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힉스 입자를 '신의 입자'로 만들기까지 입자물리학 2600년의 역사

노벨 물리학상 수상자 리언 레더먼이 이야기하는 입자 물리학 2,600년의 역사『신의 입자』는 기원전 600년경 시작된 입자물리학의 역사와 물리학자들의 마지막 과제 힉스입자의 존재와 그 비밀을 밝히기 위해 노력하는 과학자들의 이야기를 담고 있다. 그리스 철학자 데모크리토스부터 아이작 뉴턴, 마이클 패러데이, 어니스트 러더퍼드까지 펼쳐지는 물리학의 계보와 20세기 양자역학과 힉스까지 입자물리학 2,600년의 역사를 괴짜 물리학자 리언 레더먼의 유쾌한 입담으로 들려준다.

물리학자들의 최대 과제는 우주의 모든 섭리를 담은 간략한 방정식을 찾는 것이다. 뉴턴 시대 F=ma, 패러데이와 맥스웰을 거치며 세월이 흘러 다양한 입자들이 발견되고 우주의 모든 현상과 십여 개의 입자로 설명하는 표준모형이 입자물리학의 정설로 자리 잡았으나 입자 질량을 부여하는 힉스입자가 필요했다. 하지만 ‘힉스입자’는 한동안 찬밥 신세였고 실험물리학자 레더먼은 도전장을 던진다. 결국 2012년 CERN(유럽 입자물리학 연구소)의 LHC(Large Hardron Collider, 대형하드론충돌기)를 통해 신의 입자 힉스를 발견하게 되며 오늘날 이 책은 놀라운 예언서로 읽히게 되었다.

힉스를 ‘신의 입자’로 만든, 물리학의 전설이 찾아온다!
노벨 물리학상 수상자 리언 레더먼이 펼치는 입자물리학 2,600년의 역사

2012년 그 존재를 증명한 힉스보손은 어떻게 ‘신의 입자’라는 별명을 갖게 되었을까? 힉스입자를 ‘빌어먹을 입자(Goddamn Particle)’에서 ‘신의 입자(God Particle)’로 만든 전설적인 책, 1993년 출간되어 전 세계 과학 독자들의 사랑을 받고 있는 《신의 입자(The God Particle)》가 드디어 정식 번역 출간된다. 이 책은 기원전 600년경 시작된 입자물리학의 역사를 친절하게 해설함은 물론, 물리학자들의 마지막 과제 힉스입자의 존재와 그 비밀을 밝히기 위해 노력하는 과학자들의 이야기를 담고 있다. 그리스 철학자 데모크리토스부터 아이작 뉴턴, 마이클 패러데이, 어니스트 러더퍼드까지 펼쳐지는 물리학의 계보와 20세기 양자역학과 힉스까지 입자물리학 2,600년의 역사를 괴짜 물리학자 리언 레더먼의 유쾌한 입담으로 담아낸다.

교양과학서 시장에서 전 세계적으로 오랫동안 사랑받고 있는 책, 한 시대를 뛰어넘어 계속 사랑받는 세기의 명저들은 새로운 과학책이 나오더라도 여전히 베스트셀러 목록에서 자신의 자리를 내어 줄 생각을 하지 않는다. 1970년대 리처드 도킨스의 《이기적 유전자》(1976), 1980년대 칼 세이건의 《코스모스》(1980년), 2000년대 브라이언 그린의 《엘러건트 유니버스》(2000년) 사이의 빈 칸을 채워줄 20세기 마지막 명저, 1990년대를 사로잡았던 리언 레더먼(Leon Lederman)과 딕 테레시(Dick Teresi)의 《신의 입자》(1993년)를 만나보자.

