‘힉스’, 깊어가는 물리학의 신비

‘힉스’, 깊어가는 물리학의 신비

힉스 입자에 대해 의문 제기돼

물리학(物理學)이라는 단어를 한자 의미 그대로 해석한다면 사물의 이치를 연구하는 학문이다. 조금 더 사고의 지평을 넓힌다면 물리학은 자연 그리고 나아가 우주의 현상을 연구해서 그 신비의 베일을 벗기는 학문이다. 이는 과학(science)에 대한 기본적인 정의라고도 할 수 있다.

고전물리학, 상대성이론과 양자역학 등장으로 부정돼
상대성이론과 소위 20세기의 ‘새로운 거대과학’인 양자역학이 나타나기 이전의 고전물리학은 뉴턴역학과 맥스웰의 전자기학을 근간으로 한다. 뉴턴의 만유인력 이론을 끝으로 기초물리학은 완성됐고, 더 이상 연구할 것이 없다는 쪽으로 기울었다.

▲ 고전물리학을 완성한 '근대 과학의 아버지' 아이작 뉴턴 ⓒ위키피디아

“자연은 일정한 법칙에 따라 운동하는 복잡하고 거대한 기계”라고 했던 뉴턴은 말년에 물리학 연구를 접었다. 기초물리학은 이제 완성됐다고 판단했기 때문이다. 그러나 ‘뉴턴의 물리학에 일격을 가한’ 아인슈타인의 상대성 이론으로 고전물리학은 부정되기에 이르렀다.

자연은 꼭 일정한 법칙에 따라 운동하는 것은 아니며 공간과 시간 역시 절대화돼 있는 것이 아니었다. 관측자에 대한 공간과 시간의 상대화를 주장한 상대성 이론, 모든 물리현상을 확률적, 통계적으로 다루는 양자역학의 등장으로 물리학은 복잡미묘하게 전개되면서 그 신비성의 깊이를 더해 갔다.

사실 물리학의 기초가 완성됐다고 생각한 뉴턴은 말년에 연구를 접고 경제 쪽으로 눈을 돌렸다. 유명인사였던 그는 자신의 전공과는 무관한 금융분야에서 일했다. 국회의원으로 선출된 그는 왕립 조폐국의 이사가 됐다.

또 활발한 주식투자가였다. 투자에서 실패를 할 때마다 “난 세상의 이치는 아는데, 주식의 이치는 모르겠단 말이야”라고 한 그의 말은 웬만한 사람이면 거의 알 정도로 널리 퍼져 있는 이야기다. 주식에 빠진 그는 어머니가 물려준 유산의 상당 부분을 잃기도 했다.

“진짜 힉스라면 물리학을 다시 써야”
우주 탄생 초기에 다른 입자에 질량을 부여하고 사라졌다는 힉스 입자는 입자물리학이 설정한 표준모형(standard model)의 모순을 해결하기 위해 추가된 입자다. 표준모형에 따르면 우주에는 12개 기본입자와 이들 사이에 힘을 전달하는 4개 매개 입자 그리고 힉스 입자 17개가 있다.

따라서 최근 유럽입자물리연구소(CERN)가 발견한 '힉스입자로 추정되는 소립자'가 그동안 과학자들이 찾으려고 했던 진짜 힉스 입자라면 우주탄생의 비밀은 풀리게 된다. 문제의 입자가 실제로 힉스라고 가정할 때 기초물리학에 대한 우리의 이해에 전례 없는 혁명임이 확실하다.

▲ 힉스 입자의 발견은 기초 물리학에서 전례 없는 혁명이라고 할 수 있다. 우주의 탄생비밀이 밝혀질 수 있기 때문이다. 그러나 문제의 입자가 힉스 입자가 아닐 것으로 추정하는 과학자들도 늘고 있다. ⓒCERN

그리고 우주의 기원, 어쩌면 만일 존재했다면 그 이전까지 거슬러 올라가는 초자연 운운하는 헛소리(supernatural shenanigans)의 필요성을 없애는 데 과학이 한 발 더 가까워진다. 미 시사주간지 뉴스위크(Newsweek)는 진짜 힉스로 판명된다면 두 가지 비밀이 풀릴 것으로 전망했다.

“無에서 有를 창조할 수 있다”
우선 인간의 존재를 포함한 우주만물은 우주의 탄생과 연관된 환경의 우발적인 결과 속에서 생성됐다는 점이다. 두 번째는 ‘무(no stuff)’에서 ‘유(stuff)’를 창조하는 일이 전혀 어려울 게 없다는 점을 들 수 있다.

우리의 눈에 보이는 모든 사물이 우주에서 양자의 무의미한 트림 또는 어쩌면 우주 자체의 트림으로 탄생했을 가능성이 있다는 뜻이다. 그런데 자연과 우주의 비밀이 그렇게 쉽게 풀릴까? 자연과 우주가 우리에게 쉽게 그 신비스러운 알몸을 드러내려 할까?

