소립자 이야기

재밌어서 밤새읽는 소립자 이야기 ㅣ 재밌어서 밤새 읽는 시리즈
다케우치 카오루 지음, 조민정 옮김, 정성헌 감수 / 더숲 / 2015년 12월

  어려운 과학 내용을 쉽게 풀어서 이해하기 쉽고 재미있게 쓰여 있는 ‘밤새 읽는’ 시리즈답게 친절한 설명으로 소립자에 대해 알려준다.

1장 재밌어서 밤새 읽는 소립자 이야기

  물리학자는 대조적인 성격의 ‘이론 물리학자’와 ‘실험 물리학자’로 나뉘며 그 가운데서 가교역할을 하는 ‘현상론 연구자’들이 있다는 이야기와 파인만과 겔만의 예를 들며 소립자의 이름이 쿼크로 정해지기까지의 숨은 일화를 소개하며 흥미를 높이고 있다.

  지금까지 물리학자들은 물질을 만드는 소립자(쿼크와 렙톤) 12종류와 이를 연결하여 물질을 구성하는 소립자(보손) 4종류를 알아내었다고 한다. 물질 사이의 상호작용을 매개하는 글루온은 퀴크를 붙이는 역할을 하고, 광자는 (+)전하와 (-)전하 사이에서 작용을 하고 위크보손은 뉴트리노의 반응에 작용한다고 한다.

  마지막으로 발견한 것이 ‘힉스’입자인데 질량을 부여하는 입자이다. 광자와 글루온이 없으면 원자가 존재할 수 없듯이 역시 힉스 입자가 없어도 원자는 존재할 수 없다.

  질량이 0인 입자는 빛의 속도로 움직인다. 브레이크가 없이 날다 어떤 물질과 부딪쳐 반응하면 소멸한다. 입자의 질량이 0이라는 것은 양성자와 중성자로 구성된 원자핵이 생길 수 없다는 말과 같고 우주의 물질, 인간, 생물, 천체도 모두 존재할 수 없다는 말과 같다. 광자는 유일하게 힉스 입자의 영향을 받지 않는 소립자다.

2장 힉스 입자와 초끈이론 이야기

  ‘양자’는 물리학의 최소 단위이고 알갱이의 이미지가 떠오르지만 ‘장(field)’이다. 고전적 의미의 장은 무한대로 작은 용수철이 가득 차있는 형태인데 양자장은 최소의 단위가 있는 장이고 디지털 장이다. 소립자의 본질은 양자장이다.

  뉴턴 방정식은 틀린 것이 아니라 ‘천천히 움직이는 물체일 때는 맞지만 물체가 광속에 가깝게 움직일 때는 그 오차를 수정할 필요가 있다.’는 것이며 그 수정 부분이 아인슈타인의 상대성 이론이라고 한다.

  20세기 초 인류 문화가 크게 진보했던 까닭은 어쩌면 ‘이 세계는 본질적으로 모호하다. 절대적으로 정해진 세계가 아니다.’라는 점을 깨달았기 때문이 아닐까라고 저자는 말한다. 흥미롭게도 그와 동시대에 미술계에는 피카소가 등장했다.

  만약 소립자에 불확정성이 없다면, 그러니까 이 세계가 양자로 이루어져 있지 않았다면 이 세계는 붕괴해버리고 말 것이다. 전자는 관측이나 상호 작용이 있을 때 비로소 어느 위치에 수렴된다. 그래서 관측될 때까지 실체가 없다. 소립자는 상호작용으로 장소가 확정되는데, 이는 곧 ‘상호작용이 없으면 장소는 확정되지 않는다’라는 의미이기도 하다.

 물리학의 사고는 점점 구체적 물질에서 추상적 개념으로 변하고 소립자나 양자장도 물질은 아니다. 소립자의 세계는 1센티미터를 10으로 33번 나눈 세계이므로 실험 자체가 불가능하다.

3장 시공과 우주 창조 이야기

  물질이 고정되어 빛이 보이게 될 때까지 30만년이 걸렸다. 그래서 우리는 우주 탄생 후 30만년 뒤의 모습을 겨우 망원경으로 관측할 수 있게 된 것이다.

  사소한 차이 불균형으로 대칭성이 파괴된다. 소립자의 세계에서 승자인 물질이 반물질보다 조금 많아 모두 독점해버리는 바람에 우주 전체의 물질이 되어 버렸다. 기본적으로 우주 발전은 전부 자발적 대칭성의 파괴에 의해 이루어진다. 하지만 어째서 자발적 대칭성의 파괴가 일어났는지는 현재로서는 알 수 없다고 한다.

  서브쿼크 이론 등도 제안되었지만 현재로서는 가설일 뿐 실험으로 밝혀낼 수 있는 이론은 아니다. 초끈이론에 의하면 평행우주가 존재할 수 있지만 어디까지가 진짜이고 어디까지가 상상인지 알 수 없다. 물질을 취급했던 물리학은 아인슈타인의 등장으로 종말을 고했다고 한다.

  빅뱅이론도 몇 가지 가설이 있으며 그중 ‘빅뱅은 다른 우주와의 충돌이다.’라는 가설, ‘다른 우주가 분리되었다가 다시 중력으로 이어져 충돌하고 그래서 언젠가는 빅뱅이 또 일어날 것이다’라는 가설도 있다고 한다.

  현재 이 책에서 곧 밝혀질 것이라고 했던 힉스 입자는 이미 발견되었고 2013년 피터 힉스와 프랑수아 엥글레르가 힉스 입자의 이론적 확립을 업적으로 노벨물리학상을 받았다. 이를 바탕으로 더 많은 가설과 이론이 증명되면 현재의 많은 궁금증들도 풀릴 것이라 생각된다.

  청소년들을 위해 나온 책이지만 소립자에 대해 잘 모르는 나로서는 무척 친절한 책으로 느껴졌다. 하지만 내용의 오류도 보인다. 소립자와 블랙홀을 비교하여 설명하는 가운데 지구를 별이라고 하며 설명을 하고 있다.(82~83쪽) 소립자와 블랙홀을 비교하여 설명하기 위한 예라고 이해하고 넘어가기에는 독자들에게 특히 청소년 독자들에게 잘못된 정보를 줄 우려가 있어 꼭 내용이 수정되어야 할 것이라 생각된다.