이 세상은 무엇으로 이루어져 있는가?

힉스, 신의 입자 속으로 - 무엇으로 세상은 이루어져 있는가
짐 배것 지음, 박병철 옮김 / 김영사 / 2016년 12월

 【 힉스, 신의 입자 속으로 】 : 무엇으로 세상은 이루어져 있는가

         _짐 배것 저/박병철 역 | 김영사

   원서 : Higgs: The invention and discovery of the 'God Particle’

“이 세상은 무엇으로 이루어져 있는가?”

1.

이 세상은 무엇으로 이루어져 있을까? 밑도 끝도 없는 질문이다. 인류가 논리적인 사고를 하기 시작한 이후, 이와 같은 질문들 속에서 철학이 태동하고 과학이 발전되었으리라 생각한다.

2.

“이 세상에 존재하는 모든 물질에 궁극적인 최소단위가 존재하며, 그로부터 만물이 만들어진다.”는 주장은 매우 논리적으로 생각되지만, 물질을 무한정 분해할 수 있다면 결국 무한히 작은 점까지 분해되고, 점은 크기가 없으므로 모든 만물은 ‘분해’라는 과정을 거쳐 무(無)로 사라지는 것이 아닐까?

3.

그렇다면 이 세상은 존재자체가 모호하고 정의할 수도 없는 것이 되고 만다. 현대물리학은 이 유령이 실제로 존재한다는 것을 입증했다. 알고 보니 질량은 물질의 최소단위에 내재되어있는 근본적 특성이 아니었던 것이다. 사실 질량이라는 것은 애초부터 존재하지 않았다. 모든 입자는 ‘질량이 없는 어떤 소립자’와 상호작용을 교환하고(힘을 주고받고)있는데, 이 과정에서 발생한 에너지가 ‘질량’이라는 결과로 나타난 것뿐이었다. 이 가설이 처음 대두되었을 때 물리학계는 찬반 두 진영으로 양분되었고, 수십 년이 지나도록 아무런 결론도 내리지 못했다.

4.

과학자들은 확장된 우주 그리고 지구에 대한 인간의 끝없는 궁금증인 입자와 그들 사이의 힘을 ‘표준모형’이라는 이론으로 설명했다. 하지만 시간이 지나면서 과학자들은 입자물리학의 성전인 표준모형조차 결국엔 심각한 결함을 갖고 탄생한 이론임을 인지하게 된다. 이 오류를 해결하는 방법은 오직 단 하나, 힉스입자를 직접 발견하는 것뿐이었다. 그러나 피터 힉스와 프랑수아 앙글레르 등 물리학자들이 힉스가 존재한다는 가설을 제안한 지 40년이 넘도록 힉스입자는 발견되지 않았다. 그 후 2012년 7월 4일에 개최된 학회에서 CERN(유럽원자핵공동연구소)의 물리학자들은 힉스입자에 ‘부합되는’ 입자가 발견되었음을 선언했고, 2013년 10월 4일 힉스입자의 발견을 공식적으로 선포하였다. 표준모형을 뛰어넘어 새로운 물리학의 세계로 인류를 인도한 것이다.

5.

그동안 힉스보존(Higgs boson)을 위한 연구비는 수 조원이 들었다고 한다. 나라마다 과학정책에 대한 입장(주로 재정적 지원)이 각기 다르다. 1993년 5월. 영국 정부는 향후 과학정책이 갈 길을 제시하는 백서를 발표한다. “과학의 목적이란 ‘부’를 창출하고 영국인의 삶의 질을 향상시키는 것”에 둔다고 명시했다. 다분히 ‘힉스’ 연구팀을 의식한 것이기도 했다. 영국의 과학부 장관 윌리엄 월드그레이브는 “당신들(과학자들)중 누군가가 종이 한 장 분량의 평범한 영어로 나를 설득시킨다면, 재정확보는 물론이고 내가 제일 아끼는 빈티지 샴페인을 선물로 주겠다.”고 했다.

6.

정치인들에겐 특히 더 쉬운 설명이 필요했을 것이다. 가장 산뜻한 설명을 준 사람은 영국 유니버시티 칼리지런던의 입자물리학 교수인 데이비드 밀러였다. 마거릿 대처가 이야기의 주인공이다. “한 호텔의 넓은 홀에서 정치인들을 위한 칵테일파티가 열렸다. 참석자들은 서로 여유 있게 홀 이곳저곳에서 담소를 나누고 있다. 그런데 어느 순간, 영국의 총리를 지냈던 대처 여사가 파티 장에 도착했다. 사람들은 대처와 한 마디라도 대화를 나누고 싶어 그녀 곁으로 모여든다. 대처 여사는 앞으로 나아가기가 힘들 정도다. 대처가 지나간 자리는 이미 대화를 나눈 사람들이 대부분인지라 원래 분위기로 돌아간다. 그러나 그녀가 가는 길에는 항상 사람들이 모여 있기 때문에, 질량이 커지는 효과가 있다. 즉 혼자 걸어갈 때와 같은 속도로 걷는다 해도 더 큰 운동량을 갖게 된다.” 기본입자(마거릿 대처)는 원래 질량 없이 태어났지만, 힉스장(홀 안에 균일하게 흩어져있는 정치인들)과 상호작용을 교환하면서 질량을 획득하게 된다. 이것이 힉스 메커니즘이다.

7.

‘힉스보존(Higgs boson)’은? 밀러는 힉스장이 한 곳에 뭉치면서 나타난 입자가 힉스보존이라고 설명했다. 따라서 힉스장이 정말로 존재하는지, 그리고 다른 입자에 질량을 부여하는 메커니즘이 실제로 일어나고 있는지 확인하려면 힉스입자를 직접 발견하는 수밖에 없다고 강조했다. 아무튼 밀러 교수 덕분에 영국 정부는 재정적으로 어려운 상황에도 불구하고 계속 연구지원을 하게 되고, 그는 프랑스산 최고급 샴페인 뵈브 클리코까지 챙겼다. 피터 힉스와 프랑수아 앙글레로는 힉스의 존재를 예견하고, 힉스 메커니즘을 개발한 공으로 2013년 노벨 물리학상을 수상했다.

8.

이 책을 통해 힉스가 무엇이고, 어떻게 발견되었는지를 넘어서서 기초과학자들의 헌신과 노력을 물론 연구 과정 중 발생하는 회의감과 좌절감등을 엿볼 수 있다. 신의 입자라고도 부르는 ‘힉스’. 힉스입자가 없다면 우주에는 아무것도 존재하지 않았을 것이라고 하니, 힉스에 대해 관심을 가져보는 것도 의미가 있겠다. 과학교양서적으로 추천할 만한 책이다.

#힉스 #신의입자속으로 #무엇으로세상은이루어져있는가 #짐배것 #김영사