입자물리학: 철학

The Dream Universe: How Fundamental Physics Lost Its Way (Hardcover)
데이빗 린드레이 / Doubleday / 2020년 3월

'요즘의 입자물리학은 철학이다.' 이것이 저자가 내리는 결론의 한 문장 요약이다. (아직 과학이라고 믿고 입자물리학 하는 분들한테는 돌 맞을 이야기이다.) 

과학이란 자연현상을 설명하여 이해하려는 노력이라고 저자는 말하는데, 현재 입자물리학은 더 이상 설명할 자연현상이 없다. 지금까지 입자 가속기(충돌기)에서 진행된 모든 실험은 입자물리학의 표준모형으로 설명된다. 맞다, 표준모형은 불완전하다. 중력이 들어가 있지 않고, 그 많은 물리상수들이 왜 그 값을 갖는지 알 수 없다. 하지만 표준모형의 불완전성을 극복하고자 하는 많은 노력들(초끈이론, ...)이 향후 실험으로 테스트 가능한 예측을 내놓지 못함을 저자는 다시금 지적한다. 다중우주, 인류원리로 만족함을 지적하며, 단지 최종 이론이 맞음을 판단하는 잣대는 '아름다움'일 뿐임을 '다시' 지적한다. 이것은 갈릴레이에서 시작된 과학이 아니다. 이것은 갈릴레이 이전의 사변적 그리스 전통으로 돌아가는 이상적 플라톤주의일 뿐이다. '이성, 오직 이성만이 우주의 궁극적 비밀을 우리에게 알려줄 수 있다'고 플라톤은 주장했다. 앞의 말에서 '이성'을 '수학'으로 대체하면 요즘의 입자물리학이 된다.

앞으로 한동안 입자물리학 책을 읽지 않을(못할) 것 같다. 한 가지 다행인 것은, 저자도 지적하듯이, 물리만이 과학은 아니라는 것이다. 더욱이, 입자물리학만이 물리학은 아니다.

  Traditionally, the greatest theorists of bygone days [Maxwell, Einstein, Heisenberg] have begun by reasoning about the conceptual physics of a problem, pondering mechanisms and ideas of cause and effect, and have then worked their way, often with great difficulty and many wrong turns, to a correct mathematical description. String theory, on the other hand, is in large part a matter of exploring and augmenting mathematical models to see what new wonders they might contain, and only afterwards figuring out if those mathematical wonders could have any physical correspondence with the structure and contents of our universe. (p . 160)

... In this final chapter, I am ready to declare that research in this area [fundamental physics--particle physics, the unification of gravity with quantum mechanics, and cosmology], no matter its intellectual pedigree and exacting demands, is better thought of not as science but as philosophy. It's philosophy of a very modern style, in that it demands deeply specialized knowledge of mathematics, but it's also philosophy in a very ancient sense, because it presupposes that introspection, driven by logical argument, will suffice to reveal in full the workings of the natural world. Plato and his acolytes thought they could understand the universe by the power of contemplation alone and thus reason out the geometry of the heavens. In the same way, modern researchers into fundamental physics are using logic and reason and the most advanced tools of mathematics in the hope of determining how the physical world works, from the tiniest scales up to the origin of the universe. (p. 197)

영화보다 더 영화 같은 이야기

A Higher Call: An Incredible True Story of Combat and Chivalry in the War-Torn Skies of World War II (Paperback)
Makos, Adam / Berkley Publishing Group / 2014년 5월

1943년 12월 20일, 독일 상공에서 일어난 이야기를 중심으로 이야기가 펼쳐진다. 당시 자신의 승조원들과 첫 번째로 나선 독일 폭격 비행에서 조종사 찰리 브라운Charlie Brown은 최악의 상황에 직면한다. 대공포에 피격되어 자신의 비행대대로부터 낙오된 채 독일 공군의 전투기들로부터 공격을 받게 된 것이다. 전투기들의 공격으로 결국 승조원들 중 1명은 즉사하고 2명이 부상을 입었다(이들이 탄 미국 육군항공대의 폭격기 B-17은 조종사/부조종사를 포함하여 10명이 탑승했다). 4대의 엔진 중 한 대는 완전히 정지했고, 다른 한 대는 출력을 제대로 내지 못하는 상황이었다. 같이 낙오되어 공격을 받은 다른 1대는 이미 구름 속에서 폭발한 듯 보였다. 전투기들이 사라진 후 고도가 떨어지는 폭격기를 수습하고 다친 승조원들의 상황을 파악하고자 정신이 없는 와중에 브라운은 오싹한 광경을 목격하게 된다. 폭격기 우현에서 나란히 날고 있는 독일 전투기 하나를 발견한 것이다.