비단 과학뿐만이 아니다. 모든 학문은 회의(懷疑)에서 출발하며 회의 속에서 발전한다. 아니나 다를까, 벌써부터 일부 과학자들은 ‘힉스입자로 추정되는 소립자’에 대해 의문을 품기 시작했다. 아닐 가능성도 많다는 것이다.

CERN의 발표가 세상을 뒤흔들어 놓았다. 그러나 학자들이 새 입자를 곧바로 힉스 입자로 부르지 않는 이유는 따로 있다. 이것이 힉스 입자가 아니라 이와 매우 비슷한 '도플갱어(doppelganger, 닮은 꼴)'일 가능성이 전혀 없지 않기 때문이다. 정확히 말하자면 힉스 입자가 아닌 다른 소립자라는 의미이다.

“힉스 입자 가설 처음부터 잘못 돼”
힉스 입자라고 단정하기에는 “시기상조”라고 주장하는 학자들 가운데는 미 캘리포니아 공대(CALTECH) 고에너지 물리학자 하비 뉴먼 교수와 데이비스 캘리포니아대학(UCD)의 존 거니언 교수도 포함된다. 그들은 의문을 품으면서도 이것이 힉스 입자가 아닌 다른 입자라면 이는 물리학에 더욱 더 큰 의미를 띠게 된다고 말한다.

두 교수는 우선 힉스 입자 가설에 의문을 품는다. “이런 가설은 단순하고 강력하지만 완전한 가설이 될 수 없다"고 지적하면서 “현재 통용되는 물리학의 표준모델을 믿는 것은 마치 뉴턴의 운동법칙을 믿는 것과 같다"고 꼬집었다.

뉴턴의 법칙은 공간과 시간을 분리된 불변의 존재로 보고 있는데, 이는 느린 속도로 운동하는 질량이 작은 물체의 운동을 설명하는 데는 적합하지만 빛의 속도로 움직이는 물체나 시공간을 왜곡시키는 블랙홀에는 적용할 수 없다.

▲ CALTECH의 하비 뉴먼 교수는 최근 힉스 입자로 추정되는 소립자에 대해 의문을 품는 대표적인 물리학자다. ⓒCALTECH

"뉴턴의 법칙은 깔끔하게 많은 현상을 설명할 수 있지만 시공간을 정확하게 설명하는 더 근본적인 아인슈타인의 상대성 이론의 저에너지 한계"라면서 "표준 모델도 마찬가지여서 더 근본적인 이론이 있어야만 한다"는 것이 그들의 주장이다.

또한 그들은 표준모델은 우주물질의 84%를 차지하는 암흑물질 입자들의 존재를 계산하지 않았으며 중력의 존재 역시 이 모델에 포함되지 않았기 때문에 불완전 이론이 될 수밖에 없다고 주장한다.

더구나 표준모델은 물질과 반물질이 대칭적인 존재인 것처럼 취급해 어째서 우주에 반물질보다 물질이 훨씬 많은지를 무시하고 있다고 지적했다. 더 나아가 우주탄생의 순간에 존재했던 어마어마한 고에너지에 표준모델을 적용하면 가설은 허물어지고 만다고 그들은 주장한다.

힉스 입자로 우주를 만들 수도?
문제의 입자가 힉스 입자인지, 힉스 입자를 포함한 기존의 표준모델이 잘못됐는지에 대한 이야기는 논외로 하자. 확실한 것은 기존의 이론에 대한 회의와 의문 속에서 과학이 발전했다는 것이다. 이번 소립자가 진짜 힉스 입자가 아니라면 우주탄생의 비밀은 다시 미궁 속으로 빠져들며 새로운 물리학의 등장을 기대할 수가 있다.

물리학자들이 원자를 발견한 후 원자폭탄이 나왔다. 전자를 발견한 뒤에는 온갖 전자 제품이 우리 사회에 쏟아져 나왔다. 힉스 입자 발견으로 어떤 발명품이 탄생할지는 알 수 없다. 다시 상상력을 넓혀보자. 힉스 입자가 우주 탄생의 출발점이라면 인간은 언젠가 힉스 입자를 이용해 또 다른 우주를 창조해낼지도 모를 일이다.

따라서 힉스 입자는 레온 레더만의 지적처럼 ‘빌어먹을 입자’도 아니고 '신의 입자'도 아니다. 오히려 ‘신을 부정하는 입자’라는 말이 더 정확한 표현이다.

“진리엔 과학자가 가깝고 지혜엔 정치인이 가깝다”는 말이 있다. 어쨌든 ‘힉스’의 발견은 물리학의 난제를 해결하는 것이 아니라 또 다른 난제를 안겨주고 있다. 그래서 우주의 신비 그리고 베일을 벗기려는 물리학의 신비도 더 깊어만 가고 있는 것이다.

김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com 저작권자 2012.07.24 ⓒ ScienceTimes