2013년 노벨물리학상 수상자, 힉스! 21세기 현대물리학의 새 지평을 열다
힉스입자로 설명하는 세상에서 가장 쉬운 우주 탄생의 원리

21세기 최대의 과학혁명으로 일컬어지는 힉스입자의 발견이 2012년 스위스 제네바에 있는 CERN(유럽핵입자 물리연구소)에서 이루어졌다. 힉스 입자는 현재로선 표준 이론에 등장하는 27개의 입자 중 아직 인간이 실험을 통해 확인하지 못한 유일한 입자다. 힉스 입자를 찾으면 표준이론이 완성되면서 물질에 어떻게 질량이 부여됐는지가 설명된다. 우주의 기원에 대한 비밀이 하나 더 밝혀지는 셈이다. 일명 신의 입자라 불리는 이유가 여기에 있다. 저자는 표준이론의 마지막 직소 퍼즐인 힉스입자의 발견을 시작으로 우주의 기원과 탄생 과정, 그리고 앞으로 펼쳐질 우주의 미래를 점친다. 우주는 무엇으로 이루어져 있는가, 우주는 어떻게 시작되었는가, 앞으로 우주는 어떻게 될 것인가. 일본 최고의 과학전문기자, 아오노 유리는 소립자 물리학과 우주론의 세계를 넘나들며 우주의 비밀을 놀랍도록 쉽게 풀어내고 있다.
‘힉스입자는 이제 찾는 시대에서 이해하는 시대가 되었다’
기나긴 여정의 시작, 힉스입자를 넘어서

CERN에서 공식적으로 발표된 내용은 ‘힉스입자라고 생각해도 모순이 없는 새로운 입자를 발견했다’는 것이었다. 왜 이렇게 에두른 표현을 쓴 것일까. 새로운 소립자를 발견한 것은 틀림없지만 표준이론이 예언한 힉스입자에 딱 들어맞는 것이 아니기 때문이다. 정확히 말하면 약간 더 가볍다. 사실 힉스입자의 발견으로 완성될 표준이론은 우주의 5%밖에 안 되는 물질에 대해서만 설명 가능하다. 나머지 95%의 우주 성분은 물리학자들도 잘 모른다. 나머지 95%는 우리가 아직 정체를 모르는 ‘암흑물질’과 ‘암흑에너지’로 이루어져 있다. 때문에 표준이론이 예언한 입자보다 조금 가볍다는 사실은 표준이론이 설명하지 못하는 나머지 95%의 수수께끼에 대한 단서가 될 수도 있다는 걸 뜻한다. 말하자면 CERN의 새 입자 발견은 표준이론을 뛰어넘어 우리가 모르는 우주의 진리에 다가가는 열쇠가 되어줄 수 있다는 것이다. 이 책은 힉스의 발견을 표준이론의 완성이 아닌 새로운 물리학의 시작으로 보고 21세기 우주론과 소립자론의 황금시대를 전망한다.

우주의 신비로움에 도전장을 내민 물리학자들의 이야기

우주론의 비밀을 추적하는 과정에서 과학자들의 노력과 협력 또한 흥미진진하다. 저자는 뉴턴이나 아인슈타인과 같은 천재 과학자 외에도 다양한 과학자들의 역사와 업적을 소개한다. 우주의 팽창을 최초로 발견했지만 허블의 인지도에 밀린 르메트르 신부이야기, 마찬가지로 머레이 겔만과 함께 쿼크의 존재를 예언했지만 그의 명성에 뒤진 조지 츠바이크의 이야기는 과학 세계에 존재하는 의외의 아이러니를 드러낸다. 우주의 등대를 발견한 헨리에타 레빗과 우주의 나이 논쟁에 마침표를 찍은 웬디 프리드만, 그리고 안드로메다 은하를 통해 암흑물질의 존재를 알린 베라 루빈처럼 천문학의 발전에 커다란 분수령을 이루었지만 업적만큼 알려져 있지 않은 여성 과학자들의 활약도 눈여겨볼 만하다. 또한 이 책을 읽다 보면 입자물리학과 양자물리학에서 차지하는 일본 과학계의 비중에도 새삼 놀라지 않을 수 없다. 저자는 다양한 과학자들을 소개함으로써 역사에 이름을 남긴 유명한 발견자의 그늘엔 항상 수많은 사람들의 노력이 축적되어 있음을 상기시킨다.

소립자의 탄생에서 지구, 별, 은하 그리고 우주의 탄생에 이르기까지
빅히스토리 세계로 떠나는 짜릿한 과학여행

시간을 거슬러 올라가 우주를 압축해가면 무슨 일이 일어날까. 시간을 거슬러 압착시키면 온도도 밀도도 아주 높은 상태가 될 것이다. 그런 사실로부터 조지 가모프는 1946년, 우주가 뜨거운 불덩어리 같은 상태로 시작되었다는 빅뱅 우주론을 이끌어냈다. 그렇다면 우주 탄생 이야기는 소립자의 이야기와 어떻게 연결이 될까? 실은 소립자의 연구와 우주 연구는 따로 따로 진척을 이루어왔다. 한쪽은 물질을 잘디잘게 나누어가는 연구이고 다른 한쪽은 광대한 우주를 대상으로 삼는 연구이기 때문에 접점이 없는 것처럼 보이는 것도 당연하다. 하지만 빅뱅 우주론이 등장한 덕분에 두 분야의 연구가 이어져 있다는 것을 물리학자나 천문학자도 알아챌 수 있었다. 우주가 탄생한 직후에는 우리가 알고 있는 물질은 아직 존재하지 않았다. 다만 소립자만 있었기 때문에 우주의 수수께끼를 풀려면 소립자 물리학이 필요하다는 것은 분명했다. 또한 CERN과 같이 대형가속기를 사용한 소립자 실험을 진행하는 동안 가속기 속에서 만들어진 높은 에너지 상태가 우주 초기의 모습을 재현하고 있다는 사실 또한 깨달았다.

이 책의 5장 ‘우주의 수수께끼는 풀 수 있을까?’에는 그리스 신화에 등장하는 우로보로스의 뱀 이야기가 나온다. 이 뱀은 고대 그리스에서는 우주의 완전성을 상징하는 뱀이라고 한다. 저자가 그린 우로보로스의 뱀의 꼬리에는 소립자가 있다. 이어서 원자핵, 원자, 분자, 인간, 산, 지구, 태양계, 별과 은하가 이어지면서 머리에 다다른다. 그런데 자세히 보면 뱀의 머리가 자신의 꼬리를 물고 있다. 이것은 마이크로세계의 소립자가 광대한 우주와 밀접하게 연관되어 있다는 것을 상징한다. 이 책에서 통찰을 얻을 수 있는 중요한 대목이다. 이 책은 보다 심원한 우주의 탐색으로 들어가기 위한 징검다리다. 우주의 퍼즐 자체는 아직 풀렸다고 할 수 없다. 하지만 소립자 물리학과 우주론의 세계를 탐색하는 사이 표준이론을 뛰어넘는 새로운 현상을 발견하려는 물리학의 도전은 계속될 것이다.