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『왜, 우리가 우주에 존재하는가?』는 물리학 전공자가 아닌 사람들을 위한 책이다. 저자인 무라야마 박사는 ‘우주론’과 ‘소립자론’을 알기 쉽게 해설하는 데는 일인자다. 수학이나 물리와는 거리가 멀다고 생각하는 문과 전공자들도 어려움 없이 읽을 수 있는 책이라는 것이 일본 독자들의 한결같은 반응이다. 우주의 탄생부터 우리가 살고 있는 물질세계가 탄생하기까지, 마치 한 편의 소설을 읽듯 소립자의 세계에 대해 알아갈 수 있다.

2015년 노벨 물리학상이 궁금하다면 꼭 읽어야 할 단 한 권!
도시에서 멀리 떨어진 곳에서 밤하늘을 올려다보면 무수한 별들이 보인다. 누구라도 ‘이렇게 큰 우주에 우리는 왜 존재하는 걸까? 어떻게 생겨난 걸까?’하고 어느 정도 철학적인 생각을 해 본 경험이 있지 않을까? 일본 대중이 사랑하는 이론물리학자 무라야마 히토시가 쓴 ?왜, 우리가 우주에 존재하는가?는 우리 존재에 대한 비밀의 열쇠를 쥐고 있는 중성미자라는 소립자에 대한 내용이다.

마침 이 책은 2015년 노벨 물리학상과도 관련이 있다. 올해 노벨 물리학상이 ‘중성미자에 질량이 있다’는 것을 입증한 가지타 다카아키와 아서 맥도널드에게 돌아갔다. ‘중성미자’가 무엇인지, ‘중성미자의 질량’ 발견이 어떤 의미인지 알고 싶다면 이 책이 안성맞춤이다. 이 책은 일곱 개의 장 중에 무려 네 개의 장을 중성미자에 관한 설명에 할애하고 있다. 이렇게까지 중성미자에 대해 상세히 기술한 책은 국내에서 찾기 힘들다. 올해 노벨 물리학상의 업적을 이해하고 싶은 이들에게 적극 추천한다.

소설처럼 편하게 읽을 수 있는 소립자 이야기
이 책은 물리학 전공자가 아닌 사람들을 위한 책이다. 저자인 무라야마 박사는 ‘우주론’과 ‘소립자론’을 알기 쉽게 해설하는 데는 일인자다. 수학이나 물리와는 거리가 멀다고 생각하는 문과 전공자들도 어려움 없이 읽을 수 있는 책이라는 것이 일본 독자들의 한결같은 반응이다. 우주의 탄생부터 우리가 살고 있는 물질세계가 탄생하기까지, 마치 한 편의 소설을 읽듯 소립자의 세계에 대해 알아갈 수 있다.

이 책의 저자 무라야마 박사는 뛰어난 역량을 지닌, 물리학계에서도 영향력 있는 학자로 2002년에는 40대 미만의 신진물리학자들에게 수여되는 니시노유카와 기념상을 수상함으로써 세계 물리학계를 이끌어갈 차세대 주자로 주목받았다. 뿐만 아니라 자칫 과학자들의 영역으로만 여겨질 수 있는 어려운 물리학의 이야기를 연구실 밖으로 꺼내어 대중들이 쉽게 이해할 수 있도록 꾸준히 집필하고 있다. 첫 저서는 베스트셀러가 되면서 신서대상을 수상했을 정도이니 무라야마 박사는 대중의 눈높이에서 얘기하는, 대중들이 기다려온 물리학자임에 틀림없다.

우리가 우주에 존재하는 이유-중성미자
우리 몸은 물질로 이루어져 있다. 뿐만 아니라 우리 주변의 것들과 지구, 태양 같은 항성도 물질로 이루어져 있다. 말하자면 우리가 이 세상에서 보는 모든 것은 물질로 이루어져 있다. 현재의 소립자 이론에 따르면, 물질은 반드시 자신과 짝을 이루는 반물질과 함께 태어나고(쌍생성), 물질과 그 반물질이 만나면 둘 다 소멸하고 만다(쌍소멸). 사실 우주가 원자보다 훨씬 작고 뜨거웠을 적에 먼지가 되기 전 물질과 그 반물질이 충돌하여 소멸되고, 새로운 물질과 반물질이 만들어졌다가 소멸하기를 반복했다.

