1. 개요
質量 / Mass물질이 가지고 있는 고유한 물리량.
2. 설명
| [math(m=\rho V)] |
| [math(m)]은 질량, [math(\rho)]는 밀도, [math(V)]는 부피 |
- 불변 질량(invariant mass): 로런츠 변환 아래 불변하는 질량으로, 정지 질량(rest mass)이라고도 한다. 흔히 “질량은 변하지 않는다”고 할 때 말하는 질량이 정지 질량이다.
- 관성 질량(inertial mass): 움직이고 있는 상태의 물질이 갖는 질량. 이동 속력이 증가할수록 관성 질량도 증가한다. 이동 속력이 광속에 가까워질수록 증가하며, 광속에 도달할 경우 관성 질량은 무한대가 되겠지만 질량이 있는 물질은 광속으로 움직일 수 없다.
- 중력 질량(gravitational mass): 우리가 말하는 무게. 중력에 따라 변한다.
질량 보존의 법칙은 화학 용어이다. 닫힌 계 내에서 화학 반응을 일으켰을 때(예를 들어 밀폐된 용기 안에 산소와 종이를 넣고 종이를 불태웠을 때) 계 안의 물질의 질량의 총합은 반응 전과 후 달라지지 않는다는 것이 질량 보존의 법칙이다. 물리학에서 말하는 불변 질량인 정지 질량의 개념은 화학 반응과는 무관하며 물질은 정지 상태일 때 그 질량이 변하지 않는다는 개념이다. 흔히 혼동하는 개념이니 주의.
고전 역학에선 관성 질량은 [math(F=ma)]의 [math(m)]이고 수동적 중력 질량은 [math(\displaystyle F=G\frac{Mm}{r^2})]에서 [math(m)]이다. 여기에서 실험적으로 이 둘 사이에는 비례 관계가 있으므로(즉, 중력 상수 [math(G)]가 곱해진다는 점을 제외하면 두 값이 같다), 관성 질량과 중력 질량을 같은 것으로 취급해도 된다. 지속적으로 정밀도가 향상된 실험이 진행되어 결국 관성 질량이 중력 질량에 비례함을 확인하였다. 관성 질량과 중력 질량이 오차 범위 5×10-13의 정밀도로 일치함은 실험적으로 확인되었다.[1]
일반 상대성 이론에서 관성 질량과 중력 질량의 비례는 등가 원리에 따른 귀결이다.[2] '균일한 중력장 아래서 기술되는 물리 법칙은 그 중력장의 중력 가속도만큼의 가속도로 일정하게 가속 운동을 하는 기준계에서 기술되는 물리 법칙과 동일하다'는 것으로, 주로 중력이 없는 공간에서 중력 가속도만큼의 가속도로 상승하는 엘리베이터를 타는 것과 지구에 있는 것을 구분할 필요도, 구분할 수도 없다는 예시를 통해 자주 인용된다.
일반 상대성 이론에서 관성은 정지질량이 아니라 에너지에 의존하는 성질이다. 아인슈타인 방정식을 보면 질량이 아닌 에너지-운동량 텐서가 변수로 들어가 있음을 확인할 수 있다. 그렇기 때문에 질량이 없는 빛도 중력이나 관성의 영향을 받는다.
3. 힉스 메커니즘과 질량
3.1. 힉스 메커니즘에 의한 질량
양자역학이 도입되고 행렬역학, 파동역학이 정립된 이후인 1960년대에, 영국의 물리학자 피터 힉스가 힉스 입자의 개념을 제창하였다. 게이지 대칭성이 힉스 입자에 의해 저절로 깨지면서 게이지 보손과 페르미온이 질량을 가지게 되는 것을 힉스 메커니즘이라 하고, 이때 물체가 힉스 장(場, field)과 상호작용하는 정도를 정량적으로 표시한 값이 바로 질량이다. 힉스 입자/메커니즘을 상정하지 않는다면 표준모형의 모든 기본입자의 질량값이 0이 나온다. 그러나 실제 기본입자 중 질량을 갖는 입자가 있으므로, 그 입자들이 어떻게 질량이라는 개념으로 불리는 그 물리값을 가지고 있는 것인지를 설명하는 것이다. 즉, 질량이라는 개념은 힉스 입자/메커니즘과 별도로 성립되어 있고 힉스 입자/메커니즘은 기본 입자에 질량을 부여할 뿐이다.광자와 같은 광속 운동 입자를 제외한 기본 입자에 힉스 메커니즘이 질량을 부여하는 이유 자체도 힉스 메커니즘이 해당 기본 입자의 가속을 계속하여 방해하기 때문이다. 기본 입자가 공간 속에서 가속하면 계속하여 힉스장의 간섭을 받게 되면서 그 운동에너지가 감소하는데 바로 그 만큼이 그 입자의 질량이 되는 것이다. 힉스 메커니즘이 없었다면 모든 기본입자의 질량이 0이 되어 광속으로 날라다니고 입자간 상호작용이 매우 달라지겠지만, 기본적으로 질량이라는 물리 현상 자체가 사라지는 것은 아니다.
