일러스트 | 金上珉 記者 yellow@kyunghyang.com
萬物의 ‘根源’ 探究하는 歷史
古代 그리스에서부터 이어져
19世紀 科學者들 答은 ‘原子’
陽性子·쿼크 等 17種 粒子 登場
‘게이지 對稱性’으로 質量 不在
物質 構成 基本 原理 說明 안 돼
1964年 論文서 豫見 ‘힉스 笠子’
2012年 發見돼 ‘標準模型’ 完成
20世紀 人類가 내놓은 模範答案
‘暗黑物質’ 科學界 質問은 繼續
“이 世上은 大體 무엇으로 만들어졌을까?” 호모 사피엔스라는 種이 이 行星에 出現한 以後 가졌을 법한 가장 궁금한 質問의 順位를 매긴다면 이 質問이 적어도 上位 3位 안에는 들지 않았을까 싶다. 내 말이 빈말이 아님은 哲學의 아버지라 불렸던 古代 그리스의 탈레스가 保證한다.
탈레스는 “萬物의 根源은 물”이라는 命題를 남긴 것으로 有名하다. 여기서 重要한 것은 ‘물’이라는 答이 아니라 ‘萬物의 根源’이라는 質問이다. 神話와 呪術이 橫行하던 時節에 탈레스는 自然의 窮極的인 根源을 따져 물었다.
탈레스 以後의 哲學者들은 充實하게 탈레스의 企劃에 따라 自己만의 答을 提示했다. 엠페도클레스는 물에다 흙과 불, 空器를 더해 그 有名한 4元素說을 提示했다. 데모크리토스와 레우키포스는 古代 原子論을 提示했고 피타고라스는 數字가 萬物의 根源이라고 했다.
現代의 觀點에서 보자면 이들의 對答이 우습게 보일 수도 있지만, 萬物의 根源을 追求했던 탈레스의 企劃은 아직까지 凜凜하게 살아 있다. 萬物의 根源이 무엇인지를 가장 眞摯하게 追求하는 分野가 바로 粒子物理學이다. 이런 脈絡에서 탈레스는 粒子物理學의 元祖라 할 수 있으며, 粒子物理學은 歷史가 가장 오래된 學問이라고도 할 수 있다.
탈레스의 오랜 質問에 19~20世紀의 科學者들이 提示하는 1次的인 答은 바로 原子이다. 元子는 이 世上 萬物을 構成하는 基本 單位 中 하나이다. 美國의 有名한 物理學者인 리처드 파인만은 人類가 破滅에 이르러 모든 科學知識이 날아가게 생긴 狀況에서 後代에 單 하나의 文章만 넘겨준다면 最小 單語로 가장 많은 情報를 담은 陳述로 原子論을 꼽았다.
애初에 더 以上 쪼개지지 않는다는 意味를 가졌던 原子(atom)는 20世紀 前後에 內部構造를 갖고 있음이 밝혀졌다. 原子 안에는 音의 電氣를 가진 電子와 量의 電氣를 가진 原子核이 있다. 原子 質量의 大部分을 차지하는 原子核은 다시 量의 電氣를 가진 陽性子와 電氣를 띠지 않는 中性子로 構成돼 있다. 陽性子나 中性子는 統稱해서 核자라 부른다.
한동안은 核子들이 物質을 構成하는 最小單位로 여겨졌으나 1960年代에 쿼크(quark)라는 槪念이 導入되어 이들의 組合으로 核者들을 理解하기 始作했다. 以後 쿼크가 實驗的으로 檢證되면서 쿼크는 現在까지도 萬物을 構成하는 가장 基本的인 單位로 자리매김하고 있다. 쿼크에는 u(up), d(down), c(charm), s(strange), t(top), b(bottom) 等 總 6種類가 있다.
한便 電子에게도 自身과 비슷한 兄弟 粒子들이 있음이 밝혀졌다. 뮤온(muon)과 타우온(tauon)이 그들이다. 뮤온과 타우온은 陰의 電氣를 띠는 等 電子와 物理的 性質이 비슷하지만 質量이 훨씬 더 무겁다. 한便 이들 ‘電子 3兄弟’에게는 各各의 짝이 있다. 이들 짝은 모두 電氣的으로 中性이며 質量이 宏壯히 작은 粒子들로, 中性微子(neutrino)라 불린다. ‘電子 3兄弟’와 이들의 짝인 3種의 中性微子를 합쳐 輕粒子(lepton)라 부른다. 그러니까, 이 宇宙는 基本的으로 쿼크와 輕粒子로 構成돼 있다. 쿼크와 輕粒子는 物質을 直接 構成하는 粒子들이다.
