음을 보여주고 있다. 그림 3은 음의 에너지 상태에 의한 카시미어 효과를 보여주고 있다.
음의 에너지 상태
현대물리학에서 중력은 시공간(진공)의 기하학적 변화로 설명된다. 그림 3에서 평행한 두 판 사이의 진공을 생각하자. 양자역학에 의하면 진공은 무한한 가능성의 공간이며 진공의 특성은 새로운 입자 및 반입자의 생성 등으로 확인될 수 있다. 그런데, 두 판 사이의 유한한 거리 조건으로 인하여 두 판 사이 진공과 바깥쪽의 진공에 차이가 발생한다. 그림 3에서 바깥쪽의 진공에 비해 두 판 사이 진공에서는 긴 파장의 변화는 만들어 질 수 없으므로, 상대적으로 두 판 사이 공간의 진공에너지는 줄어들게 된다. 두 판이 없는 원래 진공에 비해 두 판 사이 공간의 에너지가 낮아졌으므로, 상대적으로 음의 에너지 진공 상태가 형성된 것이다. 이로 인하여 두 판 사이에, 고전적인 중력과 전자기력 외에, 진공의 변화로 인한 여분의 힘이 작용하는데, 이 현상을 카시미어 효과(Casimir Effect)로 부르며 이론 및 실험으로 확인되었다.
만약, 그림 3에서 두 판 사이에 존재하는 음의 에너지 상태와 비슷한 '독립된 음의 에너지 상태'가 유지될 수 있다면 두 판 사이 거리보다 긴 파장의 변화는 음의 에너지 상태로 들어올 수 없다. 즉, 변화된 진공의 특성에 의해 척력의 효과가 발생하는 것이다. 하지만 지상의 자연스러운 조건에서 독립된 음의 에너지 상태는 지속적으로 유지될 수 없다.
《인터스텔라》영화 속에 나오는 웜홀은 음의 질량 상태를 가정한 것으로, 일반상대성 해를 바탕으로 하고 있으며 아인슈타인-로젠 웜홀과 달리 양방향 통행이 가능하다. 단, 영화에서는 우주선이 통과할 만큼 큰 음의 질량 상태는 고차원 존재에 의해 유지되는 것으로 설정되어 있다.
가속팽창 우주
현재 우주는 가속팽창하고 있음이 관측으로 확인되었다. 즉, 은하들이 서로 멀어지는 속도가 증가하고 있음이 관측된 것이다. 은하들을 서로 당기는 중력 만이 존재할 경우 감속 팽창을 해야하므로, 가속팽창은 은하들 사이에 중력이 아닌 새로운 척력이 작용하고 있음을 의미한다. 아인슈타인의 일반상대성 이론에 의하면 우주는 암흑에너지에 의해 가속팽창하고 있으며, 암흑에너지가 전체 우주에너지의 70% 이상을 차지하고 있다. 우주 진공 자체가 가진 암흑에너지는 에너지는 양이지만 압력은 음인 성질을 가지고 있고, 음의 압력이 가속 팽창의 원인이 된다. 아직까지 암흑에너지의 실체는 밝혀지지 않았다.
- 두 N극 사이 공간의 자기력선의 분포는 그림 2에서 두 양의 전하 사이 공간의 전기력선 분포와 비슷하다.
- 양자역학에서 입자는, 고전적인 개념의 입자가 아닌, 상태방정식으로 기술된다.
- 양자 진공의 특성은 많은 입자 실험을 통해 확인되었다. 예를 들면, 스위스 핵입자물리연구소(CERN) 입자가속기 실험에서 거의 빛의 속도로 운동하는 두 양성자의 충돌에서 수 많은 새로운 입자 및 반입자 들이 생성되는 것이 확인되었다. 새로 생성된 입자들 중에는 양성자 보다 질량이 큰 것도 많다. 새로운 입자 및 반입자를 생성할 가능성을 진공이 내포하고 있는 것이다.
- Kip Thorne, Science of Interstellar (2014).
- 정지 상태의 물질이 가진 에너지가 질량이므로, 음의 에너지 상태는 음의 질량 상태로도 표현될 수 있다.
- 아인슈타인-로젠 웜홀은 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 웜홀로 블랙홀에서 화이트홀로의 일방통행만 가능하다.
참고자료
같이 보기
