기본입자와 쿼크이론 <上>

 

      자료 출처 ; 프레시안 ; 최무영의 '과학이야기'

 

 

 

                입자와 반대입자

 

 

기본입자와 쿼크 이론
  
  지난 시간에 기본입자에 대한 얘기를 조금 하다가 말았지요. 중요한 건 이른바 대칭성이라는 개념이 자연을 해석하는 데 핵심적인 요소라는 지적입니다. 자연을 어떻게 이해하고 해석할지의 문제에서 가장 핵심적인 개념이 대칭성이라고 생각하고 있습니다. 현재 우리가 가지고 있는 과학 이론에 의하면 그렇습니다. 대칭성에 대해서는 앞의 서론에서 여러 가지 맥락으로 소개했지요.
  
  입자와 반대입자
  
  원자의 구조에 대해서 러더포드의 실험을 통해 전자와 가운데 원자핵으로 이뤄지고, 원자핵은 그 안에 (+)전기를 띤 양성자와 전기를 띠지 않은 중성자로 이루어 졌다는 것을 알았습니다. 그런데 흥미로운 사실은 전자가 (-)전기를 띠고 있고 양성자가 (+)전기를 띠고 있는데, 이 둘 사이에는 대칭성이 없습니다. 전기를 보면 (-)전기와 (+)전기니까 대칭이 있지만 전자보다 양성자가 훨씬 무겁습니다. 양성자 질량이 전자의 무려 1836배나 되지요. 그러니까 둘 사이에 대칭이 없다는 겁니다. 그래서 "이건 뭔가 이상하다, 자연을 해석하는 데 중요한 개념인 대칭이 없을 수 없다, 아마도 있는데 못 찾아내서 그런 것이다"라고 생각했습니다.
  
  나중에 드디어 대칭을 찾아냈습니다. 이른바 '반입자'입니다. 여기서 '반(反)'이라는 게 반쪽이라는 뜻이 아니라 반대라는 뜻입니다. 그러니 반대입자(anti-particle)라고 부르는 것이 좋겠네요. 보통 전자니 양성자니 따위가 입자라면 그것에 대칭이 되는 어떤 상대가 있고 이것이 바로 반대입자라는 거지요.
  
  전자의 경우에 그 반대입자는 전자와 모든 성질이 다 같은데 단 하나, 전기만 음전기 대신에 양전기를 띠고 있습니다. 이를 양전자(positron)라고 부르는데 1928년 디랙(Paul A.M. Dirac)에 의해 이론적으로 예견되었고 몇 해 지나서 앤더슨(Carl D. Anderson)에 의해 발견되었지요. 양전자는 전기로만 따지면 양성자와 똑같지만 질량은 전자와 같으므로 양성자의 1836분의 1밖에 되지 않습니다.
  
  마찬가지로 양성자와 반대로 (-)전기를 띠면서 질량 등의 성질은 같은 반대입자도 있겠죠. 음성자라고 하면 좀 이상하니까 음양성자 또는 반대양성자(anti-proton)라고 부릅니다. 또한 원자핵의 구성원에는 양성자뿐 아니라 전기를 띠지 않은 중성자도 있다고 했지요. 중성자의 반대입자도 있습니다. 흔히 반중성자라고 부르는데 반쪽이라는 뜻으로 오해하기 쉬우니 반대중성자(anti-neutron)라고 하는 편이 낫겠네요.
  
  이밖에도 이러한 반대입자들이 많이 알려졌습니다. 실험을 통해서 여러 입자들에 각각 대응하는 반대입자들을 찾아내었고, 결국 대칭성이 완벽하게 존재한다는 사실을 알게 되었습니다. 일반적으로 기호로 표시할 때 반대입자는 입자의 기호 위에 막대기를 붙여서 나타냅니다. 예컨대 양성자를 라 하면 반대양성자는 로 나타내지요. 단지 전자와 양전자는 전기의 부호를 강조하기 위해 보통 e- 와 e+로 나타냅니다.
  
  지난 시간에 빛에 대해서 얘기했는데 빛도 입자의 성질을 가지고 있고 그것을 강조하기 위해 빛알이라는 표현을 썼습니다. 부호로는 그리스 문자 로 표시합니다. 빛알도 역시 반대입자가 있다고 생각할 수 있는데 흥미롭게도 입자와 반대입자가 서로 같습니다. 그러니 식으로 라고 나타내지요. 빛알은 스스로 입자면서 반대입자인 셈이니 좀 특이합니다.
  
