모든 기본입자에 질량을 부여하기 때문에 ‘신의 입자’로 불리는 힉스입자에 대해서는 앞선 글에서 어느 정도 설명을 드렸습니다. 오늘은 힉스입자가 어떻게 다른 입자들에게 질량을 부여하는지에 대해 설명 드릴까 합니다. 그 전에 힉스입자의 발견에 대한 글의 말미에 남긴 것을 설명하기 위해 경상대학교 물리교육과 조교수인 이강용이 중앙일보에 기고한 글을 올립니다. 

 

 

한 가지 재미있는 것은, LHC에서 발견된 힉스 보존은 힉스가 예측한 것이 아니라는 점이다. 당시 힉스와 다른 사람들이 해결하려고 한 것은 강한 핵력이었다. 그러나 이번에 발견된 입자는, 미국의 스티븐 와인버그가 1967년에 전자기력과 약한 핵력을 하나의 이론으로 기술하는 표준모형의 방정식을 만들면서 약한 핵력에 힉스 메커니즘을 적용해서 나타나는 힉스 입자다. 게다가 대칭성이 깨질 때 전자와 같은 물질이 질량을 얻는 과정은 힉스 메커니즘과는 상관없이, 와인버그가 만든 표준모형에서 처음 나타나는 것이다. 그러니까 이번에 발견된 힉스 보존의 정확한 모습을 제안한 사람은 사실 와인버그다.

 

 

물리학에서 말하는 “장(field)이란 운동하는 물체들에 영향을 미치는, 공간의 비가시적 성질”을 말합니다. 즉 입자는 존재하는 물질이기에 눈에 보이지만 입자들의 운동으로 만들어지는 장이란 눈에 보이지 않다는 뜻입니다. 우리가 MRI를 찍을 때 기기 내부에서 발생하는 지구 자기장의 1만 배 이상이나 되는 자기장을 볼 수 없는 것도 이 때문입니다. 대신 인 인체 내부 사진은 필름 같은 형태로 나타나기 때문에 우리(주로 의사)는 내부에 어떤 문제가 생겼는지 확인할 수 있습니다. 

 

 

기본적으로 입자들은 아무런 성질도 갖지 않고 특별한 목적도 없이 존재합니다. 기본입자들로 이루어진 원자(전자가 하나인 수소원자는 제외)까지 이런 경향은 동일합니다. 하지만 이런 원자들이 모여 분자를 이루는 화학반응(원자의 최외각을 돌고 있는 전자들이 양자비약을 통해 다른 원자의 궤도로 들어가면 두 원자의 상태가 변해 다른 원자와의 화학적 결합이나 분리를 이루는 것)이 일어나면 비로소 성질을 갖게 됩니다. 이처럼 어떤 현상을 만들어내는 공간적 개념이 물리학에서 말하는 장이라고 보면 됩니다.

 

 

마찬가지로 전류(전자의 흐림) 때문이 아니라 누적된 전하(에너지 준위)에 의해 전기장이 생기듯이 힉스장도 힉스입자와 다른 기본입자 간의 양자역학적 운동과 반응이 일어나는 장입니다. 물리 법칙들을 결정하는 이런 장들은 입자들의 운동과 반응, 숫자와 밀도, 환경에 의해 변화하기 때문에 물리법칙들 역시 변합니다. 특히 가상입자들이 실험을 통해 새로운 기본입자로 발견될 때마다 물리법칙들도 일정 부분 변합니다.

 

 

마찬가지로 서스킨드의 《우주의 풍경》에 나온 것처럼, 다양한 우주가 존재할 수 있습니다. 또한 다양한 우주마다 작용하는 물리법칙들도 다를 것입니다. 이처럼 모든 우주가 동일하지 않다는 것이 ‘인류원리(지금의 내가 살고 있는 우주가 내가 볼 수 있고 경험할 수 있는 물리법칙에 의해 생긴 유일한 행성이라는 원리)’의 근간을 이루고 있습니다. 즉, 우리가 살고 있는 지구는 전체 우주에서 유일하다는 뜻입니다.  






위의 설비가 이만큼 길게 만들어진 것이 입자가속기이다ㅡ구글이미지 인용

                                                                                                    

 

허면 힉스장이라는 개념은 어떻게 해서 나왔을까요? 사실 힉스장을 발견하기 전까지 물리학자들이 만든 표준모형은 수학적으로 정합적인 결과(주어진 조건에서 벗어나지 않는 결과)가 나오지 않습니다. “힉스장이 없는 경우 파인만의 규칙들은 무한대 또는 심지어 음숫값의 확률 같은 무의미한 결과들”이 나옵니다. 즉, 빅뱅시 방출된 기본입자들로는 만들어낼 수 없는 무한대의 우주나 모든 물질이 존재하지 않는 반우주가 나옵니다. 무한대의 우주를 형성할 입자의 수와 에너지의 양이란 존재할 수 없는 것이니까요.

