백 년이 넘는 기간 동안 원자의 중심부로의 과학적 여정을 통해 우주에 존재하는 모든 물질들의 기저에 존재하는 우아한 구조가 밝혀졌습니다. 모든 물질들은 근본적인 성질들로 가득 차 있는 몇 개의 아원자 입자들로 구성돼 있는데 4가지 기본적인 힘들을 통해 서로 상호작용하고 있습니다.
주기율표
그리스의 철학자 데모크리토스는 기원전 4세기 무렵, 모든 물질들은 아주 작은 입자들로 구성돼 있을 것이라고 추측했지만, 이 원자들의 실체는 18세기와 19세기에 지속된 연구 결과로 명백해졌습니다. 1860년대 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 서로 다른 원소들을 그 질량과 화학적 반응성에 따라 배열한 독창적인 체계를 고안했는데, 이것이 바로 주기율표입니다.
원자내부
그러나 원자 내부의 입자들을 발견하고 나서야 과학자들은 비로소 왜 서로 다른 원소들이 그들만의 방법으로 반응하는지를 이해할 수 있었습니다. 이 입자들 중 최초의 입자인 전자는 1897년 영국의 물리학자인 조지프 존 톰슨에 의해 발견됐습니다. 이 가벼운 입자는 음전하를 운반했는데, 톰슨은 가열된 전극에서 방출되는 음극선 안에서 이를 발견했습니다. 곧 특정 원자가 갖는 전자의 개수가 그 원자의 반응성과 관련 있다는 것이 명백해졌습니다. 즉 전자의 교환이나 공유를 통해 화학 결합이 일어나고, 개별 원자에 전자가 추가되거나 제거되는 과정을 통해 전하를 띄는 이온이 만들어지는 것입니다.
1990년 뉴질랜드의 물리학자 어니스트 러더퍼드와 그의 동료들은 방사성 입자들을 얇은 금박에 쏘는 실험을 통해서 대부분의 입자들은 금박을 통과하지만 아주 드물게 한 개 정도가 도로 튕겨 나온다는 사실을 보여 줬습니다. 이로부터 그들은 원자는 전체적으로 텅 빈 공간이며, 그 질량과 양전하의 대부분은 중심부의 핵에 집중돼 있고, 전자가 그 주위를 돈다고 생각하게 됐습니다. 1932년까지 핵은 양성자와 중성자로 구성돼 있는 것으로 알려졌습니다.
입자 동물원에 대한 이해
1930년대와 1940년대 2차 세계대전과 원자력에 대한 경쟁 덕분에 원자의 구조에 대한 탐사가 가속화됐습니다. 이러한 탐사를 위한 가장 유용한 도구는 입자 가속기였는데, 입자 가속기는 전자기장을 이용해 원자와 다른 입자들을 극한의 속도로 가속시킨 다음 그것들을 서로 충돌시켜 거기서 방출되는 파편들을 조사하는 장치입니다. 이러한 방법으로 검출된 모든 입자들이 원 물질의 구성 성분인 것은 아닙니다. 충돌에 의해 방출된 에너지는 아인슈타인의 E=mc^2 공식에 따라 흔히 볼 수 없는 다른 입자로 변환될 수 있습니다. 그 결과, 아원자 입자들의 수가 급격이 증가해 매우 혼란스러운 입자 동물원을 만들어 내게 됐습니다.
물질과 힘에 대한 이러한 표준적 모형은 1960년대 이후로 수많은 테스트를 견뎌 냈지만, 아직 많은 의문점들이 남아 있습니다. 이론물리학자들은 다음과 같은 문제들을 풀기 위해 노력하고 있습니다. "왜 서로 다른 힘들이 각각의 방식으로 작동하는가?", "그 힘들은 하나의 '모든 것의 이론' 안에서 통합될 수 있는가?", "왜 기본 입자들은 그러한 성질들을 보여 주는가?" 한편 실험물리학자들은 2008년 프랑스와 스위스의 국경 지역에 세워진 대형 강입자 충돌기를 이용해 이론물리학자들에 의해 예측된 새롭고 찾기 힘든 입자들을 탐지해 낼 수 있기를 기대하고 있습니다.