  그런데 우리 주위에는 사실상 입자들만 있고 반대입자는 없습니다. 우리 몸을 구성하는 것도 물론 입자들입니다. 주로 흰자질을 비롯한 분자들인데, 분자들도 결국은 탄소, 수소, 질소 같은 것으로 구성돼 있고, 이러한 원자들은 모두 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있습니다. 우리가 알고 있는 모든 물질은 전자, 양성자, 중성자로 이루어져 있고, 양전자나 음양성자, 반대중성자로 이뤄진 물질은 없습니다.
  
  이에 관해서 입자와 반대입자를 짝으로 만들고 짝으로 없앤다는 이른바 짝만듬(pair creation)과 짝없앰(pair annihilation)이라는 흥미로운 현상이 있습니다. 어떤 입자가 그에 대응하는 반대입자와 만나게 되면 둘이 서로 사이좋게 지내지 못하고 없어져 버립니다. 같이 없어져 버리고 대신에 일반적으로 빛알이 생깁니다. 이것의 반대가 일어날 수도 있습니다. 빛알이 없어지면서 입자와 반대입자의 짝이 생길 수도 있습니다. 식으로 나타내면 전자와 양전자가 만나서 같이 없어지면서 빛이 생기는 짝없앰 현상을 와 같이 씁니다. 여기서 보듯이 빛알이 하나가 아니라 일반적으로 둘이 생깁니다. 물리를 조금 배운 학생 같으면 이럴 때 지켜져야 되는 몇 가지 규칙들, 이른바 법칙이라고 부르는 것을 알고 있을 겁니다. 에너지 보존이나 운동량 보존 같은 것 들어 봤죠? 그런 법칙을 만족해야 하는데 그러려면 하나가 생길 수 없고 반드시 둘이 생겨야 합니다. 아무튼 입자와 반대입자는 만나면 사라져버리므로 같이 있을 수 없지요. 우리가 사는 지구에는 입자만 있으니 다행이지요.
  
  사실 반대입자를 가지고서도 입자와 마찬가지로 물질을 만들 수 있습니다. 모든 원자는 가운데 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 있고 주위에 전자가 있다고 했지요. 가장 간단한 수소의 경우에 원자핵은 양성자 하나로 이뤄져 있습니다. 그 양성자 주위에 전자가 하나 있는 거지요. 이걸 뒤집어서 가운데 반대양성자가 하나 있고, 주위에 반대전자, 곧 양전자가 하나 있는 이른바 반대수소(anti-hydrogen)가 있을 수 있습니다. 일반적으로 반대양성자와 반대중성자로 반대원자핵을 구성하고 주위에 양전자가 있다면 반대원자가 되지요. 이들이 모여서 반대분자, 그리고 반대물질(anti-matter)을 만들 수 있고, 예를 들어 반대산소(anti-oxygen)나 반대단백질(anti-protein)따위도 있을 수 있겠네요.
  
  그러면 그런 걸로 사람을 만들 수도 있을 거 아니에요? 반대인간(anti-human)이 생기겠네요. 훗날 지구를 방문하는 외계인이 어쩌면 반대인간일지도 모릅니다. 반대물질로 이루어진 반대생명체인 외계인이 악수를 청할 때 악수하면 큰일 납니다. 순식간에 같이 소멸하고 빛으로 바뀔 겁니다. 반대생명체라면 절대 악수하면 안 되는데, 생명체인지 반대생명체인지 어떻게 구분할 수 있을까요? 방법이 있습니다. 악수해도 될지 판단할 수 있는데 다음 강의에서 이야기하지요.
  
  거꾸로 빛이 없어지고 물질이 생겨날 수 있습니다. 기독교 구약성서의 창세기를 보면 "태초에 빛이 있었다"고 하는데 빛이 있으면 물질이 생길 수 있고 따라서 우주가 만들어질 수 있는 거죠. 원리적으로는.
  
  중간자와 중성미자
  
  그런데 빛알의 진정한 역할은 전자기력을 서로 전해주는 겁니다. 양전기와 음전기가 서로 당기지요. 이는 둘 사이에 전기력이라는 힘이 작용하기 때문인데 서로 빛알을 주고받아서 생깁니다. 빛알이 이러한 힘이 작용할 수 있도록 전해주는 역할을 하는 거지요.
  