 

 

 

입자들에 질량을 부여하는 힉스장이 없으면, 기본입자들은 (질량이 없는 에너지 덩어리를 방출해 운동의 동력을 만드는)은 광자에 의해 제멋대로 움직이거나, 또 다른 광자를 흡수하지 못하는 한 움직이지도 못할 것입니다. 이럴 경우 우주를 만들어낸 물질, 반물질, 암흑물질도 만들어지지 않았을 것입니다. 물론 정반대의 결과도 이론적으로 가능합니다. 어떤 과학자도 영원히 그 비밀을 풀 수 없겠지만. 

 

 

다시 말하면 힉스장이 없으면 모든 물질을 이루는 기본입자들은 에너지적 성질만을 갖게 되기 때문에 물질의 성질을 절대 가질 수 없습니다. 이럴 경우 존재하는 것은 단 하나도 없는 텅 빈 우주가 됩니다. 양자역학의 핵심 원리인 불확정성의 원리에 따르면 모든 기본입자들은 입자적 성질(위치)과 에너지적 성질(궤도)을 동시에 갖는데 이중에 하나를 선택하면 나머지는 소멸되기 때문입니다.

 

 

이럴 경우 물질의 최소단위인 기본입자는 질량적 성질은 사라진 채 에너지로만 존재하기 때문에 어떤 물질도 만들어내지 못합니다. 이를테면 완벽한 무의 상태로 귀결됩니다. 모든 우주에는 오직 에너지만 존재할 뿐이지 물질적 근거가 되는 입자는 단 하나도 없는 완벽한 무의 상태가 됩니다. 더욱 쉽게 말하면 선풍기로 바람을 만들었는데 선풍기가 없는 것과 같습니다. 현상은 있는데 존재는 없는 시공간, 즉 신조차 존재할 이유가 없는 완벽한 무를 말합니다.

 

 

                                                                      다음이미지에서 인용

                                                                              

 

바로 이런 이유 때문에 물리학자들은 기본입자들에게 질량을 부여할 수 있는 무엇인가가 필요했고 힉스 교수가 힉스입자의 존재를 추론해낼 수 있었습니다. 이로써 파인만이 만든 기본입자들의 표준모형에서 빈 상태로 있는 마지막 공간이 채워지게 됐습니다. 뉴턴역학과 상대성이론으로는 풀 수 없는 우주 탄생의 신비에 다가갈 수 있는 양자역학의 기초공사가 마무리된 것입니다.

 

 

원래 일반 상대성이론을 발견한 아인슈타인은 자신의 발견한 우주상수를 설명하며 아주 미미한 우주에너지(양자요동에 의해 발생하는 극히 미세한 에너지)가 우주에 미치는 영향이 너무나 작기 때문에 아예 무시해버렸습니다. 그는 광자론을 통해 빛의 성질(입자와 에너지)을 밝혔으면서도 그것이 양자역학의 핵심 원리인 불확정성 원리와 같다는 것을 받아들이려 하지 않았습니다.

 

 

아인슈타인이 판단하기에 양자요동이 만들어내는 에너지(우주의 70%를 이루고 있는 에너지로 너무나 작아 어린아이 입김보다 작을 것이다)의 총합이 너무나 미미할 뿐만 아니라, 그 과정이 너무나 불명확해 우주의 법칙을 계산 불가능한 우연에 의존하는 것을 받아들이려 하지 않았습니다. 물론 말년의 그는 양자역학과 일반 상대성이론을 통합해 양자중력(끈이론의 핵심)이란 대통일 이론을 만들기 위해 노력했지만 결과를 내놓지는 못했습니다.

 

 

 

사실 빅뱅이라는 우주의 탄생 원리도 베타원리와 불확정성의 원리만 가지고도 어느 정도 설명이 가능하니 그 우연의 연속을 받아들이기에는 우주의 질서와 아름다움에 대한 아인슈타인의 애정이 너무나 컸을 것입니다. 물리학자들은 곧잘 E=MC2이라는 공식처럼 우주의 법칙을 아름답게 표현하려는 성향을 보이는데 아인슈타인도 이런 면에서는 다르지 않았습니다.

