진격의 물리학

진격의 물리학 - 인류 문명을 끌어가는 숨은 거인
이광진 지음 / 북트리거 / 2023년 5월

제임스 웹 망원경은 힉스 입자를 발견하며 질량의 기원을 밝혀낸 유럽의 대형 강입자 충돌기(LHC),그리고 100년 전 아인슈타인이 예측했던 중력파를 검증해 낸 미국의 레이저 간섭계 중력파 관측소*(LIGO)등과 더불어 ,인류의 과학적 역량의 집약체로서, 지금까지 보지 못했던 수많은 우주의 약사를 보여줄 겁니다. 수천 년전 밤하늘의 별을 보며 우주의 작동원리를 궁금해했던 인간의 지적 호기심이 이와 같은 인류 최대의 과학 작품을 만들어 낸 셈이죠 (-6-)

현존하는 최고의 이론물리학자라고 할 수 있는 에드워드 위튼(1951~) 은 필즈상을 수상한 유일무이한 물리학자입니다. 그는 양자장론이라 불리는 물리학 이론을 저차원 위상수학에 응용함으로써 위상학적 양자장론을 찬시했는데,그 여파가 이후의 수학 발전에 지대한 영햐을 미쳤기 때문에 수학 분야의 노벨상이라 불리는 필즈상을 수상하게 됩니다. 특히 그는 1995년 M-이론이라 불리는 새로운 이론을 정립하면서 초끈이론의 2차 혁명을 이끌게 되는데, 그의 이론 덕분에 현재 초끈 이론은 물리학에서 '최종이론'의 중요 후보 지위를 유지하고 있습니다. (-50-)

마이컬슨은 '마이컬슨 간섭계'를 고안하여 아인슈타인의 특수상대성이론의 실험적 배경을 제공한 인물입니다. 독일 베를린 홈볼트대학교에서 당시 가장 명망 있던 물리학자 중 한 명인 헤르만 헬름홀츠의 지도하에 연구를 수행했죠. 미국으로 돌아온 후에는 시카고대학교에서 교수로 지내면서 로버트 밀리컴(1868~1953) 과 같은 대학자를 지도하기도 합니다. (-114-)

쉽게 말해 우리 우주는 17개의 기본 입자, 즉 물질을 구성하는 12개의 쿼크와 렙톤, 이들 사이의 상호작용을 매개하는 4개의 게이지 보손, 그리고 이 모든 입자들에 질량을 부여하는 힉스 매커니즘과 관련된 힉스 입자 1개로 구성되어 있다는 이론입니다. 중력을 제외외하고 우리가 생각하는 자연의 모든 현상들은 전부 이 모형으로 설명이 가능하죠. (-174-)

역사적으로 보면 양자역학이 성립된 1930년대 이후 등장한 고체 물리학(현재의 응집물질물리학)은 수많은 원자로 구성된 고체라는 물질에서 거동하는 전자의 움직임을 성공적으로 기술하며, 20세기 중반 3차 산업혁명을 이끌었던 반도체 기술을 비약적으로 발전시키는 원동력이 됩니다. 실제로 반도체는 양자역학적으로 설명이 가능합니다.이를 통해 개발된 트랜지스터는 전자를 제어함으로써 동작하는 최초의 전자소자로서, 이후 컴퓨터의 개발로 이어지며 전자공학 혁명을 이끌게 되죠.이때 탄생한 전자공학은 이후 급속히 발전하면서 인류 문명을 선도해 왔습니다. (-231-)

예컨대 초전도체를 연구하는 과학자는 상온에서도 동작할 수 있는 초전도체를 구현하는 것이 꿈이고, 태양전지를 연구하는 과학자는 기존의 실리콘 기반 태양전지를 완전히 대체하면서도 그 효율이 떨어지지 않는 태양전지를 만들어 내는 것이 꿈입니다. 핵융합 에너지를 연구하는 과학자는 안정적으로 에너지를 얻을 수 있도록 기술적 난제들을 극복하는 것이 꿈이죠. 사실 이 셋 중 하나만 실현되어도 기후변화 문제는 단번에 해결될지도 모릅니다. 하지만 그 꿈을 이루기엔 아직도 갈 길이 멀죠. (-280-)

고3 당시,믈리학을 잘 하는 반 친구가 있었다.그 친구는 수능 외국어 영역과 수리 영역, 과학 영역은 언제나 만점을 받았고,상대적으로 언어영역이 약했다. 수업시간 틈틈히 대학 물리학 책을 펼쳐 놓고는, 경북에서 시행되는 물리경진대회를 휩쓸다시피 했다. 내가 그동안 물리학에 관심을 가지게 된 원인도 그 친구 덕이라고 말할 수 있다.

물리학은 어렵다. 인류가 지금껏 물리학에 대해서 탐구하면서, 입자의 속상에 대해서, 빛과 에너지의 속성에 대해 명확하게 검증해 온 것은 노력에 비해 성과는 열악하다. 아리스토텔레스 이후, 뉴턴의 고전 물리학,그리고, 아인슈타인의 상대성이론까지, 지금껏 인류는 물리학에 대해서, 특히 우주의 법칙을 탐구해 왔으며,최근 제임스 웹 망원경을 우 주 공간에 쏘아올린 이유도, 그동안 우주 관측의 한계를 극복학기 위함이다.

여기서 한계란 지구는 중력의 영향을 강하게 받는다는 것이다. 대기가 있고, 우주를 관찰하기에는 매우 열악한 환경이다. 지구 내의 대기산란은 우주가 가지고 있는 물리학적 법칙을 구현해내기란 거의 불가능에 가깝다. 아인슈타인의 중력파 에 대해서, 최근에서야 검증될 수 잇었던 이유도,기술적 한계,과학의 한계를 여실히 보여주고 있었다. 책에서 놓칠 수 없는 것은 양자역학에 대해 이해하는 것이다. 반도체의 원리, 컴퓨터의 원리는 양자역학을 이해해야 원리를 이해할 수 있다. 초끈이론이 인간의 인식 체계에서, 이해가 되지 않는 것도 무리는 아니라고 말할 수 있다.하지만 전자에 의해 구현되는 양자역학은 초전도체 안에서, 물리학적 법칙이 진행되고 있으며,앞으로 산적된 난제를 해결할 수 있을 때,물리학은 비약적인 발전이 가능하다.결국 인류가 무엇을 어떻게 사용하느냐에 따라서 달라진다. 여전히 우주 공간의 95 퍼센트는 암흑물질, 암흑 에너지로 이루어져 있다. 이 말인즉슨 인류가 지금까지 밝혀낸 원소나 원자, 전자, 물질,에너지 만으로, 우주의 질량의 5퍼센트 밖에 알아내지 못했다는 의미다.