박종진의 과학 이야기- 웜홀

멘델레예프에 의한 원소주기율표는 나중에 원자핵 속의 양성자 수에 의해서 지금 우리가 보는 원소주기율표가 되었지만, 처음에는 곳곳에 빈칸이 많았다. 나중에 과학이 발달하면서 그때까지 발견되지 않았던 원소들이 하나 둘 채워졌다. 표준모형이 만들어진 후 피터 힉스는 빅뱅 시에 입자에 질량을 주었던 무엇인가를 추측했는데 반세기 후 그 입자가 발견되었고 그의 이름을 따서 힉스 입자라고 이름 지어졌다.   백 년 전에 아인슈타인이 예견했던 중력파가 최근에 발견되어 학계를 떠들썩하게 했다. 우리는 시간과 공간이 일정한 줄 알았지만, 아인슈타인은 상대성이론으로 그렇지 않다는 사실을 알았다. 일반상대성이론에 의하면 중력이 큰 천체 곁을 지나는 빛은 휘어지고, 만약 중력이 무한대가 되면 빛은 아예 그 천체를 빠져나오지 못한다는 사실도 알았다. 처음에는 이론상 그런 천체가 있을지도 모른다고 생각했는데 나중에 블랙홀로 밝혀졌다.   이렇듯 과학기술의 발달로 우리가 상상했던 많은 것들이 실제로 증명되었다. 지금 이론상으로 존재하는 웜홀도 어쩌면 미래 어느 날 찾을지도 모른다. 웜홀이란 두 공간을 잇는 통로를 말하는데 사과에 사는 벌레가 표면의 한 곳에서 다른 곳까지 가려면 사과의 표면을 빙 둘러가야 하지만, 만약 사과 속으로 난 통로를 이용한다면 훨씬 가깝게 목적지에 도착한다. 그런 벌레 구멍이란 뜻의 웜홀은 아직은 상상 속의 이야기다.   우주는 너무 광대해서 설사 빛의 속도로 여행한다고 해도 수십만 년 이상을 가야 한다. 그런데 우주에는 빛보다 빠른 것이 없다는 것이 상대적 우주의 절대적 진리다. 어떤 물체의 움직임이 광속에 가깝게 되면 질량이 무한대가 된다는 것이 상대성이론이므로 아무리 과학이 발달한다고 하더라도 광속을 능가하기는 불가능하다. 속도 말고 중력으로 휘어진 공간을 통과할 수 있을까 하는 것이 바로 웜홀이다.     중력은 공간을 왜곡시킨다. 예를 들어 종이 한 장을 우리의 우주라고 하자. 펼친 종이 위의 한쪽에 점을 찍고 A라는 이름을 붙인 다음, 15cm 정도 떨어진 다른 쪽에 또 점을 찍고 B라고 했을 때, 점 A에서 점 B까지의 가장 빠른 길은 당연히 두 점을 이은 15cm 직선이다. 그런데 우주는 너무 넓어서 두 점 사이의 거리가 빛의 속도로도 수십만 년 이상이나 걸린다면 고작 100년 정도 사는 우리 인간에게는 여행 불가능한 거리다.   그런데 만약 종이를 반으로 휘게 해서 그 두 점을 바로 위아래에 오게 하고 닿을락 말락 붙인다면 직선거리로 15cm 떨어진 두 점은 1mm도 안 되게 떨어져 있다. 이때 두 점을 잇는 통로를 만들면 먼 거리를 보다 빨리 갈 수 있는데 이런 가상의 통로를 웜홀이라고 한다.     미국의 물리학자 John Wheeler는 블랙홀이란 용어를 처음 사용한 사람인데 웜홀도 그가 만든 이름이다. 블랙홀에 반대되는 개념으로 화이트홀이란 것이 있는데 웜홀은 이 두 천체를 연결하는 가상의 통로라고 하는데 지금 당장에는 불가능해 보이는 화이트홀은 블랙홀과는 반대로 모든 것을 뱉어내기만 한다는 천체다. 그래서 빅뱅이 바로 화이트홀이 아닐까 의심하는 사람도 있다. 먼 미래 어느 날 그런 천체를 이용한 원거리 우주여행이 가능할지는 아무도 모른다. 어쩌면 멘델레예프가 빈칸으로 남겨 놓은 미지의 원소가 하나씩 발견되듯, 예견된 힉스 입자가 나중에 발견되듯 그런 날이 올지 누가 알겠는가? (작가)       박종진박종진 이야기 과학 이야기 원거리 우주여행 힉스 입자

