딥 다운 씽즈 - 숨막히게 아름다운 입자물리학의 세계 -

'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, 확률·통계적 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. 

지은이 : 브루스 A. 슘
캘리포니아 대학교 산타크루즈 캠퍼스의 물리학과 교수이다.

옮긴이 : 황혁기

포스코 출연연 RIST의 머신 러닝 부문 수석연구원으로 데이터 과학자다. 본서에 무명으로 등장하는 CERN(유럽입자물리학연구소)의 연구자들 중 영국 공동연구단 소속의 1인이었으며 2020년 노벨 물리학상 수상자인 로저 펜로즈 교수의 지도로 수리물리학 석사 학위를 마쳤다. [천재: 리처드 파인만의 삶과 과학](승산), [기도합주회](공역, 부흥과 개혁사), [Mac OS X 비밀 매뉴얼](공역, 한빛미디어), [생생한 게임 개발에 꼭 필요한 기본 물리](한빛미디어)를 옮겨 펴냈다.

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

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