신의 입자를 찾아서

괜찮다고 말하지만 괜찮지 않은 너와 나, 우리가 안고 사는 우울. 그리고 그 감정이 가져온 마음의 병 우울증. 화제의 채널



전 세계 과학계의 이목이 9월 10일에 집중되고 있다. 지난 달 완공된 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC)가 드디어 본격적인 가동에 들어가기 때문이다. 스위스와 프랑스 국경을 넘나들며 지하 100미터에 건설된 LHC는 둘레가 무려 27킬로미터에 달하는 지구에서 가장 큰 입자가속기이며, 그 안에 설치된 검출기 역시 단일 장치(device)로는 지구 최대의 규모이다. 역설적이게도 지상 최대의 구조물 가운데 하나인 LHC는 지구 아니 우주에서 가장 작은 물질을 발견하기 위해 만들어졌다. 인류 최대의 물리학 실험을 앞두고 그 비중만큼이나 여러 가지 추측과 예상이 쏟아지고 있다. LHC의 가동을 둘러싼 논의와 관심은 이마 과학의 범주를 넘어선 것이다. 우주의 생성 원리를 밝혀냄으로써 신의 영역에 한 걸음 다가가게 될 것이라는 낙관적인 견해에서, 지상에서 빅뱅을 재현함으로써 지구 전체를 삼켜버릴 블랙홀을 만들게 될 것이라는 종말론(인터넷에서 지구붕괴 시뮬레이션 동영상을 쉽게 찾아볼 수 있다)에 이르기까지. 과학자들에 따르면 지구 붕괴는 전혀 근거가 없는 낭설일 뿐이지만, LHC의 실험 결과가 과학자들의 예상과 어긋난다면 적어도 물리학의 이론은 완전히 새로 씌어져야 한다. 전세계가 주목하는 것도, LHC가 21세기의 바벨탑이자 판도라의 상자로 불리는 까닭도 이 때문이다. 『신의 입자를 찾아서』는 바로 이 바벨탑을 쌓기 위해 인류가 쏟은 열정의 기록이자 바벨탑에 오르기 위한 최소한의 안내서이다.



속이 궁금하면 깨보아야 한다.

입자가속기는 잘 알려진 대로 입자를 충돌시켜 깨뜨려보는 것이다. 속이 궁금하면 깨보아야 하는 법, 세상에서 가장 작은 입자도 예외는 아니다. 저자는 인류가 만들어낸 가장 크고 100미터 위를 지나가는 고속철도의 영향을 받을 만큼 예민한 호두까기인 LHC도 인간의 가장 원초적인 호기심에서 출발한 것이라고 말한다. 또 이 호기심을 풀기 위해 얼마나 많은 과학자들이 함께 머리를 맞대고 연구하고 있는지를 강조한다. 이 공동의 노력, 정보의 공유를 위해 탄생한 서출이 있었으니, 그것이 바로 세상을 바꾼 인터넷이라는 것이다. 세계 최초의 웹사이트 주소는 다름 아닌 “info.cern.ch”였다.(23쪽)



아톰은 깨진다.

정규교과 과정을 이수한 사람이라면 누구나 세상의 모든 물질은 원자로 구성되어 있고, 이 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있음을 안다. 근대적인 원자론은 19세기 초 영국의 돌턴에 의해 확립되지만, 저자는 세상 만물이 몇 가지의 근원적인 원소로 이루어져 있다는 생각(환원주의)은 그리스 자연철학 시대로까지 거슬러 올라간다고 말한다.

