신의 입자를 찾아서

★ 2008년 문화체육관광부 우수 교양도서
★ 2008년 과학문화재단 올해의 청소년 도서

이 책은 LHC가 완공된 2008년 출간된 <신의 입자를 찾아서>의 개정증보판으로, 2012년 힉스 입자가 발견된 상황을 중점적으로 보완해 출간했다.


2015년 4월, 스위스 제네바에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)는 대형강입자가속기(Large Hadron Collider, LHC)가 성능 향상을 마치고 재가동에 들어갔다고 공식 발표했다. LHC 재가동에 전 세계가 흥분하는 이유는 단 하나. 입자물리학 표준 모형의 마지막 퍼즐 조각이었던 힉스 입자를 지난 2012년 LHC가 증명했기 때문이다. 다시 가동되는 LHC는 완성된 입자물리학의 표준 모형을 넘어 무엇을 보여줄까? 아니, 미래를 상상하는 일은 잠시 미뤄두자. 우리는 LHC 이전에, 그리고 힉스 입자를 발견하기까지 어떤 일이 있었는지 먼저 알아야 할 필요가 있다.


입자물리학과 LHC 실험의 기원
쪼개서 보면 세상 만물의 이치가 보인다?
LHC 실험의 목적을 단순하게 말하면 이렇다. 속이 궁금하면 깨봐야 한다! 그렇다면 도대체 인간은 언제부터 입자를 깨볼 생각을 했을까? 복잡해 보이기만 하는 입자물리학은 사실 우리가 잘 알고 있는 그리스 시대의 다양한 원소설에서 시작된다. 지금은 다소 엉뚱한 학설처럼 보이지만 그리스 사람들은 세상 만물이 물, 불, 공기, 흙, 이 네 가지 원소로 이루어졌다는 사실을 믿어 의심치 않았다. 혁명은 1878년 조지 톰슨이 ‘원자’를 깨뜨리면서 시작되었다. 이때까지 원자는 ‘깨지지 않는 무엇’이었다. 그런데 원자가 전자와 원자핵으로 깨질 수 있다는 사실을 톰슨이 발견하면서 물리학계는 점점 아주 작은 입자의 세계로 빠져들었다. 저자는 무려 2,600년 전부터 세상의 물리적 본질에 관한 질문이 있어왔으며, LHC 실험의 성과는 이 질문에 답하기 위한 노력의 결정판이었다는 점을 강조한다.


우리 직관의 바깥에 있는 소립자의 세계
그러나 양자역학은 답을 가지고 있다
이제 과학자들은 손에 쥘 수 없는 것은 물론 눈으로 확인할 수 없는, 때때로 믿을 수 없는 일이 일어나는 미시 세계로 들어섰다. 이 미시 세계는 양자역학으로 설명된다. “덩어리진 것들의 상태와 운동에 관한 학문”으로 정의되는 양자역학은 단번에 이해하기 어려운 학문이다. 하지만 우리 발밑에서 돌아가는 LHC가 인류에게 선사할 미래가 무엇일지 궁금하다면, 양자역학은 꼭 거쳐야 할 관문임에 틀림없다. 물론 양자역학은 전공자도 이해하기 어려운 분야다. 다행인지 불행인지 저자는 “양자역학은 원래 어렵다”는 점을 인정한다. 그리고 당대 양자역학의 핵심 질문과 실험을 그림과 함께 하나씩 설명해나간다. 대학 강단과 대중 강연장에서 활용하기 위해 저자가 직접 그리고 모아온 그림 자료들은 이 책에서 제 역할을 톡톡히 해낸다.


아인슈타인과 함께 우주로
상대성이론의 매력에 빠지다
아주 작은 입자의 세계는 곧장 광활한 우주와 연결된다. 우리는 단 한 단어와 함께 이 흐름에 편승할 수 있다. 바로 ‘빛’이다. ‘광속’을 직접 느끼거나 경험하는 것은 불가능하지만, ‘광속으로 움직일 수 있다면 어떤 일이 벌어질까?’를 영화에서나마 한번쯤 꽤 구체적으로 볼 수 있는 시대가 아닌가. 하지만 시간과 공간을 4차원의 ‘시공간’으로 합쳐버린 이 매력적인 이론을 막상 설명하려면 혀가 굳는다. 그저 아는 척만 하는 것도 힘들다는 소리다. 그래서 저자는 다시 속도를 늦추고 갈릴레오 갈릴레이로 거슬러 올라가 상대성 개념부터 한 걸음을 내딛도록 돕는다. 그리고 저자 특유의 스토리텔링으로 가상의 사례를 만들어 상대성이론의 핵심 가설을 설명한다. 광선검을 들고 고속전철에 탄 테러리스트들과 춘향을 지구에 남겨두고 우주여행을 떠난 이몽룡의 이야기 속에서 독자들은 물리학의 재미를 느낄 수 있을 것이다.


지성인이라면 꼭 알아야 할 지금, 여기의 물리학
어쩌면 물리학의 정설 중의 정설은 ‘물리학은 어렵다’일 것이다. 물리학에 흠뻑 빠진 사람들은 ‘세상에서 가장 아름다운 학문’이라고 황홀해 하기도 하지만, 역시 대부분의 사람은 아무리 전 세계적 이슈일지라도 물리학 이야기에는 고개를 내젓기 일쑤다. 저자는 쉽고 친절한 설명에 온힘을 쏟지만, 물리학이 어렵다는 사실은 변하지 않는다고 말한다. 그리고 많은 사람이 원하는 것처럼 ‘초등학생도 이해할 수 있는’ 현대 물리학은 없다고 단언한다. 그럼에도 신에 대한 도전을 멈추지 않는 이 시대를 살아가는 지성인이라면 현대 물리학을 궁금해 하고 알아가려는 노력이 필요하다고 지적한다. 이 책은 그 길에 오른 독자들에게 큰 힘과 응원이 될 것이다.