박종진의 과학 이야기- 입자동물원

오래 전 서울에 창경원이란 곳이 있었다. 일제강점기 때 창경궁에 동물 우리를 만들어 넣고 식물원을 지어 일반에게 공개하면서 이름도 창경원으로 격하되었다. 일제는 조선의 마지막 왕이었던 순종 때 그동안 부침이 많았던 창경궁에 동물원과 식물원을 포함하여 호수도 크게 파고 벚꽃을 심고 놀이 기구를 설치하여 명실공히 한국 최초의 동물원을 겸한 놀이 공원을 만들어 창경원이라고 이름까지 고쳤다. 국가적으로 보면 일제 침탈의 흑역사지만, 나라가 가난하여 그럴듯한 위락 시설 하나 없던 한국에 생긴 최초의 시민 공원이기도 하다. 나중에 창경궁으로 복원하면서 기존 시설은 경기도 과천으로 옮겨 서울대공원이 탄생했다.   기원전 5세기경 그리스의 엠페도클레스 시절만 하더라도 우주를 이루는 기본 원소는 물, 불, 공기, 흙 등인 줄 알았던 인류는 어느 날 물질의 가장 작은 단위는 원자라는 것을 알게 되었고 원자는 중앙에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 공전한다는 마치 태양계 모습을 한 원자 구조와 나아가서는 원자 중심에 있는 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어진다는 사실까지 깨달았다. 이 우주에는 총 92가지의 기본 원소가 존재하는데 각각의 특성은 원자핵 속에 들어있는 양성자의 개수 때문에 정해진다는 사실도 알았다. 그렇게 물, 불, 공기, 흙 등의 4원소설을 대체하는 양성자, 중성자, 전자가 물질의 최소 단위인 줄 알던 중 뜻밖에 양성자와 중성자 속에서 더 작은 빌딩 블록인 쿼크가 발견되었다. 바야흐로 입자의 시대가 도래했다.   쿼크가 발견되기 전, 그러니까 1960년경 물리학자들은 당시 개발된 입자가속기의 도움으로 실험실에서 여러 가지 새로운 입자를 발견하기에 이른다. 그 당시 과학 기술 수준으로 새로 발견되는 것들이 모두 소립자인 줄 알았다. 고작 양성자, 중성자, 전자의 존재만 알다가 갑자기 엄청나게 많은 새로운 입자들이 등장하자 마치 동물원에 여러 동물을 모아놓은 것 같다며 속속 발견되는 입자를 뭉뚱그려 입자동물원이라는 우스갯소리까지 지어냈다. 새로운 입자를 발견하는 사람에게 상을 줬는데 그 수가 하나둘 늘자 여담이기는 하지만 나중에는 새 입자를 발견하는 사람에게 벌금을 물리자는 소리까지 나왔다고 한다.   하지만 쿼크가 등장하면서 그때까지 발견된 수많은 소립자는 진정한 소립자가 아니라 쿼크의 조합이라는 사실을 알았다. 바글거리던 동물원에서 이것 빼고 저것 탈락시키고 나니 겨우 16개의 기본 소립자와 당시 예견만 되었던 힉스 입자까지 포함해서 표준모형을 정했다. 입자물리학에서 표준모형이라 하면 자연계의 4가지 힘 중에서 중력을 제외한 나머지 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력 등을 설명하는 모형으로 총 17개의 소립자가 그 주인공이다. 마지막을 장식하는 힉스 입자는 힘을 매개하는 중요한 입자였지만, 쉽사리 발견되지 않자 연구자들은 '제기랄 입자(goddamn particle)'라고 쌍소리까지 해가며 푸념했다는데 아무래도 점잖지 못한 표현이어서 '제기랄'의 영어 표현인 goddamn에서 뒷부분 damn을 빼버리고 god만 써서 부르다 보니 god particle이 되자 자연스럽게 '신의 입자'라는 별명을 갖게 되었다고 한다. 힉스 입자는 1964년 피터 힉스가 그 존재를 예견하였는데 반세기 후 2012년에 발견되었다. 그러므로 현재의 입자동물원에는 모두 17개의 소립자가 있지만, 벌써 중력자라고 이름까지 지어놓은 소립자가 발견될 날을 기다리고 있다.  (작가)     박종진입자동물원 박종진 힉스 입자 동물원과 식물원 기본 원소가

2026.01.16. 13:32

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