말 뜻 그대로 깨어지지 않는 것이라고 원자 안에 더 작은 입자들이 있음을 밝혀내는 과정(양자 역학에 이르고 입자 가속기로 나아가게 되는)을 저자는 당대의 실험들을 소개하면서 설명한다. 저자는 이 위대한 발견의 과정이 순전히 과학적 지식만으로 이루어지지 않았다는 것을 강조한다. 세기의 과학적 발견에는 언제나 인문학적?미학적 상상력 혹은 믿음이 함께 있었다. 전하량의 크기를 밝혀낸 밀리컨은 자신의 실험 결과를 통해 “자연계에 더 이상 쪼갤 수 없는 전하량이 존재한다”고 결론지은 것이 아니었다. “자연계에 존재하는 전하량은 어떤 기본 전하량의 정수배로만 존재한다”는 밀리컨의 믿음이 자신의 실험에서 의미있는 결과를 도출시킬 수 있었다는 것이다.(54쪽) 이어 “화장지를 튕겨나오는 포탄” 등의 예를 통해 원자가 전자와 핵으로 이루어져 있음을 밝혀낸 과정을 설명한다.



미시세계의 혁명

원자가 쪼개진다는 사실을 알고 나면 미시 세계가 우리를 기다리고 있다. 이 미시 세계는 양자역학으로 설명된다. 저자는 양자역학이란 “덩어리 진 것들의 상태와 운동에 관한 학문”이라고 말한다. 덩어리져 있다는 이야기는 불연속적이란 이야기이다. “명절 때 고속도로의 귀성 차량행렬을 하늘에서 내려다보면 하나의 거대한 줄처럼 보이지만 가까이 가보면 일정한 간격을 두고 있는 불연속적인 차량들의 행렬일 뿐인 것과 같다.”(71쪽) 이와 마찬가지로 원자의 반경도 전자가 특정한 궤도에만 존재하기에 불연속적이다. 20세기 초부터 여러 과학자들에 의해 봇물 터지듯 쏟아져 나온 과학적 발견, 고전 물리학의 체계를 넘어선 새로운 혁명의 과정을 『신의 입자를 찾아서』는 당시의 실험을 평이한 언어로 설명해 간다.(73~123쪽)

양자역학의 불확정성의 원리가 종종 지나치게 확대해석 되어 우리가 정확히 알 수 있는 진리란 없다는 주장을 이어지기도 한다. 하지만 저자는 양자역학은 결코 진리에 대한 의구심으로 귀결되지 않는다며 이런 근본적인 회의를 경계한다. “양자역학의 진리라는 개념이 고전적인 의미의 진리와는 다르다”는 것이다. “불확정성 원리로 인해 절대적인 진리가 불가능해졌다기보다는, 오히려 새로운 진리의 실체(예컨대 파동함수)를 발견한 것은 아닐까? 양자역학에 기반한 현대 물리학과 현대과학은 역설적이게도 전례 없는 정밀도를 자랑하며 성공가도를 달리고 있다.”(107쪽)



거인의 족적을 좇아서

양자역학과 함께 현대 과학 혁명을 이끈 상대성이론은 양자역학과 여러 가지 면에서 대조적이다. 양자역학이 여러 과학자들에 의해서 발전되어 왔다면, 상대성 이론은 거의 아인슈타인 단 한 사람에 의해 완성되었다. 또 양자역학이 전자의 반경이라는 아주 짧은 거리를 다루는 학문인데 반해, 상대성이론은 빛의 속도라는 아주 큰 물리적 계를 대상으로 삼는 점에서도 대조적이다. 저자는 아인슈타인 이전의 상대론까지 거슬러 올라가 상대론의 역사적 유래를 살핀 다음,(134쪽) “열차 속의 테러리스트”라는 설정(151~154쪽)과 유명한 쌍둥이 모순(166~169쪽)을 통해 상대성이론의 기본 원리를 설명한다.