물질과 반물질은 예외 없이 짝을 이루어 쌍으로 생성되기 때문에 분명 같은 수량이 탄생했을 것이다. 그리고 짝이 없으면 소멸되지도 않으므로 반물질이 존재했던 수만큼 물질도 소멸했을 것이다. 어느 쪽이라도 한쪽만 소멸할 수는 없으므로 상식적으로 생각하면 이 우주에는 남는 것 하나 없이, 물질도 반물질도 없는 텅 빈 세상이 되어야 한다. 하지만 우리는 이 우주에 존재한다. 그렇다면 원래 같은 수량 존재했던 물질과 반물질 중에서 누군가가 반물질만 한 움큼 집어 물질 쪽으로 옮겨놓은 것은 아닐까? 그렇지 않고서야 이런 일이 일어날 리 없지 않을까? 이 의문의 열쇠를 쥐고 있는 것이 바로 중성미자라는 작은 입자일 것으로 추측되고 있다. 중성미자는 알면 알수록 신비한 성질을 가지고 있으며 암흑물질, 인플레이션과도 깊은 관련이 있을지 모른다. 어쩌면 우리가 이 우주에 태어날 수 있었던 것도 중성미자 덕분인지 모른다.

그러던 어느 날, 우주의 온도가 조금 내려가면서 같은 수량 존재하던 물질과 반물질의 균형이 깨졌고 극소량의 반물질이 물질로 변해 현재 우리가 살고 있는, 물질만 존재하는 세상이 만들어진 덕에 우리가 태어났다. 그 열쇠는 바로 지금까지 질량이 없다고 알려져 있던 중성미자에 있다. 이 책에서는 상당 부분을 할애해 이 신비로운 소립자인 중성미자에 대해 이야기하고 있다.

▶ 『왜, 우리가 우주에 존재하는가』 내용
대우휴먼사이언스 시리즈 7권. 일본 대중이 사랑하는 이론물리학자 무라야마 히토시가 들려주는 물질세계의 탄생과 중성미자 그리고 힉스입자 이야기. 2015년 노벨 물리학상이 바로 이 ‘중성미자에 질량이 있다’는 것을 입증한 가지타 다카아키와 아서 맥도널드 박사에게 돌아갔다. ‘중성미자’는 무엇이고 ‘중성미자의 질량’은 얼마나 대단한 발견일까? 노벨 물리학상의 업적을 이해하는 데 이 책 단 한 권이면 충분하다!

우리가 이 세상에서 보는 모든 것은 물질로 이루어져 있다. 물질세계의 탄생에 대활약했을 것으로 추측되는 것이 바로 중성미자다. 이 책에서는 대체 중성미자에 어떻게 질량이 생긴 것인지, 우주에는 어떻게 이렇게 많은 중성미자가 존재하는지, 중성미자가 힉스입자로 인해 질량을 얻게 된 경위는 무엇인지 등에 대해 이야기하며 태초의 우주에 다가가며 우주는 어떻게 만들어져왔는지, 어떻게 우리가 이 우주에 존재하게 되었는지 알아본다.

