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‘자연 과학에서 가장 중요한 기본 법칙과 사실은 모두 발견되었다.’

1894년 미국의 물리학자 마이컬슨(1907년 노벨물리학상 수상자)은 이렇게 말했다고 한다. 하지만 이 말은 뒤이을 ‘현대 물리학의 혁명’이라는 20세기 초 물리학의 압도적인 발전으로 완전히 틀린 말이 되었다.
이 현대 물리학의 혁명이란 바로 상대성이론과 양자물리학의 태동이다. 양자역학의 시발점이 된 막스 플랑크의 플랑크 상수의 발견과 공간과 시간이 완전히 재편된 아인슈타인의 상대성이론을 시작으로, 하이젠베르크의 불확정성 원리와 슈뢰딩거의 방정식으로 정립된 양자역학의 발전은 뉴턴식 과학적 결정론으로 치부되는 고전물리학의 관념을 폐기시켰다. 이에 더해 폴 디랙이 상대론의 원리와 양자역학이 서로 연관되도록 재구성을 하였고, 뒤이어 리처드 파인만등의 과학자들의 연구로 상대론적 양자장론은 현재와 같은 완전한 경지에 이르렀다. 이러한 상대론과 양자론의 융합은 뒤이을 기본입자의 발견에 초석이 됨으로써 지난 120년간 물리학의 발전은 그야말로 쉼 없이 진행되어왔다.

『딥 다운 씽즈』는 우주를 구성하는 가장 기본이 되는 양자역학의 표준모형을 해설한 책이다. 물질의 기본 입자를 연구하는 물리학의 분야인 입자물리학에서 이 책은 원자 크기 이하의 그 좁은 영역에서 벌어지는 소립자들 사이에 광범위한 상호작용과 현상이 얼마나 질서정연하고 단순명료하며, 아름다운지 깨닫게 해 준다. 저자인 브루스 A. 슘은 기본 입자들 간의 상호작용이 자연의 4가지 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력), 양자역학, 상대성이론 등과 어떻게 연계되어 있는지 통합하여 설명하고 있다. 더불어 입자물리학에 대해 이해하는데 필요한 수학의 군론, 리 이론(리 군, 리 대수), 대칭등의 개념을 어려운 수식이나 도표 등을 최소한 만으로 사용하여 설명하며, 독자들이 기본적인 수학적 지식만 있어도 읽고 이해하는데 어려움이 없도록 쉽게 풀어내었다.

지금까지의 양자역학과 입자물리학에 관한 책은 대부분 과학사(史)적인 내용을 다루며 그 본질에 관한 내용은 깊이 있게 다루지 않고 있다. 또한 이렇게 표준모형과 입자물리학을 중점적으로 다룬 단행본은 아직까지 국내에 출간되지 않았다. 『딥 다운 씽즈』는 수박 겉핥기식이 아닌, 입자물리학에 관한 가장 기본이 되는 본질을 자세히 다루며, 적절한 비유와 어렵지 않은 설명으로 입자물리학에 대한 저자의 폭넓은 시각을 잘 담아내고 있다. 이 책은 입자물리학에 입문하고자 하는 독자나 입자물리학과 수학의 관계를 제대로 알고자 하는 독자들에게 바이블이자 가장 기본적으로 읽어야 하는 이론서가 될 것이다.

거의 ‘모든 것’의 이론
광활한 우주를 구성하는 가장 기본적인 것들은 어떠한 것일까, 또한 그 구성요소들은 서로 어떻게 상호작용을 하는 것 인가. 이러한 것들을 설명하는 표준모형이란 우리 우주가 17개의 기본 입자들과 4개의 기본 상호작용들로 작동하고 있다는 이론이며, 우리가 생각하는 자연의 거의 모든 현상들은 전부 이 모형으로 설명이 가능하다는 이론이다.
이 책은 입자물리학을 양자역학, 상대성이론 등과 연계하여 입자의 세계를 정확하고 심도 있게 소개하고 있을 뿐 아니라, 아인슈타인, 슈뢰딩거, 파인만 등과 같은 유명한 물리학자들을 소환하여 어떻게 발전하였는지도 다룬다. 더불어 입자물리학의 이해에 필요한 수학의 군론, 대칭까지 소개하며 물질의 본질에 대해 설명하면서 입자물리학의 기초에 대해 세세히 다루고 있다.