레더먼이 노벨상을 받은 업적과 더불어 뛰어난 글 솜씨를 지닌 물리학자임은 이미 잘 알려져 있다. 그와 물리학에 대한 관점은 다르지만, 나는 물리학의 세계를 이처럼 흥미롭게 전달할 수 있는 물리학자가 또 있기는 어려우리라 생각한다. 그가 들려주는 매력적인 물리학 이야기의 정점에 이 책 《신의 입자》가 있다.
―최무영(서울대학교 물리천문학부 교수)

물리학자라면 한 번쯤 읽어봤을 리언 레더먼과 딕 테레시가 공저한 《신의 입자》가 출간된다니 더없이 반가운 소식이다. 20년 전 읽었을 때에는 대담한 가설이?주는 재미에 푹 빠졌다면, 지금은 놀라운 예언서로 다시 읽힌다. 과학적 추론으로?신의 마음을 탐색했던 물리학자들의 담대한 비전이 담긴 이 책은 힉스입자를 통해 현대물리학의 지형도를 한눈에 보여준다.?과학 분야의 고전으로 오랫동안 두루 읽힐 책.
―정재승(KAIST 바이오및뇌공학과 교수)

드디어 이 책이 나온다. 최근 물리학의 가장 자극적인 유행어인 <신의 입자>의 원전이. 최근 물리학 이야기를 하고 다니는 데 재미를 단단히 붙인 노벨상 수상자 레더만의 입담이 절정을 이룬다. 놓치지 말자.
―이강영(물리학자, 경상대학교 물리교육과 교수)

20여 년 전, 한국을 방문했던 저자의 강연을 듣고 과학자의 꿈을 키웠다. 그때 느꼈던 유쾌함, 깊이, 감동이 이 책에 고스란히 살아 있다.
―윤성철(서울대학교 물리천문학부 교수)

‘빌어먹을 입자’에서 ‘신의 입자’가 되기까지

2012년 CERN(유럽 입자물리학 연구소)의 LHC(Large Hardron Collider, 대형하드론충돌기)를 통해 그 모습을 드러낸 힉스보손을 설명할 때 빼놓지 않고 따라다니는 일화가 있다. 힉스의 별명인 ‘신의 입자’가 어떻게 붙여졌는가 하는 것인데, 그 이야기가 담긴 책이자 별명의 시작점이 바로 이 책, 《신의 입자》이다.

힉스보손은 물질의 궁극적 구조를 이해하고 표준모형을 굳히기 위해 반드시 필요하지만 감지하기가 너무 어렵다. 그래서 나는 힉스보손에 ‘신의 입자(God Particle)’라는 별명을 붙여주었다. 왜 하필 ‘신의 입자’냐고? 여기에는 두 가지 이유가 있다. 첫 번째로는 원래 내가 생각한 별명은 ‘빌어먹을 입자(Goddamn Particle)’였는데, 편집자가 언어순화를 위해 damn을 뺐기 때문이고, 두 번째는 이 책보다 훨씬 먼저 출간된 어떤 책에 이와 비슷한 내용이 언급되어 있기 때문이다.
―본문 56쪽

책을 쓰기 전에 한 강연석상에서 농담 삼아 ‘신의 입자’라는 말을 언급한 적이 있었는데, 그 자리에 있던 테레시가 이렇게 말했다. “그거 가제목으로 괜찮겠네요. 걱정 마세요. 가제목을 최종 제목으로 쓸 편집자는 없을 테니까요.” 그 후의 일은 아는 사람만 알 것이다.
―본문 11쪽

저자 레더먼은 2001년, 노벨 재단과의 인터뷰에서 좀 더 구체적인 비화를 설명했다.

‘신의 입자’라는 제목은 출판사에서 결정했습니다. 떼돈을 벌고 싶어 했죠. 저는 그런 욕망에 동조한 거고요. 그래서 우리는 신의 입자라고 부르기로 했습니다. 사람들은 힉스에 대해 들어 본 적은 없지만, 신이라는 말은 알고 있으니까요. 그래서 책을 쓰는 동안 힉스입자는 그렇게 불리게 됐죠. 하지만 이 책에서의 신은 종교적인 신을 말하는 게 아니에요. 그보다는 철학적인 신에 가깝습니다.
―2001년 노벨 재단과의 인터뷰 중에서

물리학자들의 마지막 과제, 힉스입자를 찾아라

물리학자들의 최대 과제는 우주의 모든 섭리를 담은 간략한 방정식을 찾는 것이다. 뉴턴 시대의 물리학자에게는 그것이 F=ma였을 것이고, 패러데이와 맥스웰을 거치면서 맥스웰 방정식도 그중 하나로 자리 잡았다. 다시 세월이 흐르면서 다양한 입자들이 발견되고 우주의 모든 현상을 네 종류의 힘(중력, 강력, 약력, 전자기력)과 십여 개의 입자로 설명하는 표준모형이 입자물리학의 정설로 자리 잡고 있다. 여섯 종의 쿼크와 여섯 종의 렙톤으로 이루어진 표준모형이 미완의 모습을 벗고 모순을 없애 완벽해지려면 입자에 질량을 부여하는 힉스입자가 필요하다.

