신의 입자 - 우주가 답이라면, 질문은 무엇인가

신의 입자 - 우주가 답이라면, 질문은 무엇인가
리언 레더먼 & 딕 테레시 지음, 박병철 옮김 / 휴머니스트 / 2017년 2월

제목에 끌려 책을 들게 되었다. <신의 입자>의 저자인 리언 레더먼은 노벨 물리학 수상자로 실험물리학자이다. 따라서, 소개에도 나와 있지만, 이 책은 실험물리학자의 관점에서 본 물리학의 역사라고 봐도 무방하다. 그나마 다행인 점은, 리언 레더먼이 무척 재밌는 사람이라는 점이다. 그래서 몇 번이나 놓을 뻔한 책을 그의 입담으로 인해 끝까지 읽을 수는 있었다. 그렇지만 물리학 전공자나 과학도가 아닌 이들에게는 결코 간단한 내용은 아니기 때문에 읽기 전에 단단히 마음의 준비를 하는 것이 좋을 것 같다.

물리학의 역사이기 때문에 책은 고대로부터 거슬러 올라간다. 그래서 책의 제목인 신의 입자는 책의 거의 후반부에 가서야 등장한다. 따라서, 처음부터 신의 입자에 대한 기대를 하면 안된다.

책을 관통하는 질문은 바로 이것이다.

"우주에 존재하는 다양한 물체들은 하나의 단순한 기본물질로 이루어져 있지 않을까?"

이 질문은 철학자 탈레스로 부터 시작되었고 지금까지 제기되어 오고 있다. 과연 이 복잡하고 광대한 우주를 구성하는 최소 단위의 입자(particle)는 무엇인가? 이에 대해 현대물리학은 6가지 종류의 쿼크와 6가지 종류의 렙톤, 그리고 매개입자(글루온, W보손, Z보손, 광자)로 이루어져 있다고 이야기한다. 문제는 쿼크와 렙톤이 질량이 없다는 것이다. 그래서 질량을 부여하는 매개, 힘이 필요한데 그것이 바로 힉스보손 입자로 표현되는 힉스장이다.

이러한 발견에 있어서 빼놓을 수 없는 것이 바로 입자 가속기이다. 신의 입자에서는 입자 가속기에 대한 이야기가 많은 분량을 차지하고 있는데, 이는 저자가 실험물리학자인 이유도 한 몫할 것이다. 입자 가속기를 통한 끊임없는 실험을 통해 새로운 물질을 계속해서 발견해왔기 때문이다.

그리고 책을 읽으면 과학의 이론이 어떻게 발전되는지 알 수 있는데 항상 과학은 가정으로 시작을 했다. 어떤 물질이 있을 것이라는 가정 하에 그 물질을 찾아내기 위해 실험을 한 것이다. 물론 실험을 하다 우연히 물질이 발견되는 경우도 있지만 기본적으로 모든 과학은 가정으로 시작하고 그 가정이 사실임을 밝혀내는 과정이다.

책에는 많은 인물이 나온다. 아르키메데스, 데모크리토스, 갈릴레오, 브라헤, 코페르니쿠스, 케플러, 뉴턴, 토리첼리, 라부아지에, 돌턴, 멘델레예프, 패러데이, 맥스웰, 헤르츠, 아인슈타인, 보어 ... 이들 한 명, 한 명에 대한 책만도 수십권은 될 것인데, 그들을 이 한 책에 축약했으니, 책이 도저히 얇아 질 수 없었을 것 같긴한다. 그리고 네 가지 힘인, 전자기력, 중력, 약력, 강력에 대해서도 과학의 역사와 함께 자세히 설명하고 있다. 각 인물들이 어떤 발견과 발전을 가지고 왔는지 다음과 같이 요약한다.

"지금까지 언급된 내용을 저일해보자. 19세기에 프라운호퍼와 키르히호프가 밤을 새워가며 노력해준 덕분에 스펙트럼선의 위치가 정확하게 알려졌고, 원자(또는 분자)가 특별한 파장의 복사에너지를 흡수하거나 방출한다는 사실도 알았다. 또한 막스 플랑크 덕분에 빛이 양자단위로 방출된다는 사실을 알았으며, 헤르츠와 아인슈타인 덕분에 빛의 흡수 역시 양자단위로 이루어진다는 사실도 알게 되었다. 톰슨은 전자를 발견했고 러더퍼드는원자의 구조를 알아냈다. 즉, 원자의 중심부에는 아주 작은 원자핵이 자리 잡고 있으며, 나머지 공간에 전자가 흩어져 있다.(대부분의 공간은 텅 비어 있다.) 그 후 닐스 보어는 전자가 한정된 궤도만 점유할 수 있다고 주장했다. 전자는 에너지양자를 흡수하여 더 큰 궤도로 점프할 수 있고, 작은 궤도로 떨어질 때엔느 빛의 양자인 광자를 방출한다. 이 양자는 고유의 파장을 갖고 있으며, 스펙트럼선을 만드는 원인이기도 하다."

책을 읽고 나니 공부해야할 양이 산더미 처럼 쌓인 느낌이다. 생소한 용어를 접하다 보니 전체적인 개념이 다 정리가 되어 있지 않아서 이다. 물리학, 과학에 대한 다른 책들도 읽으면서 다시 한 번 개념을 정리하고 내용을 이해하는 과정이 필요할 것 같다.