모든 기본 입자는 두 가지 범주 중 하나에 속합니다. 집단주의 보손은 우리를 움직이는 힘을 설명하는 반면, 개인주의 페르미온은 원자가 붕괴되는 것을 방지합니다.
페르미온은 혼자 있어야 하고, 보존은 같은 장소에서 함께 놀 수 있습니다.
Quanta Magazine의 Irene Pérez
소개
우리 세상의 풍요로움 아래에는 순수한 단순함이 숨어 있습니다. 모든 것은 단지 17개의 기본 입자 세트로 구성되며, 이러한 입자는 질량이나 전하가 다를 수 있지만 두 가지 기본 유형으로 나뉩니다. 각각은 "보손" 또는 "페르미온"입니다.
물리학자 폴 디랙(Paul Dirac)은 1945년 연설에서 두 입자 왕국의 특성을 밝히는 데 도움을 준 물리학자 사티엔드라 나트 보스(Satyendra Nath Bose)와 엔리코 페르미(Enrico Fermi)의 이름을 따서 두 용어를 모두 만들었습니다.
1924년 보스는 오늘날 방글라데시로 알려진 다카 대학교에서 일하고 있었습니다. 앞서 1900년경 막스 플랑크는 뜨거운 물체가 방출하는 각 색상의 빛의 양에 대한 법칙을 제안했습니다. (이 빛이 개별 패킷, 즉 "양자"로 나온다는 플랑크의 통찰력은 물리학자들을 양자 역학으로의 길로 안내합니다.) 보스는 플랑크 법칙의 더 강력한 수학적 유도를 발견했습니다. 그는 알베르트 아인슈타인에게 편지를 보내 결과를 독일 저널에 제출하는 데 도움을 요청한 후 아인슈타인과 협력하여 아이디어를 구체화했습니다.
Bose와 Einstein의 수학은 여러 입자가 완벽하게 유사할 수 있는 상황을 설명합니다. 즉, 동일한 전하, 질량 및 에너지를 가질 뿐만 아니라 동시에 동일한 장소에 존재할 수도 있습니다. 빛의 입자인 광자는 이런 식으로 행동합니다. 예를 들어 레이저는 동일한 파장에서 단일 빔으로 동기화되는 많은 광자로 구성됩니다. 이제 우리는 그러한 입자를 보존이라고 부릅니다.
동일한 수학이 단순한 광자 이상의 경우에도 적용되는 것으로 밝혀졌습니다. 우리가 힘으로 경험하는 모든 것은 셀 수 없이 많은 보존의 집단적 노력입니다. 광자는 결합하여 전자기력을 발휘하는 반면, 다른 보존은 핵을 서로 묶고 방사성 붕괴를 일으키는 힘을 발생시킵니다. 물리학자들은 중력을 생성하는 가상의 "중력자"도 보존일 것으로 예상합니다. 그리고 기본 힘 외에도 특정 복합 입자(예:헬륨 원자)도 보존처럼 행동합니다.
하지만 보스와 아인슈타인의 수학은 전자에 적용되지 않았습니다.
Mark Belan/Quanta 매거진
물리학자들은 금속의 전자를 분석하려고 시도했을 때 이상한 모순을 발견했습니다. 예를 들어, 전자가 전류를 운반하는 방식과 열을 보유하는 방식 사이에는 불일치가 있는 것으로 나타났습니다. 1926년에 독립적으로 연구하면서 Fermi와 Dirac은 둘 다 무엇이 잘못되었는지 알아냈습니다. 즉, 전자는 보존이 아닙니다. 광자와 달리 동일한 전자는 같은 장소에 쌓일 수 없습니다. 대신, 각 전자는 적어도 한 가지 방식, 즉 위치, 에너지 또는 방향이 다른 전자와 달라야 합니다. 우리는 이제 그러한 입자를 페르미온이라고 부릅니다. (또 다른 물리학자인 파스쿠알 조던(Pascual Jordan)은 1년 전에 같은 아이디어를 내놓았지만 공로를 공유하기 위해 제때에 출판하지 않았습니다.)