아이들이 좋아하는 만화경은 단순한 그림을 겨울에 비춰서 복잡한 형상을 만들어낸다. 망원경에 잡힌 별도 중력이라는 렌즈를 통해 변형된 모습을 보여주는 것이다. 그렇다면 내가 ‘신의 입자’로 명명한 힉스입자 역시 표준모형 뒤에 숨어 있는 단순한 대칭을 보여줄지도 모른다.
―본문 127쪽

힉스의 개념과 힉스보손(힉스입자)은 위에서 나열한 모든 문제들과 일일이 연관되어 있다. 표준모형의 문제를 해결하는 열쇠를 힉스가 쥐고 있는 것이다. 오죽하면 이 책의 제목을 《신의 입자(The God Particle)》라고 지었겠는가.
―본문 596쪽

하지만 표준모형의 구원투수 ‘힉스입자’는 한동안 찬밥 신세였다. 자신의 이름을 빌려 준 피터 힉스(Peter Higgs)조차 다른 연구를 하고 있었다. 힉스입자를 싫어하는 물리학자들의 공통점은 “실험적 증거가 없다”는 것이었다. 실험물리학자인 레더먼은 그들에게 기꺼이 도전장을 던진다.

힉스장과 표준모형, 그리고 신이 우주를 창조한 방식은 힉스보손의 발견여부에 따라 그 운명이 달라질 판이다. 그러나 안타깝게도 지금은 1테라전자볼트짜리 입자를 생성할 수 있는 가속기가 존재하지 않는다. 문제없다. 까짓 거, 만들면 된다.
―본문 651쪽

20년 전 읽었을 때에는 대담한 가설이 주는 재미에 푹 빠졌다면,
지금은 놀라운 예언서로 다시 읽힌다. ―정재승(KAIST 바이오및뇌공학과 교수)

이 책을 쓸 당시 리언 레더먼은 힉스를 발견할 초전도초충돌기(SSC)를 건설할 계획에 큰 기대를 갖고 있었다. 책의 곳곳에서 SSC에 대한 자부심과 힉스입자 발견에 대한 기대를 쉽게 찾아 볼 수 있다. 그러나 110억 달러의 막대한 예산이 드는 SSC 프로젝트는 이 책이 출간된 지 얼마 지나지 않아 취소되는 비극을 맞이한다. 2006년에 덧붙인 서문에서 그는 이렇게 말하고 있다.

아인슈타인은 “신의 생각을 읽는 것이 물리학자의 일”이라고 했다. 그러나 우리에게는 신의 마음을 읽는 것보다 국회의원의 마음을 읽는 것이 훨씬 어려웠다.
―본문 10쪽

하지만 세계의 진리를 찾는 물리학자들의 노력은 여기서 멈추지 않았다. 미국 페르미 연구소의 SSC 대신 유럽 CERN의 LHC가 건설되어 2008년 첫 빔을 쏘아 올렸고, 마침내 2012년 신의 입자 힉스를 발견하게 되었다. 그리고 2013년 힉스입자의 존재를 예견한 공로를 인정받아 피터 힉스는 노벨 물리학상을 수상한다. 1993년 이 책은 출간과 동시에 비극으로 끝나게 되었지만, 2017년의 우리에게 이 책은 놀라운 예언서로 다시 읽히게 된다.