‘자연 과학에서 가장 중요한 기본 법칙과 사실은 모두 발견되었다.’
1894년 미국 물리학자 마이컬슨의 발언은 물리학사에서 가장 기억할 만한 예측 중 하나로 남았다. 마이컬슨이 이렇게 단언한 뒤 10년 후 ‘현대 물리학의 혁명’이라는 20세기 초 물리학의 압도적인 발전이 있었는데 바로 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학의 태동이었다. 공간과 시간이 완전히 재편된 상대성이론과 입자-파동의 이중성, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거의 방정식으로 정립된 양자역학은 뉴턴식 과학적 결정론으로 치부되는 고전물리학의 관념을 폐기시켰고 물리학이 지금까지 겪었고 앞으로도 겪을 역사 중 가장 위대하게 남을 역사가 되었다. 이에 더해 폴 디랙이 상대론의 원리와 양자역학이 서로 일관되도록 재구성을 하였고 뒤이어 리처드 파인만등의 연구로 상대론적 양자장론은 현재와 같은 완전한 경지에 이르렀다. 이러한 상대론과 양자론의 융합은 뒤이을 기본입자의 발견에 초석이 된다.

더 이상 쪼갤 수 없는 구성단위의 발견
‘모든 것은 원자로 이루어져 있다’ 1965년 양자전기역학의 재규격화 이론을 완성한 업적으로 노벨 물리학상을 받은 리처드 파인만이 했던 말이다. 이렇게 모든 것은 원자로 이루어져 있다. 이 작은 단위인 원자를 쪼개면 원자핵과 전자가 나오고 원자핵을 쪼개면 양성자와 중성자가 나온다. 이중 양성자를 쪼개면 위 쿼크 둘과 아래 쿼크 하나, 즉 더 이상 쪼갤 수 없는, 가장 기본입자인 쿼크가 나온다. 1960년대 초, 물리학자 머리 겔만이 발견한 이 쿼크를 시작으로 강한 상호작용을 받는 기본입자인 6개의 쿼크와 강한 상호작용의 영향을 받지 않는 기본입자인 6개의 랩톤이 발견되었다. 이에 더해 이 기본입자들의 상호작용을 실어나르는 입자인 보손 입자 5개까지 발견되면서 총 17개의 기본 입자들이 발견되었다. 우주의 모든 물질들을 구성하는 기본 입자인 이 17개의 기본입자들과 4개의 기본 상호작용(강한 핵력, 약한 핵력, 중력, 전자기력)이 바로 표준모형이며 우리가 생각하는 자연의 거의 모든 현상들이 전부 이 표준모형으로 설명이 가능한 것이다.

군론
수학이 뉴턴 시대 이후 제자리에 머물 줄 모르고 점점 더 신비하고 추상적인 방향으로 발전하면서, 추상 수학을 자연계에 적용하고 자연현상의 연구에서 필수적인 도구로 사용하는 것이 더욱 돋보이게 되었다. 그중 어떤 집합의 임의의 원소 사이에 연산이 행해질 때, 그 결과 역시 그 집합의 원소가 될 때의 집합이 된다는 군론은 추상 수학 분야에서 가장 완성도가 높은 주제 중 하나이며. 그중 매끄러운 위상군인 리 군은 놀랍도록 다양한 물리 현상을 기술하는 주축으로서 자연과학 분야를 통틀어 광범위하게 적용된다. 이 리 군을 통해 기본 상호작용인 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력의 기틀을 마련함으로써, 입자물리학에서는 리 군을 도입하지 않았다면 더 진전을 이루지 못했을 만큼 리 군은 중요한 역할을 한 것이다.

표준모형의 지적인 주춧돌, 게이지 이론
게이지이론은 물리학에서 가장 기본적인 이론 중 하나이자 표준모형을 이해하는데 필수적인 이론 중 하나인데, 쿼크와 렙톤 기본입자들이 보손입자들을 통해 힘을 받아 어떻게 4개의 기본 상호작용을 하는지가 게이지 이론이다. 이 게이지 이론은 결국, 자연의 어떠한 움직임이 아무리 복잡하고, 기저에 놓인 근본 토대의 관점에서 이 움직임을 정확하고 정량적으로 설명하기가 거의 불가능할지라도, 이런 움직임은 모두 게이지 이론에 따라 나타나고 좌우된다는 것을 알려준다.

