재밌어서 밤새 읽는 소립자 이야기 - 다케우치 가오루

대중들은 물리학을 천재들의 놀이터 정도로 알고 있다. 그도 그럴 것이 우리가 물리학에 대해 듣는 이야기는 거의 대부분 뉴턴이나 아인슈타인 같은 천재들의 이야기를 통해서 이기 때문이다. 물리 현상은 우리가 일상에서 흔히 겪는 것들이지만 그것을 활용하기 위해서는 그 이면에 깔린 법칙성을 이해해야 하고, 그 과정은 고도의 추상적 사고를 요하기 때문에 천재들이 주로 등장한다. 그렇긴 하나 물리학을 천재들만 하는 것은 당연히 아니다. 고도의 추상적 사고를 할 수 있는 과학자들이 밝혀낸 물리학에서의 발견들을 일반 대중들이 이해할 수 있는 수준에서 설명하는 일을 하는 것도 역시 물리학자의 몫임은 두말 할 필요도 없다. 근대 과학의 초기에는 물리학은 하늘 너머 우주로 향하는 천체 물리학과 물질의 본질을 탐구하는 원자론으로 양분되는 것 같았다. 그러나 지금은 우주의 탄생 기원을 추적하기 위해 원자보다 작은 소립자들을 연구하는 시대가 되었다. 이 소립자에 대한 연구를 대중들에게 소개하는 것이 다음 책이다.

제목에는 재밌다고 했지만, 그리고 대중들에게 소립자를 소개하는 책이라고 했지만 몇가지 소립자들에 대한 지식을 얻는 것 외에는 그다지 재밌다고 할 수는 없다. 그래서 저자도 다음과 같이 고백하고 있다.
"몰라도 상관없는 사람은 영원히 알 수 없는 것이 현대 소립자론의 세계다."
그러면서도 다음과 같이 이야기하기도 한다.
"이렇게 냉정하게 분석하면 소립자 물리학이란 꽤 애물단지다. 그런데도 신기한 매력이 있어 우리를 꿈꾸게 한다."

그럼에도 불구하고 사물의 본질을 알고 싶어하는 인간의 호기심은 정도의 차이만 있을 뿐 누구라도 가지고 있다고 할 수 있다. 그래서'영원히 알 수 없을' 수도 있고, 또 사람에 따라 알 수 있는 정도도 다를 것이기 때문에 이 책이 재밌을지 어떨지는 온전히 독자 개개인들에 달려 있다고 할 수 있다.

아무튼 소립자들에 대한 지식을 엉성하게 나마 요약해 보면 다음과 같다.
"소립자는 더 이상 쪼개지지 않는 입자다."
"물리학자가 '이론 물리학자(이론쟁이)', '실험 물리학자(실험쟁이)'로 분류되듯, 소립자의 세계도 두 부족으로 나뉜다. 하나는 '물질을 만드는 부족', 또 하나는 '힘을 전달하는 부족'이다. 물질을 만드는 소립자는 페르미온(fermion)이라고 부른다. 페르미온은 쿼크와 렙톤(lepton)으로 나눌 수 있다."
"쿼크란 양성자와 중성자를 구성하는 근본적인 소립자다."
"힘을 전달하는 소립자에는 글루온(ghion), 광자 그리고 두 종류의 위크 보손(weak boson)으로 총 4종류가 있다."
"물질을 만드는 소립자(쿼크와 렙톤) 12종류가 소립자(보손) 4종류의 힘을 매개로 서로 연결되어 물질을 구성한다."
"거기에 앞에서 다룬 물질을 만드는 소립자 12종류까지 합해 총 16종류의 소립자를 알아보았다. 그리고 마지막으로 발견한 17번째 소립자가 바로 '힉스 입자'다. …… 힉스 입자는 '질량을 부여하는' 소립자다."
"물질을 물질답게 하는 최소한의 성질, 즉 궁극적인 성질이 바로 질량, 스핀, 전하다."
"1900년대 전반, 인류의 문화는 두 가지 비약적인 진화를 이루었다. 첫 번째 진화는 '양자'라는 개념이 생긴 것이다. 양자라는 개념이 나온 후 양자장이라는 형태로 완성되었다. 두 번째 진화는 독일 태생의 물리학자 알베르트 아인슈타인 (Albert Einstein, 1879~1955)의 상대성 이론의 등장이다."
"양자론과 상대성 이론을 조합한 것이 바로 소립자론이다. 그래서 소립자론 속에는 상대성 이론도 포함되어 있다. 상대성 이론은 기존의 뉴턴 역학과 어떻게 달랐을까?
  두 개념의 차이점은 '빛과 가까운 속도'일 때 나타난다. 즉, 뉴턴 방정식이 틀린 것이 아니라 '천천히 움직이는 물체일 때는 맞지만 물체가 광속에 가깝게 움직일 때는 그 오차를 수정할 필요가 있다'는 것이다. 그 수정 부분이 바로 아인슈타인의 상대성 이론이다."
"소립자파는 물질을 구성하는 입자 중에서도 가장 작은 소립자를 연구하는 사람들이다. 한편 상대론파는 그와 반대로 우주라는 초거대한 대상을 연구하는 사람들이 아닌가." "일반상대성 이론은 초거대한 대상에 적합한 이론이며, 중력만 유효하다. 반면 양자역학은 중력이 없을 때 유효한 이론이다."
"이제는 기본적으로 우주론과 소립자론을 따로 떼어놓고 생각할 수 없게 되었다. 다만 아직 완전한 통일이론이 생기지 않았기 때문에 일반상대성 이론과 양자역학의 통일이론이 필요하다. 그리고 통일이론으로는 초끈이론이 가장 유력하다."
"리숀, 서브쿼크, 초대칭성, 초끈 등은 전부 가설이고, 딱 잘라 말하면 이러한 개념들은 전부 이론 물리학자의 머릿속에 존재할 뿐이다. 다만, 픽션과 다른 점은 이 가설들이 수학적으로 타당하다는 사실이다."

이 책은 부피도 적고, 근본적인 이해는 불가능하다 하더라도 현대 물리학에 관한 많은 흥미로운 설명들을 담고 있어서 독서 추천은 '일독을 권함'으로 할 만하다.