물리학자들이 힉스 보존이든 최근에 포장된 이중 매력 테트라쿼크이든 새로운 입자를 발견했다고 발표할 때마다 그들이 실제로 발견한 것은 플롯의 부드러운 곡선에서 솟아오르는 작은 융기입니다. 이러한 충격은 자연에서 가장 보편적인 현상 중 하나인 '공명'의 확실한 특징입니다.
공명은 음악, 죽어가는 별의 핵융합, 심지어 아원자 입자의 존재 자체만큼 다양한 세계 측면의 기초가 됩니다. 일상 생활부터 가장 작은 규모까지 다양한 환경에서 동일한 효과가 어떻게 나타나는지는 다음과 같습니다.
가장 간단한 형태로, 공명은 물체가 쉽게 진동하는 "자연" 주파수 중 하나에 가까운 진동 힘을 경험할 때 발생합니다. 물체가 고유 진동수를 갖는다는 것은 “수학과 우주 모두의 기반 특성 중 하나”라고 힉스 보존에 관한 책을 집필하고 있는 하버드 대학 소속 입자 물리학자인 Matt Strassler가 말했습니다. 놀이터 그네는 친숙한 예 중 하나입니다. Strassler는 “이런 것을 두드리면 항상 자동으로 공진 주파수를 찾아냅니다.”라고 말했습니다. 또는 와인잔을 가볍게 치면 테두리가 초당 수백 번씩 진동하여 진동이 주변 공기로 전달되면서 독특한 소리를 만들어냅니다.
시스템의 고유 주파수는 고유한 특성에 따라 달라집니다. 예를 들어 플루트의 경우 시스템의 고유 주파수는 원통형 기하학적 구조 내부에 정확히 들어맞는 음파의 주파수입니다.
스위스 수학자 레온하르트 오일러(Leonhard Euler)는 1739년에 공진 주파수 근처에서 지속적으로 구동되는 시스템을 설명하는 방정식을 풀었습니다. 그는 동료 수학자 요한 베르누이(Johann Bernoulli)에게 보낸 편지에서 설명한 것처럼 시스템이 "다양하고 놀라운 운동"을 나타내며 시스템이 공진 주파수에서 정확하게 구동될 때 운동의 진폭이 "지속적으로 증가하고 마침내 무한대로 커진다"는 사실을 발견했습니다.
올바른 주파수에서 시스템을 너무 세게 구동하면 극적인 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 훈련받은 가수는 공명 주파수에서 지속적인 음으로 유리잔을 깨뜨릴 수 있습니다. 행진하는 병사들의 발소리에 공명하는 다리는 무너질 수도 있다. 그러나 오일러의 분석이 무시한 에너지 손실로 인해 물리적 시스템의 움직임이 억제되지 않은 채 성장하는 것을 방해하는 경우가 더 많습니다. 가수가 조용히 음을 부르면 처음에는 유리잔의 진동이 커지지만, 진동이 커질수록 이전보다 더 많은 에너지가 음파로 외부로 방사되므로 결국에는 일정한 진폭의 진동이 발생하는 균형이 이루어지게 됩니다.
이제 가수가 낮은 음으로 시작하여 지속적으로 음조가 올라간다고 가정해 보겠습니다. 가수가 와인잔이 공명하는 주파수를 지나쳐 가면서 소리는 순간적으로 훨씬 더 커집니다. 이러한 향상은 마치 적시에 그네를 밀면 초기 동작이 증폭될 수 있는 것과 마찬가지로 이미 존재하는 진동과 동시에 음파가 유리에 도달하기 때문에 발생합니다. 주파수의 함수로서 소리 진폭의 플롯은 공진 주파수 주위에 뚜렷한 범프가 있는 곡선을 추적할 수 있으며, 이는 입자 발견을 예고하는 범프와 매우 유사합니다. 두 경우 모두 범프의 너비는 시스템의 손실 정도를 반영합니다. 예를 들어 유리를 한 번 친 후 울리는 시간이나 입자가 부패하기 전에 존재하는 시간 등을 나타냅니다.
사무엘 벨라스코/Quanta 매거진; 출처: CMS 실험
그런데 왜 입자는 윙윙거리는 와인잔처럼 행동하는 걸까요? 20세기 초에 공진은 진동 시스템의 특성으로 이해되었습니다. 직선으로 이동하고 당구공처럼 흩어지는 입자는 이 물리학 분야와는 거리가 먼 것처럼 보였습니다.
양자역학의 발전은 그렇지 않은 것으로 나타났습니다. 실험에 따르면 전자기파로 생각되었던 빛은 때때로 입자처럼 행동합니다. 즉, 관련 파동의 주파수에 비례하는 에너지 양을 소유하는 "광자"입니다. 한편, 전자와 같은 물질 입자는 때때로 주파수와 에너지 사이의 동일한 관계로 파동적인 행동을 나타냅니다.
