자연은 왜 이토록 단순하면서도 아름다운가

“우리가 사는 세계는 무엇으로 이루어져 있는가?” 이 질문에 답하기 위해 과학자들은 한 세기 넘게 탐구를 이어왔다. 이 책은 물리적 세계를 이해하려 애써온 과학자들의 여정을 한 편의 드라마로 풀어낸 과학 교양서다.

전자, 쿼크, 암흑물질에서 힉스보손까지 한 세기에 걸친 물리학의 여정
보이지 않는 세계를 향한 과학자들의 탐사
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“입자물리학과 우주론의 발전사가 당대를 살아온 과학자의 시선에서 생생하게 펼쳐진다.”
솔 펄머터(2011년 노벨 물리학상 수상자)

오늘날 과학은 인공지능(AI) 없이는 연구가 어려운 수준에 이르렀다. 입자가속기와 우주 관측에서 생성되는 방대한 데이터를 분석하기 위한 기술은 인공지능과 머신러닝의 발전으로 이어졌다. 양자컴퓨터가 우주론을 이끄는 시대가 온 것이다. 과학이 이렇게 발전하기까지는 많은 과학자들의 시행착오가 있었다. 이 책은 그 시작이라 할 수 있는 20세기 초 원자의 구조를 밝히는 실험에서 출발한다. 원자 중심에 핵이 존재함을 알아낸 어니스트 러더퍼드의 초기 산란 실험, 안개상자와 거품상자를 통해 보이지 않는 입자의 흔적을 ‘선’으로 포착하던 순간, 새로운 쿼크의 발견으로 물리학계가 발칵 뒤집힌 1974년 11월, 입자를 빛의 속도로 충돌시켜 그 정체를 밝혀내는 오늘날의 입자물리학 실험까지 물리학의 결정적 발견들이 이 책에 담겨 있다. 인간의 감각으로는 닿을 수 없는 세계를 밝혀내기 위해 과학자들은 기발한 아이디어를 내고 가설을 증명하기 위한 장비를 끊임없이 만들어왔으며, 그 과정에서 물질을 이루는 가장 근본적인 구조의 정체가 하나둘 드러나기 시작했다.

발견의 순간을 함께한 사람들
2012년 7월 4일, 전 세계 과학자들의 시선이 스위스 유럽핵입자연구소CERN로 집중되었다. CERN의 대형 강입자 충돌기LHC를 통해 힉스보손으로 추정되는 입자가 발견된 것이다. 반세기 전에 그 존재를 예견했던 프랑수아 앙글레르, 제럴드 구럴닉, 리처드 헤이건, 피터 힉스도 자리에 함께했다. “마침내 그것을 찾았습니다.” 사무총장 롤프 호이어의 발표가 끝나자 발표회장은 환호와 박수로 가득 찼다. 이후 2013년 최종적으로 그 존재가 인정됨으로써 힉스보손은 세계를 구성하는 입자로 인정받게 된다.
이와 같은 장면은 과거에도 반복되었다. 러더퍼드는 금박에 입자를 쏘는 실험에서 일부 입자가 튕겨 나오는 현상을 통해 원자 중심에 핵이 존재한다는 사실을 밝혀냈고, 머리 겔만은 물질을 이루는 더 작은 구성 요소를 설명하기 위해 ‘쿼크’라는 개념을 제시했다. 1974년 11월, 전혀 예상치 못한 새로운 입자가 발견되면서 입자물리학은 또 한 번의 “혁명”을 맞이한다. 맵시쿼크charm quark의 발견으로 이론으로만 존재했던 쿼크의 존재가 증명된 것이다. 이어 피터 힉스는 입자가 질량을 갖게 되는 원리를 설명하는 이론을 제안했고, 이것이 바로 수십 년이 지나서야 그 존재가 확인된 힉스보손이다. 이렇듯 연구의 최전선에서 모든 발견의 순간을 함께한 ‘내부자의 시선’이 담겨 있다는 점이 이 책의 또 다른 매력이다.

그리고 영원히 끝나지 않을 질문들
세계는 결국 몇 가지 기본 입자와 힘으로 정리되는 ‘표준모형’의 틀로 모든 것을 설명할 수 있다. 어떤 입자나 힘이 표준모형으로 인정받기까지는 몇백 년이 걸리기도 하고, 그 속에는 수많은 사람의 노력이 깃들어 있다. 그런데도 세계는 여전히 물음표로 가득 차 있다. 멘델레예프가 주기율표에 빈칸이 있음을 알아차린 것처럼, 만물의 기본단위인 쿼크가 발견되었어도, 대형 강입자 충돌기와 같은 거대한 규모의 입자가속기를 갖게 되었어도, 이를 통해 힉스입자를 발견했어도, 여전히 곳곳에는 미지의 영역이 있다. 우주의 대부분을 차지한다고 추정되는 암흑물질과 암흑에너지, 물질과 반물질의 불균형 같은 문제는 풀리지 않은 상태다. 저자들은 지금의 물리학 이론으로는 아직 우주라는 거대한 콘텐츠의 5퍼센트밖에 설명하지 못한다고 말한다. 그렇다고 절망할 필요는 없다. 물리학자들은 지금도 아직 답을 찾지 못한 질문과 사방에 흩어진 퍼즐 조각들, 수많은 미스터리와 씨름을 벌이면서 그 행위 자체를 낙으로 살아가고 있기 때문이다. 노벨 물리학상 수상자 스티븐 추의 말처럼, “우주의 비밀을 밝혀내는 과정은 단순하지도, 우아하지도 않”지만, 그러나 우리가 사는 세계는 아주 단순한 법칙 위에 세워져 있으며 그 단순한 법칙 속에는 깊은 아름다움과 아직 밝혀지지 않은 신비가 숨어 있다. 독자들은 대학 캠퍼스만 한 공간을 차지하고 수십조 원에 달하는 입자가속기가 도대체 왜 필요한지 이 책을 통해 알게 될 것이다.