또 다른 독일 전투기의 출현은 이들에게는 저승사자가 나타난 것과 마찬가지였다. 전투기의 기관총 사격 한 번만으로도, 이미 손상을 입을 대로 입은 폭격기는 그 운명을 다할 것이었다. 폭격기에 타고 있는 승조원들과 함께. 하지만 웬일인지 전투기는 공격하지 않고 손으로 뭔가를 계속 얘기하고자 했다. 처음에 승조원들은 전투기의 탄약이 다 떨어진 줄 알았다. 하지만 전투기는 계속 나란히 날며 폭격기를 "엄호"했다. 폭격기가 독일 상공을 벗어나기 위해서는 대공포 진지 상공을 통과해야 했다. 전투기 조종사는 아군기인 자기를 보고 대공포가 사격을 하지 않으리라 생각했던 것이다. 전투기 조종사는 폭격기가 독일 상공을 벗어나 바다로 나온 후에야 폭격기 조종사에게 경례를 하고 멀어져 갔다. 무슨 일이 벌어진 것일까.

영화보다 더 영화 같은 실화를 읽으며, 그래도 인간에게 작은 희망이 있음을 알게 된다. 죽고 죽이는 전쟁의 와중에도, 명예와, 같은 인간에 대한 연민을 느끼는 사람들을 통해서, 그래도 인간들이 이 세상에 존재해야 할 이유(변명)에 하나를 추가할 수 있었다.

두 조종사의 스토리가 책의 전반에 걸쳐 소개된다. 특히 독일 전투기 조종사의 이야기가 많이 펼쳐지는데, 2차 세계대전이 막바지로 갈수록 점점 읽기가 괴로워진다. 의미 없는 희생이 너무 많기 때문이다. 독일 전투기 조종사는 전쟁이 끝날 때까지 살아남는다. 그런 그를 독일 국민은 연합군의 폭격을 막지 못했다고 비난한다. 이 독일 공군 전투기 조종사의 이름은 프란츠 슈티글러Franz Stigler이다.

찰리 브라운과 프란츠 슈티글러는 은퇴 후 결국 재회에 성공했다. 이 이야기 또한 영화 같다. 2008년, 두 조종사는 비슷한 시기에 영면했다.

폴 디랙의 예

린들리의 책에서 물리학의 역사 중 또 하나 주의 깊게 봐야 할 사건으로 언급되는 것이 폴 디랙의 예이다. 양자역학의 발전으로 우리 눈이나 다른 감각기관으로는 전혀 경험하지 못하고 직관적 상상이 불가능한 영역에 대한 과학이 시작되었다. 고전물리학과 달리 양자역학은 파동함수라는 기묘한 도구를 이용하며, 고전물리학에서 사용하던 개념에 근본적 제한이 있음을 보였다(불확정성 원리). 이러한 발전에서 한 발 더 내디뎌서, 폴 디랙은 이제 가지게 된 양자역학적 수학 체계를 더욱 밀고 나아가 수학 체계 자체의 완결성을 추구한 후, 그 결과에서 물리적 의미를 끄집어내야 한다고 주장한다. 즉, 수학이 자연현상을 정량적으로 기술하는 단순한 도구 역할에서 벗어나, 자연현상의 본질을 탐구하는 핵심 역할을 해야 한다는 의미이다. 

위의 예로 들 수 있는 것이, 디랙이 주장한 반전자(antielectron)의 존재이다. 디랙은 그가 만들어낸 상대론적 양자역학의 방정식이 기묘한 해를 하나 더 주는 것을 알았다. 보통 물리학 방정식에서 의미 없는 해가 나오는 경우가 종종 있다. 가령 물리와 연관된 이차방정식을 풀게 되면 두 개의 해가 나오는데, 종종 음의 값을 주는 해는 물리적으로 의미가 없기 때문에 버린다. 디랙의 방정식도 이와 유사하게, 전자와 질량은 똑같지만 양의 전하를 갖는 입자를 해로 주는데, 디랙은 이 해를 버리지 않고 이러한 입자가 '실제로' 존재해야 한다고 주장했다. 그리고 이러한 입자(반전자)가 나중에 실험에서 실제로 발견되어 버렸다! 이 입자를 보통 '양전자(positron)'라고 한다[1]. 수학이 물리보다 앞서나가고, 물리가 뒤를 쫓는 양상이 된 것이다.