1925년에 이 서신에서 영감을 받아 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 관악기의 음향학을 지배하는 방정식의 해와 매우 유사한 일련의 자연 주파수에서 진동하는 파동을 해로 삼는 수소 원자에 대한 방정식을 도출했습니다.
슈뢰딩거 방정식의 각 해는 원자 궤도를 도는 전자의 가능한 상태를 나타냅니다. 전자는 두 상태의 고유 주파수 사이의 차이를 구성하는 주파수를 갖는 광자를 흡수하여 더 높은 에너지 상태로 도약할 수 있습니다.
이러한 전이는 그 자체가 공명의 한 형태입니다. 와인 잔과 마찬가지로 원자는 특정 주파수의 파동에서만 에너지를 흡수하며 동일한 주파수의 파동을 방출하여 에너지를 발산할 수도 있습니다. (정확한 주파수로 여기되면 특정 원자는 에너지를 광자로 방출하기 전에 10000조 이상의 주기 동안 진동합니다. 이는 세계에서 가장 정밀한 원자 시계의 기초를 형성하는 극도로 날카로운 원자 공명입니다.)
양자 이론은 원자의 구조가 교향곡의 구조와 마찬가지로 공명과 밀접하게 연관되어 있음을 밝혀냈습니다. 원자에 결합된 전자는 플루트 내부에 갇힌 음파와 비슷합니다. 원자핵의 경우, 1930년대의 추가적인 발전을 통해 많은 종류의 원자핵이 공명 때문에 오늘날 우주에만 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 공명 전이는 한 유형의 원자핵을 다른 유형의 원자핵으로 변환하는 핵융합 반응에 중요합니다. 이러한 핵 공명 중 가장 유명한 것은 세 개의 헬륨 핵이 하나의 탄소 핵으로 융합되는 것입니다. 이것이 없으면 별은 탄소나 더 무거운 원소를 생성할 수 없으며 우리가 알고 있는 생명체는 불가능할 것입니다.
그러나 기초 물리학에서 공명의 뿌리는 더 깊은 곳에 있습니다. 1920년대 후반에 물리학자들은 오늘날까지 입자물리학의 언어로 남아 있는 양자장 이론으로 알려진 강력한 수학적 틀을 개발하기 시작했습니다. 양자장 이론에서 우주의 진정한 기본 실체는 모든 공간을 채우는 장입니다. 입자는 무한한 매트리스의 스프링처럼 진동하는 이러한 장의 국부적인 공진 여기입니다. 양자장이 진동하기를 선호하는 주파수는 기원이 불분명한 기본 상수에서 비롯됩니다. 이러한 주파수는 차례로 해당 입자의 질량을 결정합니다. 빈 공간의 진공을 적절한 빈도로 충분히 세게 폭발시키면 수많은 입자가 튀어나올 것입니다.
이런 의미에서 공명은 입자의 존재 자체를 담당합니다. 그것은 또한 점점 더 실험적 입자 물리학의 일꾼이 되었습니다. 고에너지 충돌에서 입자의 특정 조합이 얼마나 자주 생성되는지 측정할 때 물리학자들은 충돌 에너지가 변화함에 따라 감지 속도의 뚜렷한 피크를 확인합니다. 이는 보편적 공명 곡선의 새로운 표현입니다. Strassler는 “와인잔과 마찬가지로 공명을 원하는 시스템을 휩쓸고 있습니다.”라고 말했습니다. “진동시킬 수 있는 것은 무엇이든 만들 수 있습니다.”
1950년대와 60년대에 물리학자들은 예상했던 것보다 더 많은 봉우리를 보았고 처음에는 그 봉우리가 어떻게 될지 아무도 몰랐습니다. 많은 돌기들은 매우 넓었으며, 이는 1조분의 1조분의 1초 정도 동안 붙어 있는 입자의 존재를 암시합니다. 직접적으로 감지할 수 있는 친숙한 입자와는 달리, 이러한 새로운 입자는 공명 과정을 통해서만 관찰할 수 있습니다.
나중에 물리학자들은 이 새로운 임시 입자가 수명이 짧다는 점을 제외하면 근본적으로 양성자 및 중성자와 다르지 않다는 점을 인식했습니다. 그럼에도 불구하고 수명이 짧은 입자는 흔히 간단히 "공명"이라고 불리며, 이는 세계에 대한 우리의 이해를 넓히는 데 놀라울 정도로 중심적인 역할을 한 현상에 대한 증거입니다.