 

 

                                                      

                                                                                     한겨레신문에서 인용

 

 

다시 힉스장으로 돌아와서, 물리학에서는 크게 두 개의 장이 있습니다. 하나는 전기장과 장기장처럼 “그 장들이 공간의 각 점에서 크기뿐만 아니라 방향도 가지고 있는” 벡터장(vector field)합니다. 반면에 크기는 있지만 방향이 없는 양을 나타내는 스칼라장이 있습니다. 힉스장은 자기장과 매우 비슷하지만 기본적으로 스칼라장에 속합니다.

 

 

 

질량이 관성과 같고 힘을 가속도로 나눈 것이 질량이듯이, 기본입자를 이루는 “전자, 쿼크, W와 Z 보손과 같은 입자들의 실제 질량은 힉스입자들의 흐름(힉스장)을 통과할 때 그것들이 어떻게 운동하느냐에 따라 결정”됩니다. 즉 힉스입자들의 흐름은 빛의 속도로 움직이는 기본입자들의 속도에 변화를 줌으로써 입자들마다 개별적인 관성을 부여합니다. 관성은 질량과 같음은 앞에서 말씀드렸고요.

 

 

기본적으로 스칼라장에 속하는 힉스장을 각종 기본입자들이 통과하게 되면 힉스입자들의 흐름에 의해 각각의 관성을 갖게 되는데 이것이 곧 기본입자들에게 질량을 부여하는 것과 같은 것이 됩니다. 빛의 속도에서는 어떤 질량도 갖지 못하는 순수한 에너지적 성질만 갖지만 속도에 변화를 줘 조금이라도 느려지면 입자적 성질인 질량을 갖게 되는 것입니다.

 

 

 

바로 이런 방식으로 힉스입자가 원자를 이루는 기본입자들에 질량을 부여하기 때문에 무에서 유를 창조하는 신의 입자라고 하는 것입니다. 결국 양자역학의 탄생은 아인슈타인의 일반 상대성이론과 광자론이 없었으면 몇십 년은 미뤄졌을 것입니다. 물리학에 대한 전문적인 교육을 받지 않았지만 인류 역사상 최고의 천재로 추앙받는 아인슈타인의 위대함이 여기에 있는 것이지요.

 

 

시간이 되는 대로 파인만의 표준모형과 인류원리에 대한 글을 올리도록 노력하겠습니다, 이 땅의 정치인들이 도와주기만 한다면.  

  1. 태봉 2014.07.21 13:10

    제가 50프로나 이해할 수 있을까 모르지만 글 너무 재미나게 읽었습니다^^
    마지막 멘트 이 땅의 정치인들이 도와주어서 늙은도령님이 빨리 글을 오려야 그럴 가능성이..^^

  2. 태봉 2014.07.21 13:14

    패스워드를 모르겟네요
    오타 수정 합니다
    ........늙은도령님이 빨리 글을 올리 수 있을텐데 그럴 가능성이...^^

  3. 요셉 2015.06.07 07:07

    "물리학에 대한 전문적인 교육을 받지 않았지만 .... 천재로 추앙받는 아인슈타인의 위대함이 여기에 있는 것이지요"
    좋은 글입니다.
    그러나 아인슈타인은 물리학과 출신으로 학부때부터 남다른 두각이 보이기 시작했었다는 군요.
    고등학교 수준의 물리학 기본만 있으면 누구든지 힉스이론은 이해되지 않겠습니까?

    • 늙은도령 2015.06.07 20:18 신고

      그럴 수도 있습니다.
      힉스 이론은 힉스장과 기본모형에 대한 이해가 있으면 충분히 이해할 수 있습니다.
      물론 베타원리와 불확정성의 원리도 함께 알아야 하겠지요.

  4. 어니 화이트 2015.06.07 20:04

    저 또한 관심있는 내용이었습니다
    어렵지만 지식의 즐거움은 느낄수 있었습니다

    • 늙은도령 2015.06.07 20:19 신고

      조금이라도 쉽게 표현하기 위해 노력했는데 쉽지 않습니다.
      물리학에 대해 추가로 얻은 정보를 글로 옮겨야 하는데 시간이 부족하네요.

  5. 백순주 2015.08.14 06:33 신고

    김용택 선생님께서 제 블로그를 만들어 주시면서 선생님 블로그를 링크해 두셨는데... 그 이유를 여기와서 알게 되었습니다.
    이제사 운영에 요령이 생겨 허덕임에서 빠져나와 마실도 다녀요~^^
    여기서 계속 머물러 빠져 나갈 수가 없네요. 참 매력 넘치는 분이십니다.
    방문록을 찾을 수 없어 여기에 글 남깁니다.
    저도 자연과학도입니다.