책속으로 추가

p.103 우주에 우리가 존재하는 이유-중성미자
만약, 시계 방향 중성미자가 반중성미자라면 우리가 이 우주에 존재하는 건 중성미자 덕분이라 할 수 있습니다. 물질은 반물질과 만나면 어마어마한 에너지를 방출하며 소멸해 버립니다. 물질과 반물질은 항상 1 : 1로 짝을 이루어 소멸하면서 에너지로 변하고, 그 에너지는 다시 한 쌍의 물질과 반물질을 생성합니다.
갓 태어난 우주에는 엄청난 양의 에너지가 존재했기 때문에 물질과 반물질 둘 다 많았습니다. 물질과 반물질은 항상 짝을 이루어 태어나므로 그 비율은 같았다고 볼 수 있습니다. 그런데 물질과 반물질이 정말 1 : 1로 생겨났다면 우주가 점점 팽창하며 식는 과정에서 물질과 반물질이 다시 만났을 때 1 : 1로 소멸하므로 최종적으로 우주에는 아무것도 남지 않고 텅텅 비게 되겠죠. 하지만 우주는 그렇게 되지 않았고 이렇게 우리가 존재합니다. 어떻게 된 일일까요?

p.160 인플레이션 이론
탄생 초기의 작은 우주는 세탁기에서 이제 막 꺼낸 쭈글쭈글한 상태에 비유할 수 있습니다. 그런데 인플레이션이 일어남으로써 갑자기 다림질을 한 것처럼 펴져서 에너지가 균일한 상태가 되면서 팽창한 것입니다. 주름이 펴지고 전체가 평평해진 상태에서 빅뱅이 일어났기 때문에 현재의 우주도 거의 균일한 상태인 것입니다. 빅뱅 후의 열의 잔해인 우주배경복사가 거의 요철이 없는 상태인 이유도 인플레이션이 일어났기 때문이라고 생각하면 설명이 됩니다.

인류는 과학이라는 방법을 통해 우주 섭리의 아름다움 을 밝혀내고 있습니다. 자칫 과학자의 영역으로만 여겨지기 쉬운 우주의 이야기를 과학자들의 연구실에서 꺼내어 일반인들에게 알리는 데 많은 분들이 노력하고 있습니다. 그중에서 무라야마 히토시는 단연 대중과 가장 가까이에서 소통하는 학자라고 생각합니다. 그는 뛰어난 역량을 지닌, 물리학계에서 영향력 있는 연구자이며, 어려운 물리학을 직 관적인 비유와 쉬운 설명으로 풀어내는 능력이 탁월한 작가이기도 합니다. 일본에서는 일반인을 대상으로 우주론, 소립자론을 알기 쉽게 해설하는 능력은 그를 능가할 사람이 없다는 평을 받고 있습니다.
이 책에서 우주와 입자물리학을 연결지어주는 역할은 ‘중성미자’라는 입자가 담당합니다. 2015년 올해 노벨 물리학상이 바로 이 중성미자의 독특한 진동 현상을 밝혀낸 실험을 주도 한 학자들에게 돌아갔으니, 올해 노벨상 업적을 이해하고 싶다면 이 책이 아주 좋은 읽을거리가 되리라 생각합니다.

추천의 글 5
시작하며 9

1장 부끄럼쟁이 중성미자 21
우주는 우로보로스의 뱀 23 | 정체불명의 물질로 가득 찬 우주 25 | 중성미자가 넘쳐나는 우주 27 | 원자의 세계를 탐구하다 29 | 사라진 에너지 31 | 파울리의 예언 32 | 원자력발전소에서 발견된 유령의 정체 34

2장 소립자의 세계 37
수많은 소립자로 이루어진 우주 39 | 쿼크로 이루어진 양성자와 중성자 41 | 소립자는 모두 삼형제 43 | 소립자에 맛이 있다고? 45 | 입자의 캐치볼-힘 47 | 강한 힘의 정체 50 | 약한 힘의 정체 52 | 네 가지 힘의 통일을 위해 53 | CP대칭성의 깨짐 56 | 고바야시-마스카와 이론의 등장 58 | 고바야시-마스카와 이론의 검증 60

3장 정말 신비로운 중성미자의 세계 63
열쇠를 쥐고 있는 중성미자 65 | 중성미자의 무게 68 | 중성미자는 시간을 느낀다 74 | 중성미자로 태양을 보다 76 | 태양 중성미자 문제 78 | 캄랜드 실험 80 | [칼럼] 가미오칸데와 중성미자 82

