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. 

음식과 약의 경계선은?

감정의 식탁
게리 웬크 지음, 김윤경 옮김 / 알에이치코리아(RHK) / 2015년 12월

  이 책은 각 장이 질문으로 시작된다. 그리고 그 질문에 대한 답을 찾아가는 형식으로 되어 있어 흥미 있게 읽을 수 있다. 그런데 제목을 왜 감정의 식탁이라고 번역했을까? 책에 담고 있는 다양하고 재미있는 내용을 제목이 너무 축소시키는 듯이 보인다.

  약물이든 음식이든 모두 신경세포와 신경전달물질 시스템에 영향을 미치며, 그 결과 우리의 생각과 감정과 태도 또한 바뀔 수 있다고 한다.

  하느님의 존재나 가슴 뛰는 사랑, 영혼이나 연애의 감정 같은 마음 속 깊은 감정들은 모두 생화학적 결과다. 미래에는 신과 대화하도록 도와주고 사랑에 대한 욕구가 솟구치도록 할 약 또한 개발될 수 있다고 한다.

  아침에 일어나 제일 먼저 당분을 섭취하고자 하는 이유는 뇌가 그 보상으로 도파민과 내인성 아편 물질을 분비해 기분 좋은 상태를 만들어 주기 때문이라고 한다. 또한 뇌가 학습과 기억에 필요한 화학물질을 생성하기 위해서도 반드시 당분이 필요하지만 과도한 당분 섭취는 췌장이나 심혈관계 건강에는 해롭다.

  칼로리 제한은 노화를 늦추고 전반적으로 건강을 향상시키는 아직까지는 유일하게 효과적이고 과학적으로 입증된 방법이다. 하지만 우리 뇌는 먹을 것이 부족한 시기에 진화했기 때문에 먹을 것이 있을 때 뭐든 먹어두려는 유전적 습성이 남아있다.

  뇌의 주요 목적은 우리가 살아남아 유전자를 후대에 전달하는 것이며 이 목적을 이루는데 먹는 행위는 우리 뇌가 계획하고 통제하는 아주 중요하고 필수적인 행동이다. 생존에 필요한 칼로리를 섭취하면 뇌는 그에 대한 보상으로 엔도르핀과 엔도카나비노이드라는 강력한 신경전달 물질을 분비한다. 배가 이미 고통스러울 정도로 불렀는데도 계속 먹게 되거나 식사 후 포만감이 있는데도 열량 높은 디저트를 탐닉하는 이유는 이 때문이다.

  광대버섯이 일으키는 환각은 평범한 물체가 실제보다 더 크게 보이거나 작게 보인다고 보고하는데 작가 루이스 캐럴은 분명 이 버섯을 먹었을 때 나타나는 지각변화를 인지하고서 이 요소를 <이상한 나라의 앨리스>에 집어넣었을 것이라고 한다.

  도파민과 노르에피네프린은 감정 조절 외에 많은 일을 하는 화학물질로 통칭해서 카테콜아민으로 불린다. 노르에피네프린은 각성, 각성과 관련된 행동들과 관련이 있고, 도파민은 보상의 경험, 보상을 얻기 위한 행동과 밀접하게 연관되어 있다.

  코카인은 시냅스에서 도파민과 세레토닌의 효과를 강화한다는 점에서 암페타민과 비슷한 작용을 한다. 코카인이 뇌에 작용하면 각성도가 높아지고 허기가 줄어들며 신체적 정신적 지구력이 강해지고 운동신경 활동이 늘어나며 일상에서 느끼는 쾌감이 강렬해진다. 코카인의 중독은 무척 강력하고 뇌 기능에 미치는 결과도 광범위하게 나타난다. 그러나 공급이 떨어지면 심한 우울증이 찾아온다. 코카인 남용이 일으키는 감정의 기복은 로봇 루이스 스티븐슨의 <지킬박사와 하이드>를 통해 짐작할 수 있다.

  LSD라는 환각제는 단 몇 분 만에 세레토닌성 신경세포의 활동이 눈에 띄게 느려지는데 사실 환각이라는 뇌의 복잡한 과정에 시동을 거는 첫 방아쇠 역할을 하는 것으로 보고 있다.

  향정신성 혹은 정신확장성 약물은 우리의 의식과 시공간에 대한 감각, 실제 주변 세계에 대한 지각을 바꾸어 놓는다. 오늘날 우리에게 익숙한 조직적인 종교의 시초라고 할 수 있는 고대의 신비주의 사회는 신과의 소통을 가능하게 해주는 환각유발 식물을 보편적으로 사용했기 때문에 출현할 수 있었다.

  세레토닌성 신경세포는 환각제가 일으키는 작용에 관여하기 때문에 다양한 문화의 개개인이 신앙을 표현하는 일에도 관여할 수 있다. 실제로 종교 체험은 오른쪽 해마의 뒷부분이 활성화 되거나 두정엽의 윗부분이 비활성화되는 현상 그 이상도 그 이하도 아닐지 모른다. 아니면 실제로 신과 소통하면서 뇌가 보이는 반응일지도 모른다.

  우리 뇌가 계획적으로 설계되었다는 증거는 아직 없다. 뇌는 그저 우리가 지금의 환경에서 살아남아 후손을 남기는데 필요한 만큼 최선을 다할 뿐이다. 익숙한 환경이 너무 갑작스럽게 변했을 때 우리 인간이 살아남으리라는 보장은 어디에도 없다. 이 지구상에 존재했던 모든 종의 95퍼센트는 이미 멸종 했다. 진화는 그때그때 생존에 필요한 무언가를 만들어낼 뿐 그 이상을 의도적으로 창조하지 않는다. 일반적으로 우리의 뇌는 어떤 계획된 의지가 아닌 환경의 중립적인 힘에 의해 체계화되었다.

