소립자로 우주를 탐구

일본인으로서 처음으로 노벨상에 빛난 유카와 히데키 박사는 오사카제국대학 이학부 강사였던 1934년 중간자의 존재를 예상해 '소립자의 상호작용에 대해'라는 논문을 발표했다. 원자나 그보다 작은 소립자는 양자라고 불리며 입자처럼 또는 파동처럼 운동하는 이상한 성질을 가지고 있다. 그런 극미한 세계를 다루는 '양자역학'은 당시 탄생한지 얼마 안 되어 전세계 학자가 연구에 힘을 쏟고 있었다. 유카와 박사는 이미 존재가 알려져 있던 전자나 양자, 중성자 등 원자핵의 구성요소에 더하여 중간자라는 존재를 가정함으로써 원자핵이 흩어지지 않도록 연결하는 힘의 정체를 설명했다. 획기적인 아이디어로 받아져 1949년 노벨상으로 이어졌다. 전후 피폐해 있던 많은 젊은이를 소립자 연구에 모이게 해 이 분야에서 일본이 중요한 역할을 하는 계기가 되었다.

현대의 연구에서는 '초끈 이론', '이차원 공간' 등 일상생활의 상식과는 별개인 사고방식도 등장했고 우주의 성립에도 관련되어 있다고 추정된다.

우주는 17종류의 소립자로 만들어져 있는가?

물건이 무엇으로 되어 있는지를 탐구하기 위해 점점 분할해 나가면 수소나 산소 등의 원자에 도달한다. 그 원자도 실은 물질의 최소 단위가 아니라 원자핵 주위를 전자가 돌고 있다는 구조가 20세기 초에 밝혀졌다. 그 원자핵을 부수어 보면 양성자와 중성자로 나뉜다. 그럼 양성자나 중성자를 부수면 어떻게 될까. 작아질수록 부서지기 어렵지만 기술이 진보됨으로써 부서지게 되었다. 인류가 지금의 기술로 도달한 가장 작은 알갱이를 소립자라고 부른다. 이론적으로 존재가 예상되었던 톱 쿼크라는 소립자가 1995년에, 힉스입자가 2012년에 발견되었다. 광자(빛의 입자)나 전자도 소립자로 지금까지 발견된 소립자는 17종류, 놀랍게도 인류에게 보이는 우주는 그 17종류의 소립자로부터 거의 만들어졌다. 게다가 1970년대에는 소립자의 표준이론이 완성되어 각각의 소립자가 어떤 법칙으로 움직이는지를 단 하나의 방정식으로부터 이끌어내게 되었다. 우주도 인간사회도 복잡함으로 가득 차 있지만 결국은 이 17종류의 소립자가 달라붙거나 떠나는 법칙으로 환원된다. 그 방정식을 우리는 알고 있다.

우주의 수수께끼는 모두 규명된 것인가?

그렇게 간단하지 않다. 현대 물리학에서는 힘이 입자를 매개로 발생한다고 생각한다. 예를 들어 전자기력은 광자가 매개하는 것으로 알려져 있다. 물건이 끌어당기는 만유인력을 매개하는 중력자가 존재할 것임에 틀림없다고도 생각한다. 그러나 전자기력 등과 비교해 중력은 매우 약하기 때문에 관측이 어렵다. 그래서 아직 실험적으로는 중력자의 존재는 확인되지 않았다.

소립자는 '끈'으로 되어 있다?

그렇다면 중력자가 발견되면 우주의 수수께끼에 종지부가 될까? 이것 또한 그렇게 간단하지 않은 것 같다. 왜 소립자는 이 17종류(중력자를 넣으면 18종류)인가나 왜 빛이나 중력이 존재하는가 등 이런 보다 근원적인 질문이 남는다. 그래서 주목을 받고 있는 것이 소립자는 어떤 종류의 끈으로 되어 있다고 보는 '초끈이론'이다.

소립자를 관찰해 끈처럼 보인다는 실험결과는 지금까지 전혀 없었다. 하지만 끈이라고 가정하면 매우 좋다. 3D 영화를 볼 때 편광안경을 쓰면 입체적으로 보이는데 세로와 가로 편향을 가지는 빛을 좌우의 눈에 따로따로 통과시키기 때문이다. 소립자가 점이 아니라 끈이라고 생각하면 끈의 종횡의 진동의 차이로 편광을 설명할 수 있다. 게다가 끈의 진동 방정식으로부터 전자파(빛)의 운동을 기술하는 맥스웰 방정식이 자동적으로 도출된다. 대단한 것은 중력의 성질을 기술하는 아인슈타인 방정식도 소립자가 끈이라고 가정하면 이끌 수 있다. 이 세상에 왜 빛이 존재하는지, 왜 중력이 존재하는지 등 근원적인 의문을 수학적으로 설명할 수 있다.

다양한 수수께끼를 소립자가 끈이라는 가정으로 간단하게 풀 수 있다. 많은 물리학자가 몰릴 만한 매력에 넘치지만 그 앞에 보이는 광경은 상상을 초월하는 것이다. 우리는 사는 세상은 세로, 가로, 높이의 3차원 공간이라고 생각한다. 그 이유를 해결하는 아이디어로서 9차원 중 6차원은 작게 축소되어 우리에게는 보이지 않는다고 가설이 있다. 줄을 타는 광대를 생각해보자. 그는 줄 위를 앞뒤로 진행하기 때문에 줄은 1차원이다. 그 줄의 표면에 개미가 있다고 가정하면 개미는 줄의 표면을 앞뒤좌우로 움직일 수 있기 때문에 2차원, 줄의 내부에 벼룩이 있으면 벼룩에게는 3차원의 세계이다. 이와 같이 인간은 9차원의 세계에 있는데 3차원밖에 보이지 않을 뿐이라 생각한다.

새로운 과학의 지평을 넓힐까?

믿기 어려운 세계상으로 물리학자라고 해도 그 이론을 의심하는 사람은 많았다. 그러나 우주는 왜 존재하고 있는지, 우주의 시작은 무엇이었는가 등 이런 의문에 대답을 해줄 것 같은 매력에 저항하기 어렵다. 영국의 물리학자 호킹에 의한 블랙홀의 열역학적 연구의 난제가 해결될지도 모른다는 아르헨티나 출신의 물리학자 마르다세나가 제창한 홀로그래피 원리에 따르면 전자기의 운동을 기술하는 맥스웰 방정식을 조금 일반화한 시스템과 중력을 설명하는 아인슈타인 방정식의 시스템은 공간의 차원을 바꾸어 생각하면 같다. 하나는 전자와 광자의 미세한 이야기, 다른 한쪽은 중력이 작용하는 우주의 이야기, 그것을 같은 방정식으로 표현할 수 있다면 여러 힘은 동일한 것일지도 모른다. 17종류의 소립자도 실제로는 하나로 보이는 방법이 다를 뿐일지도 모른다. 전혀 다른 패러다임에 과학을 이끌 가능성을 가지고 있다.

우주관과 물질관을 바꾸어 버리는 초끈이론은 궁극의 이론이라고도 불린다. 하지만 그것을 증명하는 직접적인 실험결과는 아직 없다. 힉스입자를 발견한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC) 등에서도 증거를 찾고 있다. 우리가 살아있는 동안 증거가 발견되고 새로운 과학의 지평이 열리길 기대한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 素粒子を紐解き、宇宙を知る
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/story/2020/specialite_002_3