양자효과
초전도체, 전자현미경, 레이저 등의 많은 영역에서 사용되는 양자효과는 지구상의 여러 기술에서 사용되고 있고 새로운 상업영역에서 응용되어 그 전망이 밝습니다. 라디오에 있는 시계가 인기가 높은 이유는 시간이 정확하기 때문입니다. 라디오 시계는 어디에서 신호를 받고, 그토록 정확한 이유는 무엇일까요? 여러 대학과 연구단체에서 공기를 통해 정확한 시간을 설정해 주는 신호를 보내는 방식으로 이 시계를 작동하는데, 이때 원자시계로 신호를 발생시킵니다. 이 원자시계의 정확성은 양자법칙의 직접적 응용결과입니다. 원자의 전자를 허용 궤도에 고정시켜, 더 엄밀하게는 양자조건화하여 정확성을 담보하기 때문입니다. 이는 한 전자의 서로 다른 두 조건이 일정한 에너지 차이를 유지한다는 뜻입니다. 이 우주에 존재하는 모든 원소의 원자들도 마찬가지입니다. 이 에너지 차는 특정 주파수에 반응하고, 이 주파수는 시간의 역수이므로, 주파수를 정확히 측정하면 그에 따라 정확한 시간 신호가 얻어집니다. 오늘날 가장 정밀한 원자시계의 정확도는 1대 1천15 이상입니다. 전선을 타고 전류가 흐르면 전류가 따뜻해집니다. 원인은 도체의 저항입니다. 고품질의 구리 전선도 이 저항은 피할 수가 없습니다. 이 부분에서도 양자효과가 적용되며, 통상적인 물리학으로는 설명할 길이 없습니다. 양자 물리학이 밝힌 또 한 가지는 매우 낮은 온도에서 전자들은 원자라든지 초전도체의 불순물의 간섭을 덜 받기 위해 쌍을 이루며, 그에 따라 전선의 원자들과 교환하는 에너지도 작아진다고 합니다. 그렇다면 그러한 재료에서는 전도성이 거의 손실되지 않을 것입니다. 이러한 초전도성을 띠는 금속이 다수 있으며, 이들은 매우 낮은 켈빈에서 저항이 없습니다.
입자
원자보다 수억 배 작다고 알려진 입자들은 질량, 상호작용, 전하등의 특질에 따라 구분됩니다. 사람의 몸을 예를 들어서 설명해 본다면 신체는 신장, 뼈, 간과 같은 것으로 채워지는데, 각각은 엄청나게 많은 수의 세포로 이루어져 있습니다. 이들 세포는 분자들로, 분자들은 다시 원자들로 구성됩니다. 원자들은 다시 비교적 무거운 핵 한 개와 그를 둘러싼 가벼운 전자껍질로 구성됩니다. 현재까지의 지식으로 보면 전자가 사실상 기초입자이기는 하지만, 원자핵도 내부에 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 각각의 핵은 양으로 하전 된 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성되며 이들의 질량은 거의 동량입니다. 양성자와 중성자는 각자 고유한 내적 구조를 띠고 있습니다. 각각 3개의 '쿼크'를 품고 있습니다. 이 입자들은 상상조차 어려운 극소공간에 뭉쳐 있으며, 오직 양자물리학과 상대성 이론의 도움을 빌어 설명할 수 있습니다. 이들의 상호 인력에너지는 너무도 막대해서 양성자와 중성자 내 입자들은 진공에서 끊임없이 형성되고 다시 사라집니다. 양자물리학의 기본원리는 이러합니다. 모든 물체는 파동과 입자 성질을 모두 띱니다. 심지어 전기적 힘과 핵의 힘도 입자처럼 작용합니다. 즉 힘을 실어 나르는 입자를 통해 작용합니다. 여러 입자 가운데 이미 우리에게 익숙한 광자가 있습니다. 전자기복사의 양자량인이 광자는 모든 전기적 자기적 상호작용의 운송체입니다. 이 밖에도 전자는 두 개의 무거운 형제, 즉 뮤온과 타우 입자를 가지고 있습니다. 양성자와 중성자 안에는 이른바 업쿼크와 다운쿼크가 있고, 둘 다 더 큰 두 친천입자들을 가지고 있습니다. 전자 뮤온과 타우도 각각 중성미자라고 하는 짝을 가지고 있습니다. 이 짝들은 전기적으로 중성이고 거의 질량이 없습니다. 우주에 존재하는 것으로 알려진 모든 물질은 쿼크, 전자, 중성미자로 구성되어 있습니다.
근본 힘
양자장 이론은 자연의 네 가지 근본 힘 가운데 중력을 제외한 세 힘을 통합한 이론인데, 제임스 맥스웰은 전자기이론과 광학이론을 통합하여 발전시켰습니다. 먼 거리에 걸쳐 작용하는 중력과 전자기력의 세기는 거리의 제곱에 비례하여 감소합니다. 중력은 일반상대성이론으로만 설명 가능한데, 이 이론은 기본입자 수준으로 내려가면 더 이상 성립하지 않습니다. 한편, 양자전자역학에서는 양자장 이론을 통해 전자기장을 설명하는데, 원자의 전자껍질 내부의 모든 상호작용, 나아가 원자 간, 분자 간의 상호작용까지 꽤 정확하게 설명해 줍니다. 베크렐, 그리고 마리와 피에르 퀴리 부부가 공동 발견한 방사성은 자연에 존재하는 힘에 두 가지를 추가시켜 물리학자들의 이목을 집중시켰습니다. 하나는 전자기 상호작용보다 훨씬 강력해서 강한 상호작용이라고 불리고, 이 힘입자를 글루온이라고 합니다. 이 힘의 영향을 받는 것은 오직 쿼크뿐입니다. 쿼크만이 유일하게 색깔하전을 띠기 때문입니다. 색깔에 비유하면, 3가지 색깔 하전이 있고, 서로 다른 세 색깔의 쿼크들은 색깔-중성 양성자를 생성합니다. 강한 상호작용은 매우 잘 차폐되어 있어 오직 10~15미터 이내 거리에 있는 입자들에만 영향을 미칩니다. 약한 상호작용 또는 약한 핵력은 방사성 베타붕괴 과정에서 발생합니다. 지금까지 알려진 모든 입자들은 이 상호작용의 영향을 받습니다. 이 힘은 기본적으로 쿼크를 전자나 중성미자로, 또는 그 역으로 변형시키는 효과가 있습니다. 이때에도 이 힘이 작용하는 거리는 지극히 짧습니다. 강한 상호작용과 약한 상호작용은 모두 방사성의 원인입니다. 즉 원자핵을 여러 종류의 방사능을 방출하면서 변형시킵니다.