이후, 이러한 패턴이 지속적으로 반복되었다. 물리 이론이 수학으로 새로운 입자의 존재를 예견한다. 가속기에서 이러한 입자를 실제로 발견한다. 우리의 자연에 대한 이해가 깊어진다! 최근 노벨상 수상과 관련된 '힉스 입자'의 발견이 이러한 패턴의 정점을 찍었다.

그래서 종종 언급되는 것이 왜 자연이 수학적으로 기술(이해)가 가능한지에 대한 의문이다. 디랙의 주장은 물리학에서 수학의 역할을 단순한 도구에서 핵심으로 격상시키는데 큰 역할을 한 사건으로 기억될만하다. 

디랙은 굉장히 과묵한 천재형 물리학자로 유명했다. 그의 전기가 최근 번역 출간됐는데, 영문판의 제목은 <The Strangest Man>이다.

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[1] 이후 모든 입자마다 질량은 같지만 전하의 부호가 반대인 '반물질(antimatter)'이 존재한다는 것이 발견되었다.

  Wigner says that for the physicist, it is in essence an article of faith that physics can be couched in mathematical laws--it's pretty much a definition of physics that it is the search for such laws, and, so far, faith in that principle has been amply rewarded. But no amount of practical success can prove, to a logician's satisfaction anyway, that the principle is a priori correct. "The enormous usefulness of mathematics in the natural sciences is something bordering on the mysterious," Wigner says, "and there is no rational explanation for it." (The Dream Universe, p. 117)

‘KF-21 보라매‘ 출고

어제 4월 9일, 그동안 우리나라에서 개발되어 조립되던 차세대 전투기의 출고식과 명명이 있었다. ‘KF-21 보라매’. 그동안 남의 나라에서 만든 비행기에 대해서만 얘기하다가, 드디어 우리도 제대로 된 전투기를 갖게 되었다. 국산 전투기 개발을 천명한지 20년 만이라고 한다. 부품 국산화율이 65%라 하고 엔진은 외국 것을 가져다 쓰지만, 전투기를 설계해서 만드는 것이 정말 간단한 일이 아니라는 것을 짐작만으로도 알고 있기에, 2021년 4월 9일은 대한민국의 항공역사에서 기념비적인 일이 아닐 수 없을 것 같다. 이제 지상시험과 비행시험의 관문이 기다리고 있지만, 20세기 초부터 시작된 항공기 역사에서 완벽히 소외되어 남의 일로 구경만 하던 우리에게는, 다시금 우리의 역량과 희망을 보여주는 의미 있는 일이라고 말할 수 있겠다. 이 땅에서 태어난 운명을 바꿀 수 없는, 자칭 우리나라 ‘항공 매니아’의 1인으로서 그냥 지나칠 수 없어 기록해 놓는다.

http://www.nanews.co.kr/news/articleView.html?idxno=32511

‘과학‘의 특징

갈릴레이에서 시작되어 뉴턴에 이르러 꽃을 피우게 되는 '과학'의 특징은, '왜'에 치중하던 이전의 자연철학자들과 달리 '왜'라는 질문은 잊어버리고 '어떻게'에 집중했다는 것에 있다. '어떻게'를 위해서는 자연의 관찰과 실험에 의존했다. 특히, '어떻게'를 기술하기 위해 수학을 도구로 사용했다. 이러한 전환은 '과학'을 매우 실용적으로 만들어서, 결국 오늘 우리가 누리는 현대 문명을 낳았다.

... In old style philosophy, what counted was knowing the innermost structure of a material--brick or brass or oak. Only then could you hope to understand how it behaved. Science turned that kind of thinking around. The susceptibility of a given material to bending could be characterized by a number that described the empirical nature of that material. Why brass bent more easily than stiff oak was a problem for another day. What mattered was that an engineer or architect could select brass or wood or some other material on account of its known properties, and could reliably calculate how it would perform in one kind of construction or another. (p. 73)