2025.08.08. 14:26

[박종진의 과학 이야기] 표준모형

우리가 사는 세상은 태양을 중심으로 지구를 포함한 여러 행성이 공전하고 있다. 그렇다고 배워서 직접 관찰해서 얻는 지식은 아니더라도 그런 모습의 태양계를 추측하고 있다.     20세기 초반에 원자의 비밀이 벗겨지기 시작했는데, 중앙에 단단한 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 겹겹이 공전하고 있다고 생각했다. 마치 우리에게 익숙한 태양계의 축소판이었다. 우리 머리카락 한 올에 그런 원자가 수백 만개가 들어가고, 그 원자는 다시 핵과 주변의 전자로 이루어진다는 사실은 충격이었지만, 이미 태양계의 구조에 익숙한 우리는 쉽게 이해하고 믿었다.   직접 볼 수는 없으니 상상의 공간을 그려본다. 작디 작은 원자를 확대해서 잠실 종합운동장만큼 키웠다고 가정했을 때, 원자핵은 운동장 한가운데 놓인 구슬 정도 된다고 한다. 원자가 잠실 운동장만 하다면, 원자핵은 구슬 크기이고, 전자는 겨우 좁쌀 반의 반 톨 정도밖에 안 된다. 엄청나게 작은 전자는 관중석 가장 바깥에서 빛의 속도에 가깝게 구슬 주위를 공전하고 있다. 그 큰 운동장에서 구슬과 좁쌀을 빼버리면 공간만 남는다. 쉽게 말하자면 원자는 텅 비어있다는 말이다.   몇 년 후 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있음을 알았다. 우리는 원자가 양성자, 중성자, 그리고 전자로 이루어져 있다고 배웠다. 1969년에 양성자와 중성자 속에서 무엇인가 더 작은 하부 구조가 발견되었다. 쿼크라고 부르는 입자였다. 시작이 반이라더니 그 후 200가지가 넘는 소립자가 앞다퉈 세상에 소개되었다. 바야흐로 입자물리학 시대가 열렸다.     쿼크는 총 6가지였는데 세 개가 이리저리 모여서 양성자도 되고 중성자도 되었다. 그 중 두 종류 쿼크와 아까 말한 전자가 결합하여 우주의 기본 원소가 되었다.   그런데 쿼크는 단독으로 활동하지 않기 때문에 관찰할 수는 없으며, 쿼크 세 개가 모이면 투명하게 되어 보이지 않게 된다. 기독교 삼위일체 하나님을 직접 볼 수 없다거나, 빛의 삼원색을 합치면 햇빛처럼 투명해지는 것을 이미 알고 있지만 그래도 참 신기한 현상이다.   표준모형은 17개의 입자로 구성되어 있는데 우주의 구성과 움직임을 설명하는 최신 이론이다. 표준모형에는 전자를 포함한 12개의 기본 입자와 그와 상호작용을 하는 4개의 매개 입자가 있다. 19세기 말에 등장한 원소주기율표에는 그때까지는 발견하지 못했지만 앞으로 발견될 빈칸이 있었고, 과학이 발달하며 차근차근 메워졌다.     역시 그런 빈칸을 가지고 시작한 표준모형도 하나 둘 채워지더니 1964년에 예측되어 2012년에 발견된 힉스 입자를 끝으로 완성되었다. 마지막 입자를 힉스라고 이름 지은 사람은 이휘소 박사다. 빅뱅 직후 힉스 입자는 기본 입자에 질량을 전달하고 사라져버렸다가 138억 년 만에 실험실에서 발견되었다.   그런데 문제는 표준모형에 빠진 것이 있는데 바로 중력이다. 과학자들은 이미 그 상상의 입자 이름을 중력자라고 지어놓고 발견되기를 기다리고 있다. 입자는 입자 충돌기란 기계 설비 안에서 발견되는데 더 크고 강력한 기술이 개발되면 언젠가 발견될 중력자까지 포함하는 표준모형의 종결자가 나올 것이다. 하지만 그것이 끝이 아닐 것 같다고 생각하는 과학자들이 참 많은 것도 사실이다. (작가)     박종진박종진의 과학 이야기 표준모형 원자가 양성자 원자가 잠실 힉스 입자

2022.06.03. 14:30