250년전 뉴턴의 미적분학이 큰 성공을 거두자, 사람들은 세상이 연속적으로 이뤄졌다 생각했다. 당연하다. 그렇게 보이고 공식이 성립하고 문제를 해결했으니. 하지만 흑체복사 실험은 이를 무너뜨린다. 물체를 가열하면 빛의 색이 온도에 따라 변하는데 거기서 측정한 빛의 양이 생각보다 적었기 때문이다. 이에 플랑크는 뜨거운 물체에서 전하의 진동은 불연속적이고 이 불연속적인 것들 사이의 진동은 금지될 거란 가정을 했는데 그것이 나중에 증명된다. 결국 물리적으로 아주 작은 규모의 에너지 변화는 작고 불연속적인 덩어리, 즉 양자 단위로 나타났던 것이다.
16세기 갈릴레오는 모든 운동이 상대적임을 입증했다. 그리고 맥스웰이 전기와 자기가 하나임을 입증했는데 그는 전자기파의 속도를 측정했고 놀랍게도 이것이 빛의 속도와 같음을 알아냈다. 즉, 전자기파는 빛이였던 것이다. 아인슈타인은 전자기 방정식을 토대로 빛의 속력이 모든 사람, 사물에 상대적이며 그래서 어디서든 빛을 측정하면 초속30만km라고 추측했다. 상대성 이론이다. 이처럼 빛의 속도가 불변하다는 것이 입증되자 시공간도 고정 불변한다는 개념도 깨어졌다. 아인슈타인은 중력에 특수상대성이론이 적용되지 않음을 깨달았다. 그는 상대성 이론에 중력이 통합되려면 시공간이 휘어져야함을 입증했다. 시계의 똑딱거리는 속도와 자의 길이는 중력의 근원인 질량을 가진 두 물체의 상대적 위치에 따라 달라졌는데 이것이 특수상대성이론이다.
우주에는 양의 에너지가 있는 반면 우리가 이해하기 어려운 음의 에너지도 있다. 질량 사이에 작용하는 중력이 바로 음의 에너지다. 때문에 우리가 인접한 두 질량을 떼어내려면 에너지를 크게 가해야 한다. 그리고 우주 전체의 양과 음의 에너지의 합은 0이다.
표준모형에서는 보손이라는 범주 안에 4가지 힘입자가 있다. 전자기력을 매개하는 광자, 강한 핵력을 매개하는 글루온, 약한 핵력을 매개하는 w와 z다. 그리고 또 다른 힙자가 힉스 보손이다. 힉스 보손은 입자가 질량을 얻은 과정 설명에 핵심이다. 힘을 매개하는 보손 외에 12가지 입자가 더 있는데 6개는 쿼크로 강한 핵력을 느끼는 입자다. 쿼크는 위, 아래, 기묘, 맵시, 꼭대기, 바닥이라는 기묘한 이름을 갖는다. 그리고 나머지 6개는 렙톤으로 전자, 뮤온, 타우론과 3종류의 중성 미자다.
초기의 우주는 물질과 반물질이 같은 양으로 섞여 있었다. 전자는 양전자와 충돌해 소멸하며 광자를 2개 성성했고, 쿼크는 반쿼크와 충돌 소멸하며 광자 2개를 생성했다. 충돌로 생성된 광자 2개는 서로 충돌하여 전자와 양전자 또는 쿼크와 반쿼크를 생성했다. 이런 순환관계로 제로섬의 평형을 유지했다.
하지만 우주가 급속히 팽창하자 광자의 에너지가 지속 감소하여 파장이 길어지며 광자의 충돌이 적어진다. 그러면서 광자의 충돌로 생겨나던 물질의 생성이 급격히 감소하고, 물질과 반물질은 여전히 광자를 생성했다. 그래서 이론대로라면 우주가 임계 냉각점을 지나면 모든 물질은 사라지고 방사선만 남아야 한다. 하지만 마지막 소멸이 일어나기 전부터 우주가 불균형 상태에 놓이며 완벽한 상쇄가 일어나지 않게 된다. 양전자 10억개당 전자가 1개 정도 더 많아진다. 쿼크도 마찬가지인데 이로 인해 우주에는 전자와 물질이 가득하게 되고 원자가 생겨나는 토대가 만들어진다. 즉, 우주가 생겨나려면 우주의 대칭이 깨쳐야 한다는 의미다. 그래서 우주는 본질적으로 고도로 균형을 이루면서 불균형이 있다.