신의 입자
힉스 입자란 표준모형의 보손 중 하나며 ‘신의 입자’라고도 불리는 기본 입자이다. 1964년 영국의 이론물리학자인 피터 힉스가 자발적 대칭성 깨짐을 설명하기 위해 도입한 개념으로, 이것이 바로 우리들이 잘 알고 있는 기본입자들의 관성과 관성 질량을 만들어내는 것이다. 이렇게 표준모형에서는 모든 물질과 힘이 16개의 입자와 이 모든 입자에 질량을 부여하는 힉스 보손으로 구성되어 있다는 가설을 가지고 있는 것이다. 이 책이 쓰인 2003년에는 15개의 입자는 실험을 통해 입증되었었지만, 이 힉스 보손만은 50년 넘게 증명되지 않았다. 하지만 2013년 10월 6일, 유럽 입자 물리 연구소(CERN)은 이 입자가 힉스 보손임을 발표했다. 무려 50년 넘게 물리학의 숙제였던 힉스 보손이 드디어 발견된 것이다.

우주의 근본을 구성하는 입자들의 미시 세계에 깊이 들어가려면, 확률ㆍ통계적 사고를 거치지 않을 수 없어서 입자물리학에 대해 공부하다 보면 자연스럽고 아름답게 그 관점을 경험할 터라, 빅 데이터 시대에, 4차 산업혁명의 실속을 누릴 수 있을 것이다. 그 예로 입자물리학의 연구 과정에서 개발된 기술은 천문학, 화학, 생물물리학과 같은 순수과학뿐 아니라 첨단 의료, 현미경법 등 첨단산업에도 활용된다. 게다가 빅 데이터와 4차 산업혁명의 시조 격이 되는 인터넷 웹페이지에 접속하고 정보를 주고받을 수 있는 월드 와이드 웹이 입자물리학 연구 기관 간 빠른 정보 검색과 공유를 위해 처음 개발했다는 사실을 알면 더욱더 놀라울 것이다. 이렇게 이 책을 통해 우주의 근본적인 구조를 이해하려는 노력들은, 과거와 미래를 자세하고 멀리 볼 수 있는 좋은 관측점을 줌으로써 독자들에게 커다란 비전을 제시해 줄 것이다.

마틴 펄(1995년 노벨 물리학상 수상자)
이 책은 소립자들과 근본 힘들로 구성된 세계의 본질과 중요성을 수학적이 지 않게 설명하는 성공적인 야심작으로, 최근에 발견된 불가사의한 중성미자 진동을 포함해, 우리가 알지 못하는 세계에 대한 신나는 담론을 아우른다.

마이클 라이어든(『쿼크 사냥』의 저자)
표준모형은 20세기에 지적으로 거둔 최상의 쾌거 중 하나다. 우리 주변의 모든 것은 보손을 교환하면서 서로 영향을 주는 쿼크와 렙톤이라는 입자들로 만들어져 있다. 입자물리학의 이런 현대적 패러다임을 접한 경험이 피상적인데 그쳐 답답했던 독자들이라면 이 주제에 관한 브루스 A. 슘의 명저에 눈을 돌려야 한다.

이기명(고등과학원 물리학과 교수)
『딥 다운 씽즈』는 원자세계를 더 깊이 들여다보았을 때 나타나는 기본 입자들과 힘들의 세계와 이들의 발견 배경과 과정을 흥미진진하고 쉽고 아름답게 설명하는 책이다. 수학적인 표현을 최대한 적게 사용하면서도 양자역학에서부터 입자물리까지, 대칭성에서부터 양자장론, 게이지 이론까지를 일반인에게 쉽게 소개 하는 책이다

박성찬(연세대학교 물리학과 교수)
저자는 친절함, 끈기, 그리고 어려운 수학을 대신한 도표와 그림 등을 적절히 활용하여 입자물리학의 세계를 설명하고 있다. 21세기 인류가 도달한 가장 정확한 이론인 입자물리학 표준모형을 이해하고 싶은 지적 욕구에 충만한 독자라면 정말로 이 책을 즐길 수 있을 것이다.

정광훈(국립과천과학관 연구관)
저자는 친절함, 끈기, 그이 책은 원자를 중심으로 벌어지는 입자들의 상호 작용에 대해 더 깊고 자세히 생각할 수 있게 한다. 책에서 다뤄지는 내용은 입자물리학의 핵심을 파고들고 있기 때문에 비전공자에게 익숙하지 않은 용어와 관계식, 다이어그램 등이 등장하지만, 적절한 비유와 어렵지 않은 설명으로 입자물리학에 대한 저자의 폭넓은 시각을 잘 담아내고 있다.

