우주를 지배하는 ‘대칭’의 모든 것을 담아냈다!

2008년 10월 7일, 왕립 스웨덴 과학 아카데미는 난부 요이치로(자발적 대칭성 깨짐)와 고바야시 마코토·마스카와 도시히데(CP 대칭성 깨짐)에게 2008년 노벨 물리학상의 영광을 안겼다. 이들은 우주의 대칭성이 자발적으로 깨질 수 있음을 입증하여, 일본 출신 물리학자 3명이 동시에 노벨 물리학상을 수상하는 사상 최초의 쾌거를 이루었다. 특히, 난부 요이치로 교수는 1960대 초에 쿼크 사이에 작용하는 ‘강력’의 이론인 양자색역학의 기본개념을 제창한 바 있으며, 그의 연구는 소립자물리학의 표준모형의 기반을 확립하는 데 있어 중추적인 역할을 했다.

137억 년 전, 태초의 우주에는 물질과 반물질이 같은 양만큼 존재했다. 하지만 대칭성 깨짐이라는 현상에 의해 물질의 양이 반물질의 양을 근소하게 웃돌게 되어, 현재의 우주에는 반물질과 짝을 이뤄 소멸하지 못한 물질만이 남게 되었다. 이처럼 ‘자발적 대칭성 깨짐’은 우주와 물질의 궁극을 밝히는 현대 물리학에서 매우 본질적인 역할을 하고 있음에도 불구하고 많은 사람에게 그리 친숙한 개념이 아니다. 사실 자발적 대칭성 깨짐은 일상생활 속에서도 쉽게 접할 수 있는 현상 중 하나이다. 예를 들어, 막대자석에 열을 가하면 규칙성이 없는 열운동으로 인하여 막대자석 내부는 대칭적인 공간이 된다. 이 자석을 다시 식혀서 온도가 내려가면 자석 내부의 작은 자석들 사이에 평행해지려는 힘이 작용해서 특정 방향을 선택하게 되어 공간의 대칭성이 깨진다. 이렇게 다시 한번 막대자석의 성질을 되찾는 이 현상이 바로 자발적 대칭성 깨짐이다. 태초의 우주 역시 여러 번의 진공 상전이를 거치면서 온도가 저하되어 대칭성을 잃었고, 137억 년이 지난 오늘날의 우주는 매우 차가운 상태이다. 이처럼 자연의 기본적인 구조는 대칭을 기초로 성립하며, 현실 세계에서 대칭은 대부분은 깨져 있다. 다시 말해, 대칭성 깨짐은 자연계의 다양성을 만들어내는 원인인 것이다.

『우주의 탄생과 대칭』은 총 8개의 장으로 구성되어 있다. 1장과 2장에서는 건축물의 대칭이나 거울의 반전 대칭과 같이 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 대칭에 대해 살펴본다. 3장에서는 간단한 수학을 통해 평면이나 공간에서 나타나는 점대칭, 선대칭, 면대칭 및 회전대칭을 개관한다. 4장부터는 본격적으로 분자나 원자와 같은 미시세계로 눈을 돌려 물질이 갖는 다양한 성질을 대칭의 관점에서 살펴보며, 폴 디랙의 이론이 나오기까지의 과정을 자세히 소개한다. 5장에서 6장에 걸쳐서는 미시세계를 구성하는 요소인 쿼크·렙톤과 이 요소들에 작용하는 네 가지 힘(강력, 전자기력, 약력, 중력)에 대해 살펴본다. 마지막으로 7장과 8장에서는 소립자의 세계를 이해하는 데 있어 매우 중요한 표준이론을 소개하면서 대칭의 역할에 주목한다. 또한, 137억 년 전 탄생한 작고 뜨거운 불덩어리 우주가 여러 차례의 상전이를 거쳐 오늘날과 같은 모습으로 존재하기까지의 여정을 알기 쉽게 풀어냈다.

현대 수학과 물리학의 중요 키워드, ‘대칭’을 통해 우주의 구조를 이해한다!

2008년 10월 7일, 왕립 스웨덴 과학 아카데미는 난부 요이치로(자발적 대칭성 깨짐)와 고바야시 마코토·마스카와 도시히데(CP 대칭성 깨짐)에게 2008년 노벨 물리학상의 영광을 안겼다. 이들은 우주의 대칭성이 자발적으로 깨질 수 있음을 입증하여, 일본 출신 물리학자 3명이 동시에 노벨 물리학상을 수상하는 사상 최초의 쾌거를 이루었다. 특히, 난부 요이치로 교수는 1960대 초에 쿼크 사이에 작용하는 ‘강력’의 이론인 양자색역학의 기본개념을 제창한 바 있으며, 그의 연구는 소립자물리학의 표준모형의 기반을 확립하는 데 있어 중추적인 역할을 했다.

도서출판 승산은 지난 2009년 『무한 공간의 왕: 도널드 콕세터, 기하학을 구한 사나이』를 시작으로, 현대 수학과 물리학의 중요 키워드인 대칭의 중요성을 알리기 위해 총 5권의 대칭시리즈를 기획했다. (『미지수, 상상의 역사(2009)』, 『아름다움은 왜 진리인가(2010)』, 『대칭: 자연의 패턴 속으로 떠나는 여행(2011)』, 『대칭과 아름다운 우주(2012)』) 그에 이어 이번에 새롭게 선보이는 『우주의 탄생과 대칭』은 중고등학생도 쉽게 이해할 수 있는 형태를 취하고 있어, 한 단계 심화된 내용으로 나아가기 위한 발판의 역할을 해 줄 것이다. 이미 오래 전부터 저자 히로세 다치시게는 특유의 알기 쉬운 해설을 통해 일본에 대칭의 개념을 소개해 왔다. 일러스트를 곁들인 『우주의 탄생과 대칭』 역시 일상생활에서 찾아볼 수 있는 대칭을 시작으로, 대칭이란 무엇이며 대칭은 어떠한 이유로 깨져 있는지, 그리고 대칭성 깨짐에 의해 세계는 어떻게 변하는지 매우 알기 쉽게 풀어냈다. 독자는 이 책을 통하여 ‘대칭성 깨짐’에 대한 깊은 이해와 함께 오랫동안 인류가 품어 왔던 ‘우리 우주는 왜, 여기에, 이러한 형태로 존재하는가?’라는 의문에 대한 명쾌한 해답을 얻을 수 있을 것이다.