이밖에도 粒子들 사이의 힘을 媒介하는 粒子가 있다. 빛, 卽 光子(photon)가 代表的인 事例로서, 빛은 電磁氣力을 媒介한다. 우리 宇宙에는 電磁氣力 말고도 重力과 弱한 相互作用(또는 略歷)과 强한 相互作用(또는 强力)이 存在한다. 弱한 相互作用은 原子核의 崩壞에서처럼 粒子의 種類를 바꿀 수 있는 힘이고 剛한 相互作用은 쿼크들을 묶어 核子를 形成하게 하는 힘이다.
이들 粒子들 사이의 關係를 理解하는 한 가지 方式은 게이지 對稱性(gauge symmetry)이라고 하는 抽象的인 數學的 對稱性을 導入하는 것이다. 게이지 對稱性이란 우리가 이들 粒子를 記述하는 場(field)에 어떤 특정한 變化(‘게이지 變換’)를 주더라도 全體 理論이나 法則에는 變化가 없는 性質이다. 簡單한 例를 들자면, 우리가 光化門 廣場에서 北쪽을 바라보고 서울을 說明하든 南쪽을 바라보고 서울을 說明하든 서울이라는 實體에는 變함이 없다.
다만 어떤 理論이 게이지 對稱性을 維持하려면 게이지 粒子라는 새로운 要素를 導入해야만 한다. 게이지 粒子는 그 理論 속에서 登場하는 不必要한 變化의 要素들을 自動的으로 除去하는 役割을 遂行한다. 서울을 記述할 때 어떤 方向을 바라보든지 그 角度와 全혀 相關이 없다면, 서울을 記述하는 理論에 특정한 方向을 바라보는 角度가 登場할 때마다 그걸 모두 없애주는 役割을 하는 存在가 반드시 있어야 할 것이다. 그것이 게이지 粒子이다. 빛은 代表的인 게이지 粒子이다.
問題는 게이지 對稱性이 粒子들의 質量을 許容하지 않는다는 點이다. 쿼크든 輕粒子든 다른 게이지 粒子든 質量을 가지지 않는다면 實驗的 結果와 맞지 않으므로 現實的인 理論이 될 수가 없다. 現實的인 理論을 만들 수 있는 한 가지 方法은 對稱性을 깨는 것이다. 애初에 對稱性 自體가 없는 것과 對稱性이 있다가 깨진 것은 크게 다르다. 後者의 境遇 對稱性의 痕跡이 곳곳에 남아 있기 때문이다.
1964年 35歲의 피터 힉스는 두 篇의 論文을 통해 對稱性이 깨지면서 어떻게 게이지 粒子가 質量을 가질 수 있는지를 보였다. 이 過程에서 힉스는 後날 自身의 이름이 붙은 새로운 場, 卽 힉스腸(Higgs field)을 導入했다. 힉스가 提示한 方法은 以後 힉스 메커니즘으로 알려지게 된다. 對稱性 깨짐으로 質量을 만들 수 있다는 아이디어는 超傳導性을 說明하면서 이미 導入되었으나 相對論的인 理論에 適用한 것은 힉스가 처음이었다.
이 무렵 거의 같은 時期에 프랑수아 앙글레르와 로버트 브라우트, 제랄드 구랄니크와 리처드 하겐과 톰 키블이 비슷한 아이디어의 論文을 提出했다. 그中에서도 힉스만이 힉스 메커니즘의 結果로 새로운 粒子가 存在할 것임을 明示的으로 摘示했다. 이 粒子에는 힉스 粒子(Higgs particle)라는 이름이 붙었다. 힉스 粒子라는 作名은 이휘소 博士(벤자민 리)에서 由來했다는 說이 有力하다. 정작 힉스 自身은 다른 여러 寄與者들을 빼고 自身의 이름만 붙은 것에 不滿이었다고 한다.
1967年에는 美國의 스티븐 와인버그가 特定한 게이지 對稱性을 導入해 弱한 核力과 電磁氣力을 하나로 統合하는 理論을 提示했다. 와인버그는 힉스 메커니즘을 適用해 새로운 게이지 粒子들 中 하나는 質量이 없는 傳統的인 光子로서 電磁氣力을 媒介하고 나머지 게이지 粒子들은 相當히 무거운 質量을 가지면서 弱한 相互作用을 媒介할 것임을 보였다. 이들 새로운 粒子가 W와 Z粒子이다. 또한 이 過程을 통해 電子도 質量을 가짐을 보였다. 와인버그 模型은 只今 우리가 粒子物理學의 ‘標準模型(standard model)’이라 부르는 理論의 根幹을 세우게 된다.