    • 늙은도령 2015.08.14 16:58 신고

      반갑습니다.
      저는 자연과하도는 아니고 기본적으로 세상을 이해하려면 물리학과 화학, 분자생물학, 진화론, 뇌과학, 생명공학 등은 어느 정도 알고 있어야 판단했기 때문에 취미로 공부한 것입니다.
      목표는 대학원생 수준에서 박사 사이입니다.
      독학으로 하려니 힘드네요ㅎㅎㅎ



양성자가 충돌할 때 10의 25승 분의 1초 정도 존재했다가 사라지는 ‘힉스입자’가 우주를 이루고 있는 최후의 입자다. 우주의 모든 것을 창조한 입자들을 모아놓은 파인만의 표준모형의 마지막 빈자리가 이로써 채워진 것이다. ‘힉스입자’가 조물주의 원료인 ‘신의 입자’로 불리는 이유는 힉스입자가 다른 기본입자에게 질량을 부여하는 역할을 하기 때문인데, 이런 역할 때문에 무에서 유를 창조했던 신의 입자라고 불린다

 

 

 

 

전자의 질량이 거의 제로(몇 십억의 분의 1g도 안 된다)인 것에 비하면, '힉스입자'는 질량이 제로이면서도 물질의 성격을 띠는 유일한 기본입자다. 마치 입자(질량)와 파동(에너지)의 성격을 동시에 띠고 있는 빛과 어떤 면에서는 동일하다고 할 수 있다. 기본입자는 우주를 구성하고 있는 물질, 반물질, 암흑물질(우주의 23%를 차지)을 이루는 가장 적은 단위의 물질을 말한다(우리가 보는 우주는 전체 우주의 4%에 불과하다).

 

 

이에 비해 원자보다 작은 입자들이 계속해서 발견됨에 따라 가상입자라는 것이 생겼는데, 이는 기본입자 중에서 아직 존재의 유무가 밝혀지지 않았지만 양자역학인 계산이 성립하려면 반드시 존재해야 하는 기본입자를 말한다. 즉, 각각의 입자들이 반응해서 일어나는 현상이 무수히 많기 때문에 확률적으로 이런저런 성질을 지닌 가상의 입자가 있어야 설명이 가능한 현상들이 있다. 현대물리학이 아직 밝혀내지 못한 곳에 가상입자가 자리하고 있다는 뜻이다.

 

 

허면 질량이 제로인 힉스입자가 빅뱅의 과정(수십조 분의 1보다 짧다)에 만들어진 기본입자들에 어떻게 질량을 부여할 수 있을까? 힉스입자들이 모여 새로운 기본입자를 만들었다면, 0에다 0을 더하는 것이기 때문에 질량이 있는 입자들이 탄생할 수 없다. 실제로 태초의 탄생한 기본입자들은 질량을 갖고 있지 않다는 것이 현대물리학의 주장이다. 그렇지 않으면 특이점이라는 곳에 현재의 우주가 들어있을 수 없기 때문이다.    

 

 

 

 

이래서 나온 것이 힉스장이다. 아인슈타인이 양자역학의 서막을 열었지만 우주의 질서정연함을 부정하는 자신의 발견을 받아들일 수 없었던 것도 '필드(장)'라는 개념에서 나온다. 자석 주변에 금속가루를 뿌리면 일정한 형태의 모양으로 모여 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 자석에서 나와 금속가루에 영향을 미치는 자기장 때문이다. 아인슈타인은 우주가 이런 거대한 장에 의해 질서정연하게 이루어져 있다고 믿었다. 

 

 

마찬가지로 힉스장(게이지장의 역으로 볼 수도 있다)도 힉스입자가 다른 기본입자들과 서로 부딪치고 교차하고 상호 영향을 주고받으며 물리적 반응(쿼크와 글루온 사이의 강한 상호 작용도 이렇게 탄생했다)을 일으키도록 만든다. 이런 과정에서 질량이 없는 기본입자들에 또 다른 입자들을 만들 수 있는 질량이 주어진다. 그 결과 원자를 이루는 양성자, 중성자, 전자가 탄생했다. 이런 원자들이 모여 분자를 이루면 비로소 물질으로서의 성질을 지니는 원소(주기율표에 등록된 것)들이 탄생한다. 

 


원자를 이루는 양성자와 중성자, 전자 등은 여섯 가지 성질을 지닌 쿼크와 보손(기본적인 물리적 힘을 전달하는 것으로 생각되는 원자 구성입자의 한 분류에 속하는 입자군으로 중력자(重力子), 광자(光子), 글루온(gluon), 중간벡터보손 또는 약자(弱子:W와 Z 입자 등이 있다) 같은 기본입자에 의해 만들어진다. 이중에서 중력자와 광자, 글루온 등은 기본입자의 움직임(에너지 덩어리인 광자의 분출에 의해 일어난다)과 결합을 유지하는 힘(양성자와 중성자를 묶어두는 힘을 말하는데 우주에 가장 강력한 힘으로 강한 핵력이라 하며, 이름은 글루온이다)을 지닐 뿐 질량은 없다.