4장 너무나 가벼운 중성미자의 비밀 85
항상 왼쪽 돌기인 중성미자 87 | 왼쪽 돌기 반중성미자는 초중량급 89 | 통일된 힘의 세계를 보여주는 소립자 92 | 왼쪽 돌기 중성미자가 가벼운 이유 93 | [Q&A] 96

5장 중성미자가 장난꾸러기라고? 99
힘의 통일과 중성미자 101 | 우주에 우리가 존재하는 이유-중성미자 103 | 중성미자로 알아보는 물질과 반물질의 움직임 106 | 전자 중성미자로 변한 뮤우 중성미자 107 | [Q&A] 111

6장 힉스입자의 정체 113
힉스입자는 신의 입자?! 115 | 경차를 충돌시켜 전차를 찾다 119 | 1000조 번의 충돌로 얻은 10개의 힉스입자 122 | 99.99994%의 확실성 124 | 광자와 뮤온을 찾아라 126 | 새로운 입자의 존재를 예언한 힉스 박사 129 | 자발적 대칭성 깨짐 131 | 힉스입자가 식어 우주에 질서가 134 | 얼굴 없는 힉스입자 138 | 새시대의 개막-힉스입자의 얼굴 찾기 140 | 통일의 시대 143 | [Q&A] 147

7장 왜, 우리가 우주에 존재하는가? 151
부풀어 있는 우주 153 | 빅뱅의 증거 155 | 인플레이션 이론 158 | 소립자 요동의 주름 161 | 태초의 우주를 향해 164 | 초끈이론에 거는 기대 167 | 원자보다 작았던 우주의 탄생 170 | 우주의 과거와 미래를 보여주는 ‘스미레 계획’ 175 | [Q&A] 178

마치며 181
찾아보기 185

p.15 시작하며
하지만 우리는 이 우주에 존재합니다. 그렇다면 원래 같은 수량 존재했던 물질과 반물질 중에서 누군가가 반물질만 한 움큼 집어 물질 쪽으로 옮겨놓은 것은 아닐까요? 그렇지 않고서야 이런 일이 일어날 리 없지 않을까요? 그런데 어쩌면 이 의문이 곧 풀릴지도 모릅니다.
그 열쇠를 쥐고 있는 것은 중성미자라는 작은 입자일 것으로 추측되고 있습니다. 중성미자는 알면 알수록 신비한 성질을 가지고 있으며 암흑물질, 인플레이션과도 깊은 관련이 있을지 모릅니다. 어쩌면 우리가 이 우주에 태어날 수 있었던 것도 중성미자 덕분인지 모릅니다. 뿐만 아니라 힉스입자나 인플레이션, 그리고 암흑물질 등도 우리가 탄생하는 데 필요했다는 사실이 밝혀졌습니다. 지금부터 그 수수께끼를 풀어가며 어떻게 우리가 이 우주에 태어나게 되었는지 생각해 봅시다.

p.27 중성미자가 넘쳐나는 우주
물질을 만드는 입자의 수로 세어보니 이 우주에는 중성미자가 가장 많았습니다. 우리 몸을 만드는 양성자, 중성자, 전자 등은 중성미자의 10억 분의 1에 불과합니다. 이 우주는 사실 중성미자가 넘쳐났습니다. 1m3당 300개나 있다는 것은 우주 어디를 가더라도 중성미자가 존재한다는 것을 뜻합니다. 게다가 중성미자는 태양 같은 별로부터 대량으로 방출되어 1초 동안 수백 조 개나 되는 양이 우리의 몸을 통과합니다. 그렇게 방대한 수의 중성미자가 통과하고 있음에도 불구하고 우리는 중성미자를 느낄 수 없고 본 적도 없으며 만진 적도 없습니다. 대체 어찌 된 일일까요?

