실패
LHC는 가동 초기에 힉스 보손이라는 입자를발견했다. 힉스 보손의 존재는 1960년대부터 예측되었다. 동료들과 나는 10억 달러짜리 프로젝트가 누구도 의심하지 않았던 결과를 확인하는 것 이상의 무언가를 해주리라 기대했다. - P22
천체물리학 분야 연구자들의 사정은 더 나쁘다. 그들은 1930년대에 은하단 galaxy cluster 이 눈에 보이는 모든 물질로 설명할 수 있는 것보다훨씬 큰 질량을 담고 있다는 사실을 발견했다. - P22
천체물리학자들은 암흑물질이 빛을 흡수하거나 방출하지 않는 지구상에 존재하지 않는 종류의 입자라고 믿는다. 그들은 새로운 자연법칙과 확인되지 않은 이론들을 생각해냈고, 이를 지침으로 삼아 그들의 아이디어를 실험하기 위한검출기를 제작했다. (1980년대부터 10여 팀의 실험물리학자들이 가상의 암흑물질 입자를 사냥하고 있다. 그리고 아직 그 입자들을 발견하지 못했다. 새로운 이론은 여전히 확인되지 않은 상태로 남아 있다.)
우주론도 암울한 처지에 놓인 것 같다. 우주론을 연구하는 물리학자들은 우주의 팽창 속도가 점점 더 빨라지는 이유가 무엇인지 알아내려애쓰고 있지만 성공을 거두지 못했다. - P23
우리는 새로운 자연법칙을 찾아내기 위해 어마어마한 노력을 기울였고, 그 시도는 모두 실패했다. 30년이 넘도록 물리학의 기반은 전선되지 못하고 있다. - P24
물리학의 기반은 현재 우리가 아는 한 그보다 더 간단한 것으로부터파생될 수 없는, 이론의 구성요소이다. 이 밑바닥에서 우리가 현재 손에쥐고 있는 것은 공간과 시간, 25개의 입자고, 이 요소들 사이의 관계는이 요소들의 행동을 기술하는 방정식을 통해 서로 얽혀 있다. - P24
수학으로 만들어진
물리학의 이론들은 수학으로 구성된다. 우리가수학을 사용하는 이유는 미분기하학이나 등급 리 대수 graded Lie algebra를잘 모르는 사람들에게 겁을 주기 위해서가 아니다. 수학을 사용하는 이유는 우리가 바보이기 때문이다. - P25
물리학에서 수학이 거둔 성공은 어마어마했다. 그 성공 때문에 기준은 더욱 엄격해졌다. 오늘날 우리가 세우는 이론들은 (수학적 관계 또는정의로서의) 가정들과 이러한 수학을 현실의 관측 대상과 연결시키는 해석이 결합한 것이다. - P26
이미 성공을 거둔 이론들의 성과가 새 이론에서 재현됨을 입증하는것은 대단히 어렵다. 새 이론에서는 예전 이론과 완전히 다른 수학의 틀을 사용하기 때문이다. 그럼에도 불구하고 두 이론이 기존 관측 내용에대해 동일하게 예측한다는 점을 보여주려면, 새 이론을 달리 표현할 적절한 방법을 찾아야 한다. - P27
물리학이 갈망해온 것
과학 이론은 언제나 논리적 일관성을 요구하지만, 수학적 모델링이 모든 분야에 도움이 되는 것은 아니다. 엄격함과 맞지 않는 데이터를 다룰 때, 언어를 엄격하게 사용하면 앞뒤가 맞지 않게 된다. - P28
이 정확성 때문에 물리학은 큰 성공을 거둘 수 있었지만, 그래서 어렵기도 하다. (중략). 수학 때문에 물리가 어려운 것은 아니다. 진짜 어려운 문제는 정확한 수학을 찾는 것이다. - P29
앞서 말한 대로, 우리는 이 세상이 무엇으로 만들어졌는지 알아내기위해 탐사하던 중 25개의 기본 입자를 발견했다. 초대칭은 이미 알려진 입자들, 그 밖의 몇몇 입자의 짝꿍 입자를 예측하며 기본 입자 컬렉션을 완성시킨다. 초대칭 입자들은 아직 발견되지 않았지만, 초대칭적 완성은 상당한 매력이 있다. - P31
(전략). 다시 말해 알려진 보손들은 모두 페르미온 짝꿍을 가져야 하고, 알려진 페르미온들도 모두 보손 짝꿍을 가져야 한다. 이 짝꿍입자들, 즉 초대칭 입자들은 각각 보손과 페르미온 그룹에 속해 있다는 점 외에는 완전히 동일해야 한다.
