조나단 보윈(뉴캐슬대), 데이비드 베일리(캘리포니아대 데이비스 분교)

[SOH] 최근, 유럽입자물리연구소(CERN)의 연구원들은 지난 여름 발견된 입자가 정말로 힉스 입자라고 발표했다. 이 입자는 1964년 순수하게 수학적 추론에 의해 예측되었던 입자다.

지난해 7월 발표된 초기 측정값은 그것이 보존(스핀이 ‘0’ 이거나 정수인 입자)이며, 게다가 그것의 질량이 126GeV(기가전자볼트)정도 된다고 확인했다.

이 두 발견 모두 이 입자가 오랫동안 찾던 힉스 입자라는 것을 강하게 암시하는 것으로, 힉스 입자는 입자들에게 질량을 부여하는 것으로 생각되어 왔다.

힉스 보존의 최종 확인은 새로운 입자가 자연붕괴(자연스런 과정으로 변형)하여 W보존으로 된다는 증거가 발견되었을 때 이뤄졌다.

호주 멜버른대 레이몬드 볼카스 교수에 따르면, 발견된 입자가 힉스 보존이긴 하지만, 이것이 보존뿐만 아니라 보존과 함께 소립자를 이루는 다른 입자인 페르미온에게도 질량을 주는 입자인, 이름 그대로, 바로 그 힉스 보존인 것으로 완전히 확인되지는 않았다.

유럽입자물리연구소의 발견이 있은 직후, 아리조나 주립대 로렌스 크라우스는 지난해 그 발견에 대해, “텅빈 공간처럼 보이는 것 속에 숨겨진 것은…우리의 존재를 가능케 하는 원소, 바로 그것이다. 지난 주의 발견은 그것을 실증함으로써, 우리 자신에 대한 우리의 관점과 우주에서 우리의 위치를 변화시키게 될 것이다”라고 말했다.

힉스 보존 발견의 밑바탕에는 현대과학의 실로 엄청난 미스터리들 중 하나가 존재한다. 그것은 물리학자 유진 위그너의 말을 빌리자면, ‘왜 수학은 물리학에 터무니없이 효과적인가?’ 혹은 ‘수학은 실세계의 근원인가?’ 하는 것이다.

어떤 물리학자들은 한걸음 더 나아가 ‘실세계가 바로 수학이다!’ 라고 말한다.

뉴튼의 운동과 중력의 법칙에서부터 이후 300년 동안 수학은 과학에서 연구된 거의 모든 물리현상을 설명하는데 성공했다.

1800년대에는, 스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 빛이 전기자기적 파동(전자기파)임을 수학적으로 보였다. 그 다음 그가 이 파동의 속도를 계산했을 때 그는 당시 실험에서 측정됐던 빛의 속도(299,792 km/sec)에 매우 근사한 값을 얻었다.

그러한 계산은 결국 1905년 아인슈타인의 특수 상대성이론의 초석이 되었고, 1917년 아인슈타인은 일반 상대성이론이라는 야심찬 이론을 발표했다. 이 이론은 무거운 물체가 존재하면 시공간 연속체가 휜다는 것을 내포하는 것이다.

이후 수 십년간 물리학자들은 현재 빅뱅으로 알려진 시초의 특이점뿐만 아니라 블랙홀같은 그런 색다른 현상을 예측하는 데 이 이론을 적용하고 있다.

물리학자들은 양자역학의 수학적 틀로부터의 추론을 통해 입자들을 예측했고, 실험에서 자연은 이 입자들을 고분고분하게 생산해 주었다. 이러한 예들은 겨우 표면만 살짝 엿본 것이고 실제 입자 목록은 끝이 없다. 

그래서 어쩌면 힉스 보존이 그것에 대한 실험 계획이 있기도 전에 정확하게 그 특성을 가진 채로, 대형강입자가속기 관계자들에 의해 예측된 모양대로 만들어졌다는 것은 놀랄 일이 아닐 것이다. 사실, 물리학계에서는 힉스입자가 너무나 ‘일반적인’ 것으로 판명되어 대형강입자가속기에서 새로운 물리학을 엿볼 수 없을 것이라는 깊은 두려움이 존재한다.  

힉스입자가 최종적인 입자인가? 그것은 전혀 아닐 것이다.
우리는 지금 어디에 있는가?
지난 세기의 많은 위대한 이론물리학자들에게, 수학적인 개념은 기본이었다. 우아하거나 아름답고, 단순하거나 간결하며, 대칭적이거나 동일한 개념들은 영감을 주면서도 결실이 있었다. 영국의 이론물리학자 폴 디렉은 “기본적인 물리법칙이 대단히 아름답고 강력한 수학이론 방식으로 묘사되는 것은 자연의 기본적 특징 중 하나인 것으로 보이며, 그것을 이해하려면 꽤 높은 수준의 수학이 필요하다”고 말했다.

많은 방면에서, 그러한 생각은 여전히 유효하다. 현재 입자물리학의 예측은 과대광고된 힉스입자의 발견에 의해 대단히 인정받고 있다. 그러나 물리학의 많은 풀리지 않은 문제를 풀려면 (기술적으로가 아니라면 철학적으로) 수학에 대해 상당히 무심해질 필요가 있을지도 모른다.

덧붙여, 우리 인간들이 찾을 수 있는 것은 물론이고, 모든 큰 문제들은 해답이 있다는 믿음을 정당화할 과학적 이유는 없다. 현재 입자물리학의 예측은, 불행히도 ‘신의 입자’라고 불리는 힉스입자의 발견에 의해 대단히 인정받고 있다.

거짓이지만 높이 평가된 로마과학에 기초하였음에도 불구하고, 고전적인 천동설의 프톨레마이오스 주전원(周轉圓 프톨레마이오스가 천구상에서 행성들의 역행과 순행을 설명하기 위해 만든 행성의 운동궤도)이, 천체의 위치를 얼마나 잘 예측할 수 있었는가 하는 것은 기억해볼 만한 가치가 있다. [The conversation]

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