標準模型은 말하자면 “世上은 무엇으로 만들어졌을까?”라는 質問에 對한 20世紀 人類의 模範答案이다. 여기에는 6種의 쿼크와 6種의 輕粒子, 그리고 電磁氣力을 媒介하는 光子와 略歷을 媒介하는 W 및 Z 粒子, 그리고 仔細히 紹介하지는 않았지만 强力을 媒介하는 接着自家 있다. 그리고 이들 粒子에 適切하게 質量을 附與하는 힉스 메커니즘과 關聯된 粒子인 힉스 粒子가 있다. 萬物의 根源이 물이라고 했던 탈레스나 4元素說을 提起했던 엠페도클레스에 比하면 17種의 粒子가 相當히 많기는 하다. 標準模型은 이들 粒子들에 對한 量子力學的인 章論(field theory)이다.
標準模型에서 豫測한 粒子들은 힉스 粒子를 除外하고 모두 20世紀에 發見되었다. 오직 힉스 粒子만이 如前히 베일에 싸여 있었으나 科學者들은 힉스 粒子의 存在를 믿어 疑心치 않았다. 왜냐하면 標準模型은 只今도 수많은 實驗的 檢證을 成功的으로 通過했기 때문이다.
마침내 2012年 유럽原子核硏究所의 巨大한 粒子加速器人 大型强粒子衝突機(LHC)에서 힉스 粒子가 發見되었다. 힉스가 그 存在를 豫見한 지 거의 半世紀 만의 일이었다. 힉스 粒子의 發見은 實驗的으로 標準模型을 完成했다는 點에서 科學的으로 큰 意義가 있다. 이듬해에 힉스와 앙글레르는 처음 그 粒子의 存在를 豫見한 功勞로 함께 노벨 物理學賞을 受賞했다. 앙글레르의 共著者였던 브라우트는 안타깝게도 2011年 힉스 粒子의 發見을 보지 못한 채 世上을 떠났다. 힉스는 노벨賞을 받은 지 10年餘 지난 올해 4月8日 94歲를 一期로 他界했다.
힉스 粒子의 別稱은 ‘神의 粒子(God particle)’이다. 美國의 實驗物理學者人 리언 레더먼이 힉스 粒子와 關聯된 冊을 쓰면서 題目을 ‘빌어먹을 粒子(Goddamn particle)’라고 했다가 出版社에서 ‘damn’을 빼고 ‘God particle’로 題目을 確定하면서 붙은 이름이다.
힉스는 ‘힉스 笠子’라는 名稱을 不便해했을 程度로 謙遜하면서도 素朴했으면서도 다른 젊은 科學者들에게 靈感을 불러일으키는 科學者였다. 2021年에는 와인버그가 88歲를 一期로 世上을 떠났다. 이들이 살아 있을 때 힉스 粒子가 發見되면서 標準模型이 實驗的으로 完成된 것은 참으로 다행스러운 일이었다. 이제는 힉스마저 世上을 떠났으니, 粒子物理學 歷史의 한 張이 마무리되는 느낌이다.
標準模型이 그토록 成功的이긴 하지만, 이것만으로 우리 宇宙를 모두 說明하기에는 턱없이 不足한 點이 많다. 當場 標準模型으로는 重力을 說明할 수 없다. 또한 宇宙에는 우리가 알고 있는 普通의 物質보다 5倍 程度 더 많은 正體不明의 暗黑物質(dark matter)이 存在하는 것으로 科學者들이 確信하고 있다. 不幸히도 標準模型에는 暗黑物質의 候補가 하나도 없다. 이와 함께 많은 다른 理由로 科學者들은 標準模型을 넘어서는 새로운 物理學이 存在하리라 믿어 疑心치 않는다.
안타깝게도 아직은 그 새로운 物理學의 모습이 어떠할지 잘 알지 못한다. 베일에 싸인 새로운 物理學의 實體를 밝혀내는 것이 21世紀 物理學의 가장 重要한 課題이다. 이제는 天上의 별이 된 힉스는 아마 그 實體가 뭔지 먼저 봤을지도 모르겠다.
■이종필 敎授
1971年 釜山에서 태어났다. 1990年 서울대 物理學科에 入學했으며 2001年 粒子物理學으로 博士學位를 받았다. 以後 연세대·高等科學院 等에서 硏究員으로, 고려대에서 硏究敎授로 在職했다. 2016年부터 건국대 尙虛敎養大學에서 助敎授로 在職 中이다. 著書로 <神의 粒子를 찾아서> <大統領을 위한 科學 에세이> <物理學 클래식> <이종필 敎授의 인터스텔라> <빛의 速度로 理解하는 相對性理論> 等이 있고, <最終理論의 꿈> <블랙홀 戰爭> <物理의 定石> <스티븐 호킹의 블랙홀> 等을 우리글로 옮겼다.