우주의 비밀을 밝히는 상대론과 양자론의 세계

그 옛날에는 어떤 물질이 있었을까? 과학자들은 원자나 원자핵은 없었고 말 그대로 기본 입자인 ‘쿼크’라는 원시 물질 요소와 빛이 있었다고 믿는다. 그렇다면 그것들은 무엇일까? 그리고 어떤 과정을 거쳐 우리가 흔히 보는 물질들이 되었을까?
이런 의문들을 이 책에서 파헤치고 설명할까 한다. 이것을 설명하기 위해 ‘상대성 이론’과 ‘양자론’이란 현대 과학의 ‘패러다임’도 소개할 것이다. 다소 어렵고 지루할 수도 있지만 ‘과학은 어렵다.’라는 편견만 지워 버리면 새로운 지적 즐거움을 얻을 수 있을 것이다. -본문에서

이 책은 초대형 반사 망원경을 만드는 데 평생을 바친 헤일과 헤일이 만든 망원경으로 우주가 대폭발에서 시작되어 150억 년 가까이 계속 팽창하고 있음을 증명한 허블과 천체 물리학자들이 우주 팽창을 입증하거나 먼 은하의 거리를 재는 데 사용하는 초신성 폭발의 이모저모를 소개한 1장 우주의 개척자들, 아인슈타인 상대성 이론의 기초를 재미있는 일화와 비유를 통해 설명한 2장 천재의 생각, 입자가 파동처럼 행동하고 물리학자들의 관측이 불확실성이라는 한계에 부딪치는 이상한 나라인 양자 역학의 세계를 소개하는 3장 두 얼굴의 티끌 우주, 쿼크, 렙톤, 바리온, 중성미자 등 수많은 입자들이 난무하는 입자 물리학의 세계를 소개하는 4장 자연을 이루는 벽돌들, 대폭발에서 현재까지 현대 우주론의 개요를 소개하는 5장 우주 창조의 원리로 이루어져 있다.
아인슈타인의 상대성 이론과 양자 역학을 기초를 소개한 부분도 독특하고 재미있는 설명으로 읽을 만하지만 이 책에서 무엇보다 읽을 만한 부분은 자연을 이루는 벽돌들인 기본 입자(소립자)들의 세계를 해설한 부분이다.
1950년대까지는 대부분의 과학자들이 양성자, 중성자, 전자가 물질의 가장 기본적인 요소라고 생각했다. 하지만 입자 가속기가 만들어져 양성자, 중성자, 전자를 강한 에너지로 충돌시켜 보니 더 작은 물질 구성 요소들이 튀어나오기 시작했다. 쿼크, 렙톤, 바리온 같은 이 기본 입자들은 물리학자들의 뒤통수를 친 것이다. 입자 물리학자들은 무수히 쏟아져 나오는 이 입자들의 기본 원리를 설명하기 위해 온갖 아이디어를 짜내야 했고, 대칭성의 원리나 새로운 수학 이론 등을 이용해 이를 간신히 설명할 수 있는 ‘표준 모형’이라는 이론을 만들어 냈다. 현재 이 표준 모형은 현대 이론 물리학의 가장 근본적인 이론으로 평가받고 있다.
한국 입자 물리학을 대표하는 석학답게 저자는 이 입자 물리학의 발달 과정과 그 안에서 출몰한 난해한 물리학 이론들을 알기 쉽게, 알짜만 뽑아 소개하고 있다. 쿼크가 모여 중간자와 바리온 같은 더 큰 입자를 원리를 해명한 머리 겔만의 팔정도 개념이라든가, 입자 분류의 기본인 페르미온과 보손의 구분법, 파동과 입자의 성질을 동시에 띤 웨이클 개념, 힘이 게이지 보손 입자를 통해 전달되는 메커니즘 등을 일상적인 비유와 상상력을 일깨우는 비유들을 동원해 해설하고 있다. 입자 물리학의 세계가 궁금한 이들에게 부담 없이 그 세계의 일부를 일별할 수 있는 기회를 제공하는 것이다.


물리학은 우주가 인류에게 준 위대한 선물이다

끝없는 호기심과 자신에 넘친 과학자들은 건방지게도 하느님을 넘보기 시작한다. 이 세상은 왜 이렇게 만들어졌는지? 그 ‘디자인’은 어떤 감각에서 힌트를 얻었는지? 질문은 질문을 낳고 원자핵 속 깊숙한 곳에서 사는 소립자인 ‘쿼크’를 발견하면서 이들이 이 세상 만물과 생물을 이루는 원시 재료임을 확인한다. 과학자들은 이들이 마치 목욕탕의 삼각 무늬 타일과 같은 그런 구조를 가진 것을 알아내고 이것을 세상의 기본 ‘디자인’으로 받아들인다. 그러나 이들 쿼크는 전기나 자기의 힘과 결합할 때에는 삼각 무늬를 풀고 부부처럼 쌍을 이루어 행동한다. 이렇게 미시의 세계는 변화무상한 세계이기도 한 것이다. 상대성 이론을 믿는다면 우리는 미래로 미리 가 볼 수도 있다. 방법은 원리적으로는 간단하다. 특수 상대성 이론에 따르면 광속도에 가까운 속도로 여행을 하면 시간은 거의 흐르지 않는다. 따라서 이렇게 잠시 여행을 하고 지구에 돌아오면 이 땅의 시간은 몇 천 년이 흐르게 될 것이고 그는 그의 몇 십 대 후손을 만나게 될 것이다. 이처럼 미래로의 여행은 비교적 간단하다. 그렇다면 과거로의 여행은 할 수 있을까? 이런 것들을 우리는 좀 더 알아보아야 할 것이다. 그뿐만이 아니라 이 세상에는 모든 것을 집어삼키는 블랙홀이 있다는데 어디에 있을까? 퀘이사의 정체는? 이렇게 의문과 호기심은 꼬리에 꼬리를 물어 끝이 없다. 그리고 우리가 알고 있는 과학 이론들이 정말 맞는 것일까? -본문에서

저자는 본문 중에서 물리학은 꼬리에 꼬리를 물고 이어지슴 질문들의 연쇄를 한없이, 쉼 없이 쫓아가는 물리학자들의 열정으로 이루어져 있다는 말을 한다. 그처럼 질문들을 던지며 책을 마친다. 과학에서 중요한 것은 어떤 지식을 얼마나 외우고 있는가가 아니라 어떻게 재미있는 질문을 던지는 것인가임을 보여 주기 위해서이다.
과학이 다른 어떤 학문보다도 강조되는 시대에, 과학이 시험 문제로 학생들의 머리를 짓누르는 시대에 과학이 놀이임을, 과학이 즐거움임을, 과학이 위대함을 수십 년간 외롭게, 하지만 끈질기게 외쳐 온 김제완 명예 교수의 이 책은 과학과 물리학의 새로운 면모에 대해 생각할 수 있는 기회를 제공할 것이다.