유레카 3 - 여섯번째 이야기
(우리 우주가 우연인지 작용인지를 판단하는 것은 몇 가지 간접적인 증거들을 통하여 추론할 수밖에 없다)
1부. 우주
2장. 우주 프로그래밍 3
* 이 글은 <유레카3>의 6번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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17. 기본입자의 이해
원자는 원자핵과 전자로 구성되었다는 것은 다들 아실 것이다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있는데, 양성자와 중성자는 쿼크입자인 up입자와 down입자의 결합물이다. 쿼크는 아래 그림과 같이 6종류가 있지만 up, down쿼크는 원자핵을 만드는 놈이라 이해하고 나머지는 그런 것이 있구나하고 넘어가는 것으로도 충분하다. 아래 그림에서 처럼 양성자는 up쿼크 2개와 down쿼크 1개의 결합이고, 중성자는 반대로 down2, up1의 결합이다. 우주에 가장 많고 가장 간단한 원자인 수소는 양성자1와 전자 1로 이루어진 원자이다. 수소원자 2개가 핵융합을 하면 헬륨이되고, 헬륨원자들이 초신성 폭발이나 태양과 같은 별에서 핵융합을 하여 세상의 나머지 대부분의 무거운 원자를 만든다. 여기에는 조금 더 복잡한 이론이 있지만 그것은 뒤에 '수소'편에서 다루기로 하고 넘어가도록 하자. 한꺼번에 너무 많이 알려하면 다칠지도 모르니까.
(양성자와 중성자의 구조)
(소립자들의 크기 비교)
(원자의 구조)
(수소, 헬륨, 리튬 원자의 구조)
렙톤도 6종류가 있지만 우리는 가장 중요한 전자에 대해 이해하는 것으로 충분할 것 같다. 전자(electron)는 원자 내에서 초속 2000km보다 더 빨리 움직이는 부지런한 입자이다. 총알보다 2000배 빠르고, 소리보다 5000배 빠른 렙톤 중의 한 아이가 바로 전자이다. 우리 몸은 약 60조~100조개의 세포가 있고, 세포 하나하나마다 또 100조개의 원자가 있으니 우리 몸에는 100조×100조= 10^28개의 원자가 있는 것이고 수소는 전자가 하나이지만 다른 원자는 전자가 여러 개 씩 있으니 우리 몸은 말 그대로 전자의 격렬한 자동차경주장과 같다. 상상이 가는가? 전자의 신나고 격렬한 레이싱이. 흔히 전기의 속도를 빛의 속도라 이야기하는데 이는 전자의 속도가 아니라 전자의 전달 속도이다. 똑같은 추를 여러개 일렬로 매달아 놓고 왼쪽의 추를 들었다 놓으면 맨 오른쪽의 추만 튀어오르는 현상과 같은 것이다. 역시 나중에 언급되겠지만 빛은 전자기파의 일종이다. 빛=전기=전파라고 해도 아주 틀린 답은 아니다.
(전자의 위치 ; 전자는 자기 괘도를 돈다. 에너지 변화가 생기면 전자는 괘도를 이동하는데 괘도에서 괘도로 순간이동을 한다.)
렙톤 중 중성미자(中性微子 neutrino 뉴트리노)는 약력과 중력에만 반응하는, 아주 작은 질량을 가진 기본입자로, 우리 원자들의 간격은 미시적으로 굉장히 멀리 떨어져 있기 때문에 원자 사이를 통과할 수 있는 입자이다. 그러니까 우리 몸이나 벽과 같은 것은 물론 우리 지구도 손쉽게 관통하는 입자이다.
보존도 두 가지 종류가 있는데 하나는 게이지보존이고 하나는 스칼라보존이다. 게이지 보존이란 자연계의 힘을 전달하는 매개입자란 의미이다. 스칼라 보존인 힉스입자는 입자에 질량을 주는 보존이다.
보존은 만져지지 않는 힘이라며 힉스를 힉스입자라 부르나? 이런 의문을 품었다면 정말 훌륭한 생각이다. 만약 당신이 아직 학생이라면 과학자가 될 소질이 충분한 것이다. 앞에서 설명하였듯이 힉스는 원래 입자였다가 힉스 전체가 힉스장이라는 에너지 상태로 변한 것이다. 우리 우주는 힉스장으로 가득 차 있다. 마치 바다가 온통 물로 되어 있고 생물들이 바다의 물과 마찰을 헤치며 헤엄치는 것과 같다. 이번 힉스 입자의 발견은 우주 초기 상태의 조건을 만들어 힉스가 생겼다 힉스장으로 변화되기 전의 그 힉스를 찾은 것이다. 138억년전의 우주를 재현해 보았다고 보면 되는 것이다.
입자와 에너지는 분리해서 생각할 수 없다. 모든 입자는 <장(場)>을 형성한다. 반대로 어떤 장이 존재한다면 그 장이 <입자(粒子)>를 만들어 낸다고 생각해도 된다. 아인슈타인의 상대성이론의 결론 중 하나이기도 하다. <빛이 입자인가? 파장인가?>를 두고 과학계에서는 논쟁이 아니라 거의 전쟁을 벌인 적이 있다. ‘빛은 입자이면서도 파장이다’로 결론이 나왔고, 한발 더 나아가 ‘모든 입자는 파장, 즉 에너지이다’로 발전하였다. 불과 몇 십 년 전만 하더라도 입자와 파장 즉 에너지는 도저히 공존할 수 없는 개념이었다. 그런 것이 지금은 입자와 에너지는 같은 것으로 발전하였다.
E=mc^2.
유명한 아인슈타인의 에너지 등가 법칙이다. 질량이 곧 에너지요, 에너지가 곧 질량이다. 이 역시 상대성이론의 부산물로 나온 법칙이다.