 

 

이런 힉스장(이것은 또 어떻게 생겼을까? 에너지 준위와는 무엇이 다를까?)의 역할 때문에 힉스입자가 무에서 유를 창조했다는 소리를 듣는 것이며, 신의 입자라고 불리는 이유이다. CERN이 지하에 설치한 대형 검출기의 기본입자 충돌실험(심층 비탄성 산란이 일어난다)을 통해 힉스입자의 존재를 입증했기 때문에 고령의 힉스 교수가 노벨물리학상 수상할 수 있었다. 참고로 노벨상은 죽은 사람에게는 주어지지 않는다. 

 

 

 

 

힉스입자의 존재가 밝혀졌다고 해서 신의 창조론이 사라지는 것은 아니다. 다윈의 진화론도 오류들이 밝혀지고 있는 마당에 신의 창조론도 과학적 발견에서 홀로 고고하게 자유로울 수 없다. 하지만 한국의 대형교회와 구원파들이 보여주듯이 신의 영향력은 여전히 막강하다. 8월에 한국을 방문하는 프란치스코 교황(20~21세기를 통틀어서 최고의 교황이다)도 중세시대에 비하면 그 영향력이 형편없이 줄어들었다.

 

 

이론물리학은 대단히 철학적이어서 수학공식을 몰라도 얼마든지 도전할 수 있다. 특히 파인만이 정립한 표준모형(중성미자, 중력, 중력파, 암흑물질 등은 설명하지 못하지만)에 대한 이해만 확실하면 누구든지 이론물리학의 준전문가가 될 수 있다. 각각의 장, 즉 에너지 준위에 사용되는 스핀(양자역학적 물리량으로 전자와 광자의 값을 나타낸다) 같은 개념도 몇 번만 읽고 상상해보면 이해할 수 있다. 뉴턴역학과 상대성이론도 이론물리학적으로 접근하면 그리 어려운 개념도 아니다. 

 

 

필자가 추천하는 다음의 책들 정도면 이론물리학을 강의(비전문가를 상대로 한 낮은 수준의 강의)해도 될 만큼 충분한 지식을 가질 수 있다(그 이상을 원하면 《파인만의 물리학강의》 시리즈를 탐독하면 되는데 만만치 않다). 어려울 것이라 지레 겁먹을 

필요는 없다. 막상 도전하고 보면 '겨우 이 정도였어'라는 말이 저절로 튀어날 테니. 단, 힉스 입자의 발견에 따른 노벨물리학상이 힉스 교수에 주어지는 것에는 약간의 문제가 있다. 이번에 발견된 힉스입자는 대칭성이 깨지는 메커니즘을 발견한 것이지, 엄밀히 말하면 힉스 교수가 말한 힉스입자(힉스보존이 맞는 개념이다)는 아니다. 이에 대해서는 별도의 글로 올릴 생각이지만, 조금 시간이 걸릴 듯하다.

 

 

   



                                                                                                                                 사진 출처 : 구글이미지



  1. 태봉 2014.07.21 12:50

    좋은 책 소개해주셔서 감사합니다
    이 책들 모두 읽을 시간이 있을까나요?^^
    노력해 봐야겠네요 그리고 전 블로그 하지 않아요 할만한 실력도 없고..^^

  2. 소피스트 지니 2014.08.25 08:52 신고

    좋은 글이네요. 평소 입자물리학에 관심을 가지고 있는데. 오랜만에 웹문서에서 좋은 글을 본 것 같습니다.

    • 늙은도령 2014.08.25 15:21 신고

      입자물리학은 재미있는 분야입니다.
      특히 철학적 사고를 키워줍니다.
      과학과 철학이 함께 가야 하는데 요즘은 그게 안 됩니다.
      돈이 중간에 끼면서....

  3. 소피스트 지니 2014.08.25 15:32 신고

    맞습니다. 양자물리학으로 넘어오면서 과학과 철학의 경계가 모호해지게 됩니다.
    일반적인 사고로는 이해할 수준을 넘어서게 되지요.
    그래서 재밌습니다. 난해하지만.
    저도 한 10년 가까이 접한 분야이지만 그 놈의 돈이 우선이라.. ㅎㅎ
    철학적 사유를 힘들게 하죠.

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