중성미자는 우주의 기본 법칙인 패리티 대칭을 어긴다. 전자기력과 강한 핵력, 중력은 패리티 대칭을 이루지만 약한 핵력은 비패리티 대칭이다. 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 1개가 결합하면 양성자가 되고 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개가 결합하며 중성자가 된다. 양성자와 중성자간의 결합을 이루는 힘이 강한 핵력이다. 양성자와 중성자가 결합해 원자핵을 이루는데 이것의 크기는 전자의 퀘도의 1/1000이다. 강한 핵력은 양성자와 중성자 간이 아닌 쿼크끼리 글루온을 교환하며 발생하는 것이다. 쿼크끼리 매우 인접해야 서로를 느끼고 글루온이 교환되며 강한 핵력이 발생한다.
우주가 식으며 양성자와 중성자가 결합하는 조건이 된다. 그런데 이론적으로 이중 양성자, 이중 중성자, 중양자 등이 생성되는 것도 가능하다. 하지만 현실 우주에서 이런 일은 거의 없다. 그것은 스핀 때문이다. 화학에서 원자를 논할 때 개념은 궤도, 껍질, 양자 수등이 있다. 양자 수는 원자 내의 두 전자가 동일한 양자 수를 갖지 않는 다는 것이다. 이것이 파울리 배타원리다.
모든 대상은 스핀을 지니는데 스핀은 정수 스핀과 반정수 스핀이 있다. 스핀 값이 정수면 보손이고 반정수면 페르미온이다. 보손은 앞에서 언급한 힘을 매개하는 입자이고 나머지가 페르미온이다. 두 페르미온은 동일한 양자상태를 차지 하지 않는다. 그래서 스핀 값은 내부 자유도가 정해지면 페르미온은 같은 공간에 동시에 존재하지 못한다.
하지만 보손은 파울리 배타원리가 작동하지 않는다. 그래서 자유롭게 뭉친다. 그래서 보손보다 페르미온이 뭉치지 못해 물질로 구성되면 공간을 차지한다. 모든 전자는 양성자, 중성자처럼 페르미온이라 스핀값이 1/2다. 양자물리학에서 스핀값은 서로 반대되는 부호 중 하나를 취하기에 +1/2나 -1/2도 가능하다.
두 페르미온은 결합해 같은 공간을 차지하면 스핀 방향에 동일하지 않다. 그래서 이중 양성자는 스핀방향이 반대이고 이중 중성자도 그렇다. 다만 이중 양성자는 서로 달라 스핀값이 괜찮다. 결합시 두 핵자의 스핀 방향이 반대이면 스핀값이 0이다. 그리고 결합 시 스핀 방향이 같으면 스핀값은 2가 된다. 스핀값이 크면 강한 결합을 의미한다. 그래서 스핀 방향이 서로 반대라 결합하여 0이되는 이중 양성자, 이중 중성자는 쉽게 깨어진다. 존재하기 어려운 것이다. 하지만 중양자는 스핀값이 2가 되어 끊으려면 높은 에너지가 필요하다.
핵반응을 비롯한 화학반응에서 핵심은 반응이 일어날 확률, 즉 반응 속도다. 반응 속도는 반응에 필요한 에너지, 사용가능한 에너지, 반응물의 가용성 3가지에 따라 달라진다. 양서자는 반응으로 중성자가 되고, 중성자도 반응으로 양성자가 된다. 그런데 중성자의 질량이 조금 더 크므로 반응이 비대칭이다. 그래서 양성자와 중성자의 비는 7:1 정도다. 이 정도 우세면 우주엔 양성자만 있어야 하나 중성자와 양성자가 결합하여 원자핵이 형성디어 중성자가 보존되었다.