진보는 생각의 전환에서 시작된다.
전하가 있는 전자나 양성자에는 전자기장(電磁氣場)이 형성되고, 질량이 있는 입자엔 중력장(重力場)이 형성된다.
마찬가지로 힘은 에너지이므로 자연계에 존재하는 4가지 힘에는 당연히 그 힘을 전달하는 매개입자가 존재한다. 참조 그림의 보존을 표시한 보라색 왼오른쪽 위 포톤(photon)은 우리가 잘 아는 빛의 입자인 광자(光子)이다. 광자는 전자기력의 매개입자이다. 그 옆 글루온(gluon)은 강력의 매개입자이다. 강력은 양성자와 중성자 같은 원자핵을 강하게 결합시켜 주는 힘이다. 그 위 Z, W보존은 약력을 매개하는 힘이다. 약력은 원자가 붕괴할 때 나오는 힘이다. 방사능과도 관련이 있다.
여기서 끝.
짝. 짝. 짝. 박수 세 번.
개콘 찍냐?
그러면 우리가 잘 아는 중력을 매개하는 입자는?
힘이 있으면 매개입자가 있어야 한다며? 그러면 중력을 전달하는 중력자가 당연히 있어야 할 것이 아닌가?
그러나 아쉽게도 중력자에 대한 것은 막연히 있을 거란 추측만 있지 이에 대한 정확한 이론도 실체도 없다. 그래서 기본입자에는 중력자가 없다.
18. 중력과 중력자(重力子, graviton)
내가 이 글에서 중력자는 아마도 없을 거란 이야기를 하면 과학자들은 펄펄 뛸 것이다. 너무나 힘이 약해 아직 발견을 하지 못한 것이지 반드시 존재해야 하는 것이 중력자이다. 과학의 입장에서는 당연히 그러하여야한다. ‘중력자가 없다’란 말은 입자물리학의 붕괴를 의미한다. 실제로 다른 힘에 비해 중력은 굉장히 작다. 그렇다고 중력자가 없을 수도 있다는 말에 너무 놀라지는 마시라. 고개만 갸우뚱한다는 의미이지 ‘중력자가 없다’라는 확신이 있는 것은 아니다.
나는 철학적 관점으로 중력자를 생각해보는 것이다. 첫째, 실증 입자가 아닌 순수한 이론상의 입자인 힉스까지도 온갖 노력 끝에 결국 만들어 발견했는데, 당연히 있어야할 중력자를 아직까지 발견은 고사하고 정확한 이론조차 세우지 못하는 것은 혹시 중력자가 없기 때문이 아닐까 하는 생각을 해본다. 당연히 그럴 수 있지 않은가? 나는 과학자가 아니라 철학적 사유를 하는 사람이다.
둘째, 질량은 원래부터 존재하는 값이 아니라 힉스장에 의해서 주어진 값이라는 데 생각의 포인트를 두고 싶다. 호킹 박사의 말처럼 우주를 형성하는 기본 힘이 중력이고, 중력의 원천인 질량이 주어진 값이라면 중력은 다른 힘들과는 전혀 다른 메커니즘일 수 있다. 즉, 질량은 힉스 메커니즘이라는 우연으로 저절로 주어진 값이 아니라 그 이전에 <누군가에 의하여 치밀하게 계산되어 넣어진 값이다.>란 생각을 하기에 충분하다. 힉스는 일종의 자판기일지도 모른다. 동전을 넣으면 상품이 나오는 자판기. 입자를 넣으면 질량이 나온다. 그리고 자판기는 누군가에 의하여 만들어졌고 관리된다.
19. 한 처음에
이런 생각을 하던 중에 나에게 철학적 확신을 준 사건이 있었으니 앞에서 말한 의 이석영교수의 빅뱅우주론 세 번째 강의를 듣고 나서이다.
그것은 <우주 평탄도(flatness problem, 강의에서는 ‘평편도’란 단어를 사용했지만 통상 ‘평탄도’라 번역한다)> 문제이다.
우주를 연구하는 과학자들에 따르면, 우리 우주는 약138억 년 전(일반적으로137억 년이라고 하는데 최근 이론은 138억 년에 더 가까운 것 같다. 이글에서는 138억년으로 통일한다.) 에 어떤 한 점(energy ball 혹은 fire ball)이 우연 혹은 어떤 작용에 의해서 대폭발(Big Bang)하였다고한다.
폭발이 <우연>인지 <작용>인지에 대해서는 과학자들은 아직 설명을 못하고 있다. 그것을 과학적으로 이야기하기 위해서는 증거 또는 증명이 필요한데 아마도 우리는 그 직접적인 증거를 찾을 수는 없을 것 같다. 왜냐하면 이 증거는 우리가 관찰자로서 최초 우주의 밖에서 우주가 만들어지는 과정을 보아야 하기 때문이다. 이석영교수는 왜 그랬는지 설명할 수는 없지만 최초의 우리 우주가 양자터널을 아주 우연히 통과 했을 거란 이야기를 한다. 여기서 또 한 번의 우연이 겹친다.
그러므로 우리 우주가 우연인지 작용인지를 판단하는 것은 몇 가지 간접적인 증거들을 통하여 추론할 수밖에 없다.
힉스와 중력자의 문제를 살펴보면 고개가 약간 갸우뚱 해진다. 퍼즐 조각을 분명히 다 맞추었는데 가운데가 뻥 뚫려있는 느낌이다. 가운데가 비어있는데 다 맞춘 거란다.이건 뭐랄까? 화장실에서 뒤처리를 안 하고 그냥 나온 느낌. 으. 찝찝하다.
원문 ; 2014년 2월 7일
1차 수정 ; 2014년 4월 4일
2차 수정 ; 2014년 10월 16일