3.2. 힉스 메커니즘에서 기원하지 않은 질량
예를 들어, 실제로는 불가능하지만 질량이 0인 거울상자를 상상해보자. 그리고 그 안에 무수히 많은 광자가 움직이며 거울에 반사되고 있다고 상상해보자. 분명 거울상자 자체의 질량도 0이고 광자의 질량도 0이다. 그런데 광자가 안에서 움직이고 있는 거울상자의 질량을 재면 이는 0이 아니다!! 그 유명한 아인슈타인의 E=mc2에 따라 거울상자 안의 광자가 보유한 에너지의 총 양을 광속의 제곱으로 나눈 만큼의 질량이 측정되게 된다. 만약 현실적으로 거울상자의 질량이 0이라는 가정을 제거한다면, 질량이 0인 광자가 안에 있을 때와 없을 때 거울상자의 질량은 차이가 나며, 그 차는 E=mc2에 따른 값이다. 힉스 메커니즘의 유무와 상관없이 위의 상상 속 거울상자의 질량은 0보다 크다.힉스 메커니즘이 모든 물질에 질량을 부여하는 것은 아니다. 우리 몸은 다양한 원자로 이루어져 있고 이를 다 분해해 보면 수많은 기본입자로 구성되어 있는데, 그 모든 기본입자에 힉스 메커니즘을 통해 부여되는 질량을 다 더해봤자 우리 몸무게의 10프로도 설명되지 않는다. 이를테면 양성자의 경우 힉스 매커니즘으로 설명되는 질량의 비중은 6% 정도이다.[3] 나머지는 양-밀스 장이 지니고 있는 에너지 때문으로 추측된다. 양-밀스 장이 질량을 만드는 과정이 수학적으로 정리된 적은 없기에 이는 아직 추측에 머무르고 있다. 이는 마치 항력이 존재한다는 것은 알지만 이를 수학적으로 정확하게 계산할 수는 없는 것과 마찬가지이다.
블랙홀의 질량도 힉스 메커니즘과 관련이 없는 질량이다. 블랙홀이 질량을 가지는 이유는 알려져 있지 않다.
매우 부정확한 정의이지만 질량은 에너지가 갇혀있거나 제한을 받고 있는 정도라고 봐도 무방하다. 페트병 속의 물의 온도가 올라간 경우 각각 물 분자의 진동에너지가 증가되었지만 이 에너지들은 모두 페트병 속에 갇혀있으므로 페트병의 질량도 매우 미세하게나마 E=mc2에 의거하여 증가한다. 그리고 기본입자가 뭉쳐서 핵자를 이룰 때에는 기본입자가 원래 가지고 있던 에너지가 강력에 의해 서로 갇히게 되어 핵자로 결합되는 것이므로, 핵자의 질량은 각 기본입자의 질량의 합보다 크다. 한마디로 우리 몸무게의 대부분은 힉스로 인해 발생하는 것이 아니다!
4. 관련 문서
[1] 이 실험을 매우 정밀하게 수행하는 것은 일반 상대론에 대한 검증으로 간주될 수 있다. 이어지는 문단에서 설명하는 대로 일반 상대론에서는 관성 질량과 중력 질량이 정확히 같아야 하기 때문이다.[2] 관성 질량과 중력 질량의 개념은 고전 물리학에서도 나타나므로, 이 문장은 고전 시기의 의문점을 일반 상대론의 등장으로 해소할 수 있게 되었음을 나타내는 진술이다. 처음부터 잘 정립된 일반 상대론의 토대 위에서 생각하면, 두 개념을 구분하여 정의할 필요도 없고, 구분하여 정의하는 것이 가능하지도 않다. 일반 상대론에서 중력은 휘어진 시공간 구조에 관련된 문제고, 더 이상 힘의 작용으로 이해되는 현상이 아니기 때문이다. 뿐만 아니라 질량이란 것을 일반적으로 어떻게 규정할 것인가조차도 쉬운 문제가 아니게 된다.[3] R. Wang et al., The origin of proton mass from J/Ψ photo-production data, Eur.Phys.J.C 80 6, 507(2020)