이 책의 초판은 힉스입자는커녕, 꼭대기쿼크가 발견되기도 전인 1993년에 출간되었으니 고색창연한 구간(舊刊)에 속한다. 그러나 지난 20년 사이에 표준모형은 꼭대기쿼크와 힉스입자를 발견한 것 외에 이론상으로는 큰 변화가 없었으므로 거의 신간이나 다름없다.
―옮긴이 후기 중, 본문 719쪽

괴짜 물리학자 리언 레더먼이 펼치는 유쾌한 물리학의 세계

물리학을 다룬 대부분의 책은 이론물리학자가 쓴 것이고, 대부분 홍보 자료나 머리말을 통해 책이 쉽고 재미있게 쓰였다고 말한다. 하지만 이 책의 저자 리언 레더먼은 책상 위에서 우아하게 서류작업을 하거나 대다수에 물리학 책을 쓰고 있는 이론물리학자가 아닌, 시멘트바닥에서 새우잠을 자고 100여 명이 공동 작업을 하는 것이 일상인 실험물리학자이다. 그는 확률의 합이 100퍼센트가 되지 않아도 (이론적으로) 완벽할 필요가 없는 실험물리학자이기에 일반인인 독자들의 눈높이에 비교적 조금 더 가까이 다가갈 수 있다고 자부한다. 736페이지의 두꺼운 이 책의 모든 페이지가 유쾌하다고는 할 수 없지만, 수많은 이론물리학자들의 완고한 메시지가 담긴 책보다는 훨씬 유쾌하고 너그러우며 과학과 수학의 무지에 관대한 이 책을 통해 더 많은 독자들이 ‘신의 입자’ 힉스에 조금이나마 가까워지길 기대해본다.

이 책을 읽는 독자들은 ‘과학에 무지한 일반대중’에서 제외된다. 내 책을 구입해준 고객이어서가 아니라, 결코 쉽지 않은 내용을 9장까지 참고 읽어왔기 때문이다. 이제 독자들은 나의 친구이자 동료이며, 칙령에 따라 완전하게 검증된 ‘과학교양인’이 되었다.

(중략)

몇 년 전, 맨해튼 지하철에서 한 노인이 기초미적분학 문제를 풀던 중 어려운 부분에 막혀서 쩔쩔매다가 옆 좌석에 앉아 있던 생면부지의 승객에게 도움을 청했다. “저, 실례지만 혹시 미적분 할 줄 아십니까?” “아, 네. 조금 할 줄 압니다.” 그 승객은 노인의 문제를 풀어주고 다음 정류장에서 내렸다. 노인이 지하철에서 미적분학 공부를 하는 것도 드문 일이었지만, 그 노인의 옆자리에 앉아 있던 사람은 노벨상 수상자인 이론물리학자 리정다오였다.
나도 지하철에서 비슷한 경함을 한 적이 있는데 결말은 사뭇 달랐다. 어느 날 시카고에서 통근열차를 탔는데, 정신병원에서 파견된 한 간호사가 환자 여러 명을 인솔하고 나와 같은 기차를 타게 되었다. 그런데 하필 환자들이 내가 있는 곳으로 모여드는 바람에 본의 아니게 그들 중 한 사람이 되었다. 여기까지는 오케이. 그런데 잠시 후 간호사가 다가와 환자의 수를 세기 시작했다. “하나, 둘, 셋…….” 그 다음에 나와 눈이 마주쳤고, 간호사가 눈을 가늘게 뜨며 물었다. “댁은 누구세요?” “아, 네. 저는 리언 레더먼이라고 합니다. 페르미 연구소의 소장이고 노벨상도 받았지요.” 그녀는 나를 손가락으로 가리키며 계속 세어나갔다. “물론 그러시겠죠. 넷, 다섯, 여섯…….
―본문 663쪽

책을 시작하기에 앞서
이 책의 출연진

1장 보이지 않는 축구공
2장 최초의 입자물리학자
-막간 A: 두 도시 이야기
3장 원자를 찾아서: 역학
4장 다시 원자를 찾아서: 화학자와 전기기술자
5장 벌거벗은 원자
-막간 B: 춤추는 무술사범들
6장 입자가속기는 원자를 박살낸다……가 아닌가?
-막간 C: 반전성이 위배되었던 주말, 우리는 신을 보았다.
7장 원자?아토모스!
8장 드디어, 신의 입자!
9장 내부공간과 외부공간, 그리고 시간 이전의 시간

감사의 말
옮긴이 후기
출처
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