p.39 수많은 소립자로 이루어진 우주
이 우주를 자세히 보면 소립자로 이루어져 있음을 알 수 있습니다. 물론 중성미자도 소립자의 한 종류입니다. 소립자에 대한 얘기를 조금만 하고 넘어갈까요? 앞 장에서 원자의 내부에서는 원자핵 주변을 전자가 돌고 있다고 했습니다. 원자의 크기는 100만분의 1밀리미터 정도라서 우리 입장에서는 아주 작게 느껴지지만 원자핵이나 전자는 더 작습니다. 원자 한가운데에 있는 원자핵의 크기는 전자의 10만 분의 1밖에 되지 않습니다. 원자가 지구만 하다고 하면 원자핵은 야구장 정도입니다. 그리고 그 주변을 야구공보다 작은 전자가 돌고 있습니다. 원자핵도 전자도 원자와 비교하면 아주 작은데 조합했을 때 원자의 크기가 되는 까닭은 원자핵의 주변을 전자가 돌고 있기 때문입니다. 그러므로 원자는 안이 꽉 찬 것처럼 보이지만 사실은 휑합니다.

p.65 열쇠를 쥐고 있는 중성미자
우주가 갓 탄생했을 때는 넘치는 에너지로부터 수많은 물질과 반물질이 생성됐습니다. 물질과 반물질은 반드시 짝을 이루어 태어나는데 소멸할 때도 짝으로 소멸합니다. 그러므로 물질과 반물질이 완전히 행동을 함께한다면 이 우주에는 은하도 별도 우리도 존재할 수 없게 되겠죠.

p.68 중성미자의 무게
그런데 미국 대통령이 연설에 인용할 정도로 충격적인 중성미자의 무게를 어떻게 측정한 걸까요? 중성미자는 거의 포착이 불가능한 입자입니다. 저울 위에 올려놓을 수도 없습니다. 포착하기도 어려운데 정말 무게가 있기는 한 걸까요?
이때 활약한 것이 기후 현 가미오카 광산에 만들어진 슈퍼 가미오칸데였습니다. 고시바 박사가 초신성에서 방출된 중성미자를 관측했을 때 이용한 가미오칸데의 2세대에 해당하는 장치인데, 이 장치는 대단히 커서 높이가 10층 건물과 맞먹는 40미터에 달합니다.
이 장치가 지하 1킬로미터에 설치되었고 안에는 5만 톤의 물이 저장되어 있습니다. 슈퍼 가미오칸데에서는 이 물 속에서 일어나는 반응을 관찰하기 위해 탱크 벽면에 광전자증배관이라는 지름 50센티미터 정도의 대형 전구처럼 생긴 것을 빼곡히 채워 넣었습니다. 구조는 가미오칸데와 비슷한데 그 안으로 중성미자가 통과하면 가끔 물분자와 반응하여 빛을 발하고, 이를 광전자증배관이 포착할 수 있습니다.

p.93 왼쪽 돌기 중성미자가 가벼운 이유
이 얘기는 아주 중요하기 때문에 한 번 더 이야기하겠습니다. 왼쪽 돌기 중성미자는 힉스입자에 부딪히면 오른쪽 돌기로 변신해야 하는데 오른쪽 돌기 중성미자는 아직 발견되지 않았습니다. 만약, 중성미자가 계속 왼쪽 돌기인 채로 있다면 힉스입자에 부딪히는 일은 없을 것이므로 중성미자에는 무게가 없다는 결론에 이르렀던 것입니다.
그런데 중성미자에는 무게가 있다는 것을 알게 되었기 때문에 분명히 힉스입자와 부딪힐 것입니다. 그래서 갑자기 사실은 오른쪽 돌기 중성미자도 존재하는 게 아니냐고 생각하게 된 것입니다. 단, 아까도 얘기했듯 오른쪽 돌기 중성미자는 지금까지 한 번도 발견되지 않았기 때문에 아주 무거운 입자일 것으로 추측하고 있습니다.