5.15 질량–에너지 변환

목차 ／ 제5장: 미시적 입자

도입
**에너지 실 이론(EFT)**에서 질량은 에너지 바다(Energy Sea) 속 자립 매듭에 저장된 에너지이고, 에너지는 그 바다를 가로지르는 코히어런트 패킷입니다. 변환은 매듭을 풀어 파동으로 돌려보내거나, 파동에서 실을 뽑아 매듭을 닫는 것을 뜻합니다. 같은 장력 환경에서는 환산 비율이 고정되며, 환경이 달라지면 지역 장력에 맞춰 시계와 자를 재정렬해야 합니다.

I. ‘질량 → 에너지’의 신뢰할 사례(매듭이 파동으로 풀림)

• 입자–반입자 소멸: 전자와 양전자가 실을 바다에 반환하면서 거의 모든 에너지를 두 개의 광자로 방출합니다. 수명 짧은 많은 메손의 붕괴도 같은 논리입니다.
• 여기 상태 이완(코히어런스 소실): 들뜬 원자·분자가 더 낮은 비용의 구조로 내려가며 에너지 차이만큼 광자를 냅니다. 분광과 레이저 매질의 기초입니다.
• 핵반응의 질량 결손: 융합은 핵자를 더 안정적인 구조로 ‘엮어’ 총질량을 줄이고, 분열은 ‘지나치게 빡빡한’ 구조를 손쉬운 조합으로 다시 쓰며 남는 에너지를 중성자·감마선·파편 운동에너지로 돌립니다.
• 고에너지 붕괴와 제트: 무거운 입자는 급히 해체되고 구조 에너지를 다수의 가벼운 산물과 복사로 보냅니다. 에너지 장부는 분명합니다.
  공통 그림: 안정/준안정 구조가 다시 쓰이고, 저장 에너지가 파동 패킷과 가벼운 입자로 돌아갑니다 — 매듭이 파동으로 풀립니다.

II. ‘에너지 → 질량’의 신뢰할 사례(파동이 매듭으로 닫힘)

• 강한 쿨롱장에서의 쌍생성: 고에너지 감마선이 무거운 핵 근처에서 장에 포획되어 e⁻e⁺ 쌍으로 바뀝니다. 입력은 장 에너지, 출력은 정지질량을 가집니다.
• 두 광자/강장 쌍생성: 경질 광자 충돌이나 초강력 레이저–전자빔 상호작용이 문턱을 넘어 전하 쌍을 만듭니다. 초주변 무거운 이온 충돌이 이를 또렷이 보여 줍니다.
• 가속기에서의 무거운 입자 생성: 빔 에너지가 극소 시공간에 모여 실이 한꺼번에 뽑혀 잠깐 닫히고, W·Z·톱·힉스가 나타난 뒤 곧 붕괴합니다.
• ‘바닥 잡음’을 실제 광자로 증폭: 동적 카시미르 효과와 자발 매개변환은 입력 신호 없이도 상관된 광자쌍을 만듭니다. 영점 요동이 외부 펌프로 문턱을 넘는다는 증거입니다.
  공통 그림: 외부 공급이나 기하 재설정이 국부 장력/코히어런스를 핵형성 문턱 위로 밀어 올려, 짧은 반쪽 매듭을 실재 매듭으로 바꿉니다.

III. 현대 물리가 닿은 범위
장과 양자 요동의 언어는 확률·각분포·산출·에너지 보존을 높은 정확도로 예측하며 실용적으로 매우 성공했습니다. 힉스 메커니즘은 다수 입자의 정지질량을 파라미터화합니다. 그러나 무엇이 물리적으로 요동하는가, 왜 진공이 그렇게 물결치는가라는 그림의 질문에는 추상과 공리가 우선되어, 물질적 메커니즘 도식은 부각되지 않습니다.

IV. EFT가 제시하는 구조 메커니즘
바다는 당겨지거나 느슨해질 수 있는 연속 매질이고, 실은 바다에서 뽑힌 재료선으로 고리로 닫힐 수 있습니다.

• 질량 → 에너지: 자립 조건이 무너지면(장력 재기록, 위상 언락, 과도 압력) 매듭이 열리고 에너지가 최저 임피던스 복도로 패킷 형태로 흘러나갑니다.
• 에너지 → 질량: 장이나 기하가 국부 장력을 올리고 공급이 지속되며 위상이 락될 때, 바다는 실을 뽑아 닫힘을 시도합니다. 대부분은 반쪽 매듭으로 사라지지만, 일부가 문턱을 넘어 검출 가능한 입자가 됩니다.
• 교환과 스케일링: 동일 환경에선 비율이 일정하며, 서로 다른 환경을 비교할 때는 지역 장력으로 재스케일합니다.
  이 “물질 지도”는 변환을 문턱 도달 여부·재결합 양상·최소 저항 경로의 세 질문으로 환원합니다.

V. 두 언어의 대조 — 예시

• e⁻–e⁺ 소멸 — 장: 광자가 에너지를 운반. 실·바다: 역감김이 풀리며 빛의 빔으로 떠남.
• 무거운 핵 근처의 γ→쌍 — 장: γ → e⁻e⁺. 실·바다: 핵이 장력을 문턱 위로 올려 파동이 쌍으로 닫힘.
• 두 광자/강장 — 장: 집중 에너지가 문턱 초과. 실·바다: 두 공급이 위상을 락해 반쪽 매듭을 문턱 너머로 민다.
• 콜라이더 생성 — 장: 빔 에너지가 새 입자로 응축. 실·바다: 고장력 거품이 두꺼운 실을 뽑아 무거운 매듭을 닫고 곧 해체.
• 동적 카시미르 & 매개변환 — 장: 요동이 실제 광자로. 실·바다: 경계/모드의 급변이 반쪽 매듭의 포획·증폭 경로를 연다.

VI. 공통의 검증 지문

• 닫힌 에너지 장부가 사건·표본 수준에서 성립합니다.
• 문턱과 기울기가 측정 가능하며, 지역 장력과 펌프 세기에 따라 달라집니다.
• 편광–위상 공변성이 경로상의 배향 장력 회전에 동조합니다.
• 채널 선호성: 저임피던스 복도에서 방출·쌍생성이 잘 일어나며, 공간 패턴이 채널 기하를 따릅니다.

요약하면

• 현대 물리는 질량–에너지 상호변환을 이미 정량화했고 실험이 이를 재확인했습니다.
• 그러나 진공이 왜 물결치고 에너지가 어떻게 입자가 되는지에 대한 **상(像)**은 여전히 추상적입니다.
• EFT는 바다가 실을 뽑고, 실이 매듭으로 닫힌다는 구체적 메커니즘을 제시합니다. 문턱 아래에는 반쪽 매듭과 바닥, 그 위에는 검출 가능한 입자, 불안정 매듭은 실을 바다에 돌려줍니다.
• 두 언어는 겹치는 영역에서 합치하며, 차이는 재료와 경로 저항까지 설명하느냐에 있습니다. 이 그림으로 우리는 각 실험에서 바다의 어느 구역이 당겨졌고, 어떤 경로가 가장 매끈했으며, 어떤 단계에서 핵형성 문턱을 넘었는지를 짚어낼 수 있습니다. 그 결과 왜 파동이 질량이 되고, 왜 질량이 파동으로 풀리는지를 설명할 수 있습니다.