1. 개요
입자( 粒 子, particle)는 물질을 구성하는 미세한 크기의 물체를 말한다. 밑의 소립자뿐이 아니라 원자, 분자, 콜로이드 입자 등 뭐든 작은 물체를 뜻한다. 입자의 성질은 보통 파동의 성질과 대치되는 개념으로서 쓰인다.빛이 입자냐 파동이냐에 대한 논의는 한동안 20세기를 달군 떡밥이었지만, 결과적으로 빛을 포함한 모든 물질들은 입자와 파동의 이중성을 띠고 있다고 결론났다. 광전효과와 빛 문서 참고.
2. 페르미온과 보손
모든 입자는 통상적으로 그 입자를 지배하는 통계 법칙에 따라 페르미온과 보손으로 나뉜다. 여기서 말하는 입자는 소립자를 포함한 모든 종류의 입자다. 즉, 원자나 분자도 페르미온과 보손으로 나뉜다. 단, 페르미온이나 보손이라는 특성은 통계적인 효과로 나타나기 때문에, 특정한 종류의 동일한 입자가 여러 개 존재해서 상호작용해야 그 성질이 드러난다. 거대한 물체들은 서로 동일하지 않기 때문에 페르미온이나 보손이라는 특성을 확인하기가 거의 불가능하다. 만물을 기본입자 수준으로 분해하여 따져보면 통칭하는 물질은 페르미온으로 구성되며, 물질의 상호작용은 보손으로 매개된다.- 페르미온: 페르미-디랙 통계를 따르는 입자이다. 같은 상태(state)에 둘 이상의 입자가 존재할 수 없다. 이를 나타낸 것이 바로 파울리 배타 원리이다. 보손과는 달리 그 수가 보존된다.[1] 기본 입자들 중에서 쿼크와 렙톤은 모두 페르미온이다.
- 보손: 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자다. 파울리 배타 원리를 따르지 않기 때문에 중첩되어 있을 수 있다. 같은 에너지 상태에 존재할 수 있다는 뜻으로, 이를 응용한 좋은 예 중 하나가 바로 레이저이다. 광자나 글루온 같이 상호작용을 매개하는 것들은 모두 보손이다.
주의할 점이 있는데, 페르미온과 보손의 정의는 스핀과 무관하다는 것이다. 흔히 저지르는 실수인데, 이들은 어디까지나 이들의 통계적 행동만 가지고 정의하는 것이다. 다만, 상대론적 양자장론에 따르면 3+1차원에서 페르미온은 모두 반정수 스핀(1/2, 3/2, 5/2, ...)을 가지며, 보손은 모두 정수 스핀(0, 1, 2, ...)을 가진다는 것이 밝혀져 있다. 이를 가리켜 스핀-통계 정리라고 부른다.[2] 눈치챘겠지만 3+1차원 상대론적 양자장론이라는 가정이 깨지면 스핀-통계 정리가 성립하지 않을 수도 있다. 이를 보여주는 가장 좋은 예가 바로 2차원 물질[3] 안에서 등장할 수 있는 애니온(anyon)이다.
3. 종류
- 콜로이드
- 분자
- 원자
- 아원자 입자(亞原子粒子, Subatomic particle): 원자보다 작은 입자. 소립자라 불리기도 하지만 소립자(素粒子)는 ' 기본 입자'라는 의미이다. 따라서 원자보다 작은 입자를 통칭하는 명확한 표기는 '아원자 입자'이다. 현재100여개의 종류가 확인되고 있다.[4]
4. 창작물
- 미노프스키 입자 - 기동전사 건담 시리즈에서 온갖 부분에 사용하는 입자이다.
- 코지마 입자 - 아머드 코어 4, 아머드 코어 포 앤서에 등장하는 가상의 입자.
- GN 입자 - 기동전사 건담 00에 등장하는 가상의 입자.
- 제플입자 - 은하영웅전설에 등장하는 입자. 어쨌든 소립자의 범주에 들어가는 다른 입자들과는 달리 이쪽은 소립자라기보단 일종의 화합물이다.
- 핌 입자 - 마블 코믹스에 등장하는 크기를 조절할수 있게 하는 입자. 옐로우자켓, 와스프, 앤트맨등 모든 세계관내의 크기조절 능력자가 사용한다.
- 헤이그스 입자 - 시도니아의 기사에 등장하는 입자. 작중 파종선 시도니아나 모리토의 동력원이 되며 통신,발전 등에도 사용되는것으로 보인다.
[1]
다만,
마요라나 페르미온은 이에 해당하지 않는다.
[2]
법칙 같은 것이 아닌 "정리"라고 이름 붙은 데에는 이유가 있는데, 이는 3+1차원 상대론적 양자장론이 가져야 할 몇몇 기본적인 (수학적) 가정으로부터 이 사실을 (수학적으로) "증명"할 수 있기 때문이다. 참고로 이것과 같이 세트로 증명되는 것이 바로 CPT 대칭성이다.
[3]
무슨 만화나 애니 같은 이야기는 절대 아니고, 그래핀과 같은 특수한 물질로 2차원 양자역학 시스템을 실제로 구성할 수 있다.
[4]
\[사이언스타임즈\] 과학문화-원자, 작지만 위대한 발견들-정규성
https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%9B%90%EC%9E%90-%EC%9E%91%EC%A7%80%EB%A7%8C-%EC%9C%84%EB%8C%80%ED%95%9C-%EB%B0%9C%EA%B2%AC%EB%93%A4-%EC%A0%95%EA%B7%9C%EC%84%B1/