발견된 입자들 가운데 이런 식으로 짝지어지는 것은 없다. 우리가 내린 결론은 현재 알려진 입자 중에는 초대칭 입자가 없고, 새로운 입자들이 어딘가에서 발견되기를 기다리고 있다는 것이다. - P32
페르미연구소의 물리학자 댄 후퍼는 이런 글을 남겼다. "초대칭 입자를 찾기 위해 수백 명의 물리학자가 숱한 실험을 하며 노력했지만, 초대칭 입자는 한 번도 관측된 적도, 검출된 적도 없다.
이런 사실도 자연이 초대칭 상태로 형성된다고 열렬히 믿는 이론물리학자들을 단념시키기에는 역부족이었다. 초대칭 너머의 아이디어들은 너무나도 아름답고 우아해서 도저히 우리 우주의 일부가 아니라고 할수가 없다. 초대칭이론들은 무수히 많은 문제를 해결해주면서 이 세상에 자연스럽게 들어맞는다. 이런 신실한 신자들에게 초대칭 입자는 무조건 존재해야만 하는 것이다."² - P33
1장 물리학의 숨은 규칙
2 Hooper D. 2008. Nature‘s blueprint, New York: Harper Collins. - P372
지난 몇 년간 새로운 것이 LHC에서 나타나야 한다는 중론이 있었다. 그렇지 않으면 잔 프란치스코 주디체가 도입한 척도를 기준으로 따졌을 때, 입자물리에 존재하는 최고의 설명인 표준모형standard model 이 부자연스러워지기 때문이다. 자연스러움을 측정하는 주디체의 수학 공식은 아주 크거나 아주 작은 수들을 포함한 이론은 아름답지 않다는 믿음을 바탕으로 한다.
이 믿음이 과연 정당한 것인지 앞으로 자세히 살펴보겠다. - P35
덧차원이 LHC에서 나타나야 한다는 주장의 근거는 자연스러움이었다. 알카니-하메드와 동료들은 현재세 사람의 이름 첫 글자를 따 ADD 모형이라고 부르는 가설을 발표한 논문에서 "자연스러움의 기준에서 볼 때 덧차원으로 넘어가는 데 필요한 에너지 규모는 테라전자볼트(TeV)를 넘지 못할 것"이라고 주장했다.• 이 논문은 지금까지 5000회 이상 인용되었고, 물리학계에서 가장 많이인용된 논문 중 하나다.
• 에너지 단위 eV는 전자볼트electron volt의 약자이다. TeV는 1012eV다. LHC는 최대 14TeV까지 가동될 수 있다. 따라서 LHC는 TeV 규모로 테스트한다‘라고 말할 수 있다. - P36
간단히 말해서
· 물리학자들은 수학을 아주 많이 사용하고, 수학이 잘 맞아떨어지면 진심으로 자랑스러워한다.
•그러나 물리학은 수학이 아니고, 이론을 개발하려면 데이터를 안내자로 삼아야 한다.
•물리학계에는 수십 년 동안 새로운 데이터가 나오지 않은 분야도있다.
•실험에서 지침을 얻지 못하면 이론물리학자들은 미적 기준을 사용한다.
ㆍ 그 기준이 잘 맞지 않으면 이론물리학자들은 혼란에 빠진다. - P38
|