머리말

1장 들어가며
2장 진짜로 움직이고 흔들리고: 자연의 힘
3장 엄청난 재각성: 현대 물리학의 혁명
4장 상대론과 양자론의 융합: 상대론적 양자론
5장 자연적 패턴: 기초 구성 단위
6장 수학적 패턴: 리 군
7장 현상의 안쪽: 내부 대칭
8장 생각만으로 캐낸 물리: 게이지 이론
9장 정통 패러다임: 숨은 대칭, 표준모형, 힉스 보손
10장 미지의 곳으로: 앞으로 펼쳐질 여정

부록
주석
찾아보기

28p
입자물리학은 비교적 밋밋한 원자와 분자의 양자물리학 분야 너머 ‘안쪽으로 들어간 안쪽’을, 곧 추상 수학자의 세계로 우리를 이끄는 질서의 규칙들을 캐내는 학문이다. 입자물리학자들은 우주의 본질과 기원의 신비를 푸는 데 필요한 단서들이 많은 영역, 곧 극도로 작고 극도로 에너지가 높은 세계의 이치를 이해하려 애쓴다.
49p
19세기 시절은 한물갔다는 인식이 확산되는 분위기와 그와 대조적으로 통칭 ‘현대 물리학의 혁명’이라는 20세기 초의 압도적인 발전에서 (ㆍㆍㆍ) 30년 뒤에는 양자론의 발전으로 뉴턴식 과학적 결정론 관념도 폐기될 수밖에 없었다. 이 초기 ‘현대’ 물리학자들의 연구로 물리학이 현실에 안주하던 무기력에서 완전히 깨어난 덕분에 20세기는 물리학이 지금까지 겪었고 아마 앞으로도 겪을 세기 중 가장 위대하게 남을 역사일 것이다

180p
입자물리학의 표준모형을 최대 30분 안에 설명해 달라고 하면 시도해 볼 수 있는 최선이란, 다양하게 꿰맞추고 섞어서 물질 우주의 내부를 완전하게 설명할 수 있는 몇 가지 되지 않는 한 무리의 기초 구성분이나 소위 물질의 구성 단위들을 기술하는 정도다. 이런 쪼갤 수 없는 구성 단위의 발견은 엄청난 발전이었음에도, 이 목록들로 표준모형 전체를 기술한다면 코드 진행을 짚어 가며 음악 작품을 설명할 때와 어느 정도 비슷하여, 작품의 기계적 구조는 그럴듯하게 나타내지만, 그 아름다움의 본질에는 다가가지 못한다.

204p
군론은 추상 수학 분야에서 가장 완성도가 높은 주제 중 하나다. (ㆍㆍㆍ) 리 군은 놀랍도록 다양한 물리 현상을 기술하는 주축으로서 자연과학 분야를 통틀어 광범위하게 적용된다. 입자물리학에서는 리 군을 도입하지 않았다면 더 진전을 이루지 못했을 만큼 리 군은 중요한 역할을 한다. 물리학자들은 머리 겔만이 팔정도를 도입해 입자 동물원을 범주화하는데 리 군을 적용하고 나서야 군론의 언어를 이용하기 시작한 흐름을 자각하기 시작했다. 이제는 그 연관성이 확고히 정립되었으며 이를 파헤치는 과정에서 물리학자들은 추상 수학자들이 리 군을 철저히 연구한 성과들의 혜택을 크게 누렸다.

287p
과학자의 역할은 자연법칙을 받아쓰기보다는 오히려 찾아내고 규명하는 일이다. 그렇지만 물리적인 세계가 돌아가는 이론적 틀의 선택이 물리학자들의 몫이라면, 게이지 이론이 그 몫의 유력한 후보일 것이다. 게이지 이론은 과학에서 물리적 움직임을 기저의 단일한 필연적 인과 원리로 속속들이 환원하는 쪽으로 가장 크게 영향을 미친다.

464p
입자물리학자들은 이런 의미에서 철저하게 현대적이다. 우주가 어떻게 움직이는지에 대해 가장 근본적인 관념들을 형성해 가면서 이런 결정적인 인간 본성의 요소를 최전선까지 밀어붙인다. 그러니까 입자물리학 연구가 결국 중단되면 근본적으로 다른, 포스트 모던한 지적 관점으로 전이되는 흐름이 무엇보다도 더욱더 심하게 느껴질지도 모른다. 부단한 과학기술적 진보를 약속하며 앞으로 나아가기보다는, 아마도 어느 정도 확고히 규정되어 더는 급속히 확장되지 않는 경계 안에서 기술과 재주를 다해 충실하고 재미있게 살도록 우리 내면을 돌아볼 수밖에 없을 것이다. 아마 그러면 결국엔 자연계의 아름다움에 대한 감탄과 지속가능성이 확장과 발전을 따돌리고 중대한 사회적 가치로 부각될 것이다.