  일반적으로 건강에 나쁘다고 인식되는 일부 물질이 뇌의 노화에는 긍정적인 영향을 주기도 한다. 니코틴은 킬레이트 물질이 다량 함유하고 있어 신경 보호 작용을 할 수 있다. 흡연과 카페인 음료를 마시면 파킨슨병의 발병률이 낮아지고 알코올은 알츠하이머 병의 발병 시기를 늦춰준다. 마리화나는 다발성 경화증, 파킨슨 병, 알츠하이머병, 헌팅턴병, 다양한 자가면역질환 등 뇌의 염증을 수반하는 노화 질환의 발병 가능성을 줄이는데 효과적이라고 한다. 그러나 현재로서는 인지력을 크게 개선하거나 뇌의 노화를 예방할 수 있는 방법은 없다고 한다.

  결국 도파민, 노르에프네프린, 세레토닌의 작용이 인간의 감정과 행동까지 통제한다고 해도 과언이 아니며, 이 세 가지 물질의 작용과 흡수과정을 아는 것은 인간을 통제할 수 있다는 말과 일맥상통한다고 생각된다.

 오늘도 커피 한 잔을 갈망하는 내 뇌는 도파민 분비를 통한 보상을 원하는 것 같다.

새로운 세상 - 초생명 공동체

초생명 공동체 - 우리 안의 상생본능이 펼쳐낼 인류의 놀라운 미래
린 맥타가트 지음, 황선효 옮김 / 정신세계사 / 2013년 11월

  저자는 많은 문제점을 가지고 있는 현 사회의 극복 방안으로 초생명체(그 자체로서 하나의 생명체의 자격을 갖춘 사회)적 공동체 건설을 주장 한다. 이 책은 그러한 생각의 확산을 위해 쓰인 실용서이며 지침서적 성격을 띠고 있다.

  초생명 공동체를 만들어야 한다는 당위를 주장하기 위해 특히 과학적 이론을 끌어들여 근거로 삼고 있다. 그런데 현대 과학(저자가 생각하는)을 한꺼번에 몰아 비판하는 한편, 자신의 주장에 도움이 될 만한 내용은 무비판적으로 수용하고 있다. 과학적 내용의 옳고 그름을 떠나 비과학적 태도를 취하고 있는 저자의 태도는 신뢰감을 떨어뜨린다.

  양자 물리학적 발견은 모든 개체들이 연결되어 있고 또한 주위의 모든 것과 연결되어 있음을 알아냈고 이에 우리의 삶의 방식은 바꿔야 한다고 한다. 경쟁과 개인주의 또한 우리의 본성과 역행되며 ‘존재의 다른 방식’이 필요하다고 한다.

  유전자가 아닌 환경적 영향력들이 우리 체내의 모든 유전자의 최종적 발현을 결정한다고 한다. 진화란 우연한 사고가 아니라 협동적인 과정이며 생명체와 환경 사이의 조화를 추구하는 정교한 조율된 끊임없는 노력이라고 한다.

  모든 생명체계에 생물학적 리듬을 일으키고 동조시켜 동시에 작동시키는 일종의 ‘외부’ 신호인 자이트게버(timekrrper)가 우주 공간에 존재하며 그 중심 스위치는 태양의 자기장이라고 한다.

  이러한 과학적 발견들은 우리가 범우주적 관계망 속에서 살고 있음을 인식해야 하고 우주를 통일된 전체 즉 서로 완벽하게 연결된 초생명체로 간주해야 한다고 한다. 그래서 우리는 새로운 공동체를 당연히 만들어야 한다고 한다.

  나는 저자가 인용한 과학적 발견들이 과학적으로 증명된 이론들인지 잘 모른다. 어차피 과학은 끊임없이 부족한 부분과 잘못된 것을 수정해 나가는 속성을 지니고 있고, 이 책은 저자의 주장을 위해 끌어들인 내용으로 채워져 있다. 저자가 주장하는 개인주의를 극복하고 함께 하는 공동체 건설에 대해서는 많은 부분에 공감하지만 저자가 자신의 주장의 근거로 삼는 과학적 이론과 지나친 비약은 우려스럽다.

  13장 ‘고장 난 세상 고치기’에는 대부분의 실용서에서 볼 수 있는 행동 지침들이 단계별로 있고 14장 ‘공부 모임을 위한 지침’에는 이 책을 이용하여 저자의 주장을 퍼뜨리고자 할 때 어떻게 해야 하는 지 날짜별로 자세하게 나와 있다. 저자의 생각에 공감하는 사람들이 생각을 확산시키기 위해 활용하기에는 유용할 것 같다. 그래서일까 마치 자신의 종교적 신념을 전하는 선교 책 같다는 생각이 든다. 그것을 극복하고자 한다면 초생명 공동체 건설의 당위성을 위한 과학적 접근에 있어 좀 더 과학적인 자세가 필요하다고 생각된다.

[100자평] 눈먼 시계공

눈먼 시계공 ㅣ 사이언스 클래식 3
리처드 도킨스 지음, 이용철 옮김 / 사이언스북스 / 2004년 8월

역시 리처드 도킨스의 책이다. 냉철하고 논리적으로 진화론을 옹호한다.

[100자평] 마의 산 -상

마의 산 -상 ㅣ 을유세계문학전집 1
토마스 만 지음, 홍성광 옮김 / 을유문화사 / 2008년 6월

다른 시대, 다른 문화, 그리고 인간의 내면을 본다.