저자는 LHC 가동되면 블랙홀이 만들어져 전 세계가 그 속으로 빨려 들어가 파멸할 것이라는 일부의 우려에 대해서도 언급하며, ‘LHC 안정성 사정집단’의 보고서를 근거로 이런 우려가 지나친 것임을 밝힌다. “안정성의 근거로 보고서는 우주선(cosmic ray: 우주에서 발생하는 강력한 에너지의 입자흐름)이 지구나 태양 등 다른 천체와 충돌하는 비율을 들고 있다. 강력한 우주서는 LHC보다 훨씬 큰 에너지를 가지고 있다. 보고서는 LHC에서 예상되는 가속입자들의 충돌횟수보다 매초 약 10조배나 많은 횟수의 충돌이 고에너지 우주선과 천체들 사이에서 일어난다고 추정했다. … 그럼에도 우리가 관측하는 모든 행성과 별과 은하 등이 매우 안정된 모습을 보이기 때문에 LHC 실험이 지구에 큰 위협이 되지 않을 것으로 결론내린다.”(205~206쪽)



우리는 지금 어디에 있는가

『신의 입자를 찾아서』 마지막 장에서는 양자역학과 상대성이론을 기반으로 해 발전되어 온 현대물리학의 최전선에 대해 소개한다. 보존과 페르미온, 게이지 이론, 힉스 장 등을 설명한 뒤 저자는 1960년대에 구축된 표준모형으로 독자들을 이끈다.(227쪽 이하) 저자는 여기서 인류의 가장 원초적인 호기심을 환기시킨다. “표준 모형은 지금 현재 인류가 ‘이 세상은 도대체 무엇으로 만들어졌을까?’에 대한 답으로 제시한, 역사상 가장 모범적인 답안이다. 그 모범답안에 들어 있는 입자들은 페르미온인 경입자 6개, 역시 페르미온인 쿼크 6개 그리고 힘을 매개하는 게이지 보존 5개, 그리고 힉스 보존 1개이다.”(254쪽) 이 모두가 발견되었는데, 오직 하나 힉스 보존만이 발견되지 않은 것이다. 신의 입자로 불리는 바로 이 힉스 보존을 발견하기 위해 세계 최대의 입자가속기 LHC가 오는 9월에 가동되는 것이다. 예상대로 “‘신의 입자’를 발견하게 된다면, 신에 대한 도전까지는 아니라 하더라도 인류는 자연의 내면에 숨겨진 그 작동 원리를 밝혀내는 데에 새로운 획을 그을 것이다.”(257쪽)



위대한 도전의 시작 앞에서

저자는 LHC 실험이 17세기 뉴턴의 고전역학과 함께 시작된 첫 번째 과학혁명과 20세기 초 양자역학과 상대성이론이 이끈 두 번째 과학혁명에 이어 새로운 과학 혁명의 시발이 되지 않을까 조심스레 진단한다. “2008년 현재 물리학이 처한 상황을 「인디애나 존스」 식으로 말하자면 성배가 숨겨진 곳으로 안내하는 지도가 안전하게 보관된 육중한 보물상자가 그 개봉을 앞두고 있는 상황이다. 이 보물상자를 발견한지 어언 40년이 지났지만 여태 이 상자를 열어볼 수 있는 방법이 우리에게 없었다. 이제 과학자들이 수년에 걸쳐 이 상자를 열어 볼 강력한 도구를 만들어 전력을 공급하고 있다.”(270쪽) 많은 과학자들의 기대대로 이 보물지도가 인류를 성배로 이끌지는 아직은 아무도 확실히 말할 수는 없지만, 한 가지는 확실해 보인다. “마침내 ‘우주를 창조할 때 신에게 또 다른 선택의 여지가 있었는지’ 우리가 알게 된다면, 그날의 역사가는 21세기의 바빌론을 이렇게 기억할 것이다. 서기 2008년, 여기 위대한 도전에 나선 인간들이 있었다고.”(271쪽)



저자 이종필은 현재 한국과학기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS) 물리학부에서 연구원으로 활동하고 있으며, ‘표준 모형’ 이후의 물리학의 흐름과 곧 발표될 LHC 실험 결과를 바탕으로 한 『신의 입자를 찾아서』 2권을 준비 중이다.