초기 우주에서 두 핵자인 양성자와 중성자가 거의 같은 비율로 홉합되었다. 하나의 양성자가 하나의 중성자와 결합하여 중수소를 생성한다. 중수소가 대량 생성디면 중수소 원자 한 쌍이 결합하여 헬륨이 된다. 별에는 중수소 생성에 필요한 자유 중성자가 부족하다. 그래서 최초의 별에는 양성자와 소량의 다른 원소만 존재했다. 여기서 별의 중심부의 반응을 도운 것이 양자 터널링이다. 이는 반응을 위해 필요한 에너지가 없이도 반응하는 현상으로 양자규모에서만 발생하고 확률적이다. 양자터널링은 개체가 지닌 에너지, 이동거리, 개체크기등의 조건에 의존한다.
초기 별의 중심부에서 양성자는 전자기력으로 서로 접근하지 못한다. 서로 충돌만 가능했다. 그러다 양자터널링 효과로 전자기력을 넘어서 가까워져 이중양성자가 생성된다. 이는 언급한 것처럼 불안정하기에 바로 쪼개진다. 그 과정에서 약한 핵력이 작용하여 양성자 2개 중 하나가 중성자로 변환한 것이다. 이는 10의 28승의 1회에 불과한 확률이다. 하자만 충분히 많은 양성자를 가진 큰 별의 내부에선 의미있는 수의 중성자를 생성한다. 이렇게 중수소가 결합하여 헬륨을 형성하는 핵반응이 가능해진 것이다.
별은 핵반응으로 수소가 고갈하면 헬륨을, 그것이 고갈하면 탄소를, 그 다음은 산소, 마지막으로는 규소를 핵융합하며 뒤로 갈수록 시간이 짧아진다. 규소는 마지막으로 철을 생성한다. 철로 핵반응은 일어나지 않는다. 철은 양성자와 중성자가 매우 단단히 결합하여 그 결합을 끊으려면 별의 내부힘만으로는 부족하고 별도의 에너지가 필요하기 때문이다. 따라서 별 내부의 철의 축적은 사실상 핵융합의 중단을 의미한다.
중력만 남으면 별은 강하게 수축한다. 그 과정에서 철이 더 무거운 원소로 융합된다. 더 쪼그라들면 블랙홀이 형성되고 이 때 별의 바깥층은 폭발하며 방출된다. 별 바깥층이무너지며 중심부를 압박하는 양성자, 중성자가 너무 높은 밀도로 뭉쳐서 강한 핵력이 반발력으로 작용한다. 그래서 폭발하는 것이다. 폭발 시 강한 초고밀도, 초고온의 환경이 생겨나 철보다 더 무거운 원소가 생성되어 우라늄까지 생성이 된다.
중성자가 붕괴하면 양성자와 전자가 생성되는데 질량이 다소 감소한다. 물질과 에너지는 보존되므로 그 질량만큼 방출되는 입자가 있는데 이게 중성미자다. 중성자 붕괴 반응에서 전하는 보존되기에 중성미자는 전기 중성을 띤다. 중성미자는 약학 핵력과 중력에만 반응하는 유일한 입자다. 별의 중심부에서는 철이 생성되며 원자핵 내부에 전자가 있다. 여기서 전자가 약한 핵력으로 양성자와 결합해 중성자를 형성하고 그 부산물로 중성미자를 생성한다. 그래서 중성미자는 별이 폭발하기 이전에 방출된다. 그래서 중성미자의 관측은 별의 폭발을 미리 감지하게 한다.
페르미온은 2개가 동일한 스핀을 가질 수 없다. 이는 동일한 파동함수를 갖지 않음을 의미한다. 보손을 파울리 배타 원리를 적용받지 않아 같은 스핀을 가질 수 있고, 같은 파동함수를 가질 수 있다. 그래서 광자는 덩어리를 이룰 수 있다. 그래서 광자 보손 전체를 기술하는 파동함수는 1개가 된다. 두 전자는 반대 스핀을 가지면 동일한 회피 에너지를 지닐 수 있다. 즉, 페르미온은 파동함수를 공유하지 않고도 동일한 에너지를 갖는다는 의미다. 이를 물리학에서 축퇴라고 한다.
그래서 페르미온은 내부 양자 자유도만 다르면 위치, 속력, 에너지도 같을 수 있다. 에너지가 낮을 수록 축퇴도는 낮아진다. 전자는 페르미온이기에 파울리 배타원리에 따라 압축에 저항한다. 이를 축퇴압이라 한다. 이 축퇴압으로 인해 모든 별이 블랙홀이 되지 않는 것이다.