페르미온은 물질의 복잡성을 가능하게 합니다. 두 개의 전자는 원자에서 같은 위치를 차지할 수 없습니다. 따라서 원자에 전자가 많을수록 서로 다른 층으로 더 많이 퍼져 수소, 헬륨, 금, 은 및 주기율표의 다른 모든 원소의 화학적 특성이 달라집니다.
전자 외에도 원자핵의 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크도 페르미온입니다. 중성미자도 마찬가지다. 그리고 페르미온은 기본 입자일 필요는 없습니다. 물질에는 언젠가 양자 컴퓨터에 전력을 공급할 마요라나 페르미온으로 알려진 구성과 같이 동일한 배타적 수학을 집합적으로 따르는 전자 그룹이 있습니다.
Satyendra Nath Bose(왼쪽)는 다카 대학의 잘 알려지지 않은 물리학자로서 현재 자신의 이름을 딴 보손(boson)이라는 집단주의 입자를 설명하는 이론을 고안했습니다. 엔리코 페르미(오른쪽)는 나중에 항상 독립성을 유지하는 입자 이론(현재는 페르미온이라고 함)을 개발했습니다.
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페르미온과 보존이 그룹으로 행동하는 방식의 차이는 두 번째 차이점, 즉 스핀, 즉 회전할 때 변화하는 방식을 측정하는 방식과 밀접하게 관련되어 있습니다. 보존은 정수만큼의 스핀을 가지고 있습니다. (예를 들어 광자는 하나의 단위를 가지며 중력자는 두 개의 단위를 갖습니다.) 즉, 보존을 완전한 원으로 돌릴 때 동일한 수학적 특성을 가진 시작과 동일한 입자를 찾을 수 있음을 의미합니다. 한편 페르미온의 스핀 양은 정수의 절반입니다. 예를 들어 전자의 경우 ½입니다. 이는 한 바퀴를 완전히 돌린 후에도 전자가 같은 상태로 유지되지 않는다는 것을 의미합니다. 수학적 표현에는 빼기 기호가 표시되며 원래대로 되돌리려면 다시 한 번 뒤집어야 합니다.
이 두 가지 정의 특성은 처음에는 서로 관련이 없는 것처럼 보였습니다. 그러나 1939년에 마르쿠스 피에르츠(Markus Fierz)는 둘 다 현재 스핀 통계 정리로 알려진 연결인 양자 이론의 수학적 구조의 결과임을 증명했습니다. (그의 고문인 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)는 다음 해에 그 증거를 더욱 다듬은 버전으로 출판했습니다.)
그 증명은 물리학자들에게도 매우 추상적이며, 직관적으로 설명하기 어려운 것으로 유명합니다. 그러나 결론은 보스와 아인슈타인의 수학을 따르는 스핀 ½ 입자나 페르미-디랙 통계를 따르는 스핀 1 입자에 대한 방정식을 쓰려고 하면 이러한 이론화된 입자는 인과성과 같은 신성한 물리적 원리를 위반하게 된다는 것입니다.
입자 왕국의 수는 차원의 수에 따라 달라집니다. 스핀 통계 정리는 보존과 페르미온이 우리의 3차원 세계에서 유일한 두 가지 가능성임을 증명합니다(두 입자를 동일하게 만드는 것이 무엇인지 다시 생각하지 않는 한). 이는 3D에서 입자가 나선형으로 회전하여 이전 경로를 통과할 수 있다는 사실과 관련이 있습니다. "아래"라는 개념이 없는 2D 표면에서는 나선형이 불가능합니다. 결과적으로 애니온(anyon)이라는 새로운 유형의 입자가 2D에 존재할 수 있으며, 이는 보존과 페르미온 사이의 동작을 나타냅니다. 그리고 한 차원에서는 그 구별이 완전히 무너집니다. 이러한 전선 위의 세계에서 보존과 페르미온은 동일한 해를 갖는 두 개의 서로 다른 방정식과 같습니다. 두 왕국은 비밀리에 하나입니다.
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