  자연에 존재하는 힘이 전자기력 말고도 다른 몇 가지가 더 있습니다. 앞에서 언급했지만 강력(강한 힘; strong force)이라 부르는 게 있습니다. 워낙 강하기 때문에 강한 힘이라고 부르고 핵의 힘이라는 의미로 핵력(nuclear force)이라고도 부릅니다. 양성자와 중성자가 모여 있는 것이 원자핵인데, 그들은 서로 아주 세게 결합하고 있습니다. 따라서 핵을 쪼개는 것이 쉽지 않지요, 매우 강한 힘이 붙들어 매고 있기 때문에. 더욱이나 놀라운 것은 양성자는 모두 (+)전기를 띠고 있으니 전기력에 의해 서로 강하게 밀 텐데, 뭔가 더 강한 끌힘에 의해 단단히 붙어있다고 생각할 수 있습니다. 원자핵을 구성하는 알갱이, 곧 양성자와 중성자를 핵알(핵자; nucleon)이라고 부릅니다. 원자핵 안에서 핵알 사이에 작용해서 그들을 꽉 잡아매놓고 있는 힘이 있는 겁니다. 그 힘이 매우 강하다는 것을 짐작할 수 있습니다. 적어도 전자기력보다는 훨씬 세어야 하지요. 일반적으로 아무 힘이나 강한 것을 가리키는 것 같아서 혼동할 수 있겠지만 이를 강한 힘 또는 강상호작용(strong interaction)이라고 합니다. 힘은 서로 상호작용 하는 거니까요. 이러한 강상호작용은 워낙 강하기 때문에 엄청난 에너지와 결부되어 있습니다. 이렇게 강하게 붙어있는 걸 흩트리고 다시 모이게 하면 거기서 엄청난 에너지가 나올 수 있지요. 이것이 바로 핵에너지입니다.
  

▲ 일본 최초의 노벨상 수상자인 유카와 히데키(湯川秀樹; 1907-1981)

  그런데 전자기힘이 빛알에 의해서 전해지는 것처럼 이런 핵력, 강한 힘도 뭔가 전해주는 알갱이가 있을 거라 짐작할 수 있습니다. 이러한 알갱이를 중간자(meson)라 부르는데 이를 처음으로 생각한 사람이 일본의 유카와 히데키(Hideki Yukawa)지요. 1935년에 이론적으로 예측했는데 10여년 후에 실험적으로 검증이 되어서 일본 최초로 노벨상을 받았습니다. 1949년의 일입니다. 우리나라와는 너무 차이가 나네요. 일본은 이미 제2차 세계대전 시기에 자연과학 연구가 세계 수준으로 올라가 있었습니다. 우리는 왜 이렇게 뒤떨어졌을까요?
  
  요새 언론 등에서 "한국이 일본의 식민지였던 것이 축복이었다"는 터무니없는 주장이 버젓이 나옵니다. 참으로 놀랍고도 슬픈 현실이지요. 우리나라가 왜 일본보다 훨씬 뒤떨어지게 되었는지 생각해 봅시다. 식민지 시대에 물리학만 보더라도 일본 사람들은 이미 유카와뿐만 아니라 또 다른 노벨상 수상자인 토모나가(Tomonaga Sin-Itiro) 등에서 볼 수 있듯이 세계 수준의 연구가 이루어지고 있었습니다. 그것은 이미 일본에 물리학자들의 수가 상당히 많았다는 것입니다.
  
  그런데 해방이 될 때까지 조선인으로서 물리학으로 박사학위를 받은 분이 내가 알기로 한 사람뿐이었습니다. 내가 모를 수 있겠으나 물리학을 제대로 공부한 분이 많아야 서넛을 넘지 않을 겁니다. 일본은 이미 수백, 수천 명의 물리학자가 있었는데 우리는 단 한사람이었다는 거지요. 왜냐하면 조선인들에게는 높은 수준의 고등교육을 받을 기회를 주지 않았기 때문입니다. 이러한 차별로부터 시작해서 현재의 엄청난 차이가 생긴 겁니다.
  
  여러분이 다니고 있는 서울대학교의 전신이 뭐죠? 일본의 조선총독부가 세운 경성제국대학입니다. 이름에 드러나듯이 제국주의의 역할을 수행하기 위해 만든 것입니다. 일본에는 제국대학을 여러 개 만들었습니다. 토쿄 제국대학을 비롯해서 쿄토, 토호쿠 등 여러 개를 만들고 조선에는 경성제국대학 하나를 만들었습니다. 경성제국대학은 조선인도 다녔고 일본인도 다녔는데, 그 역할은 기본적으로 식민지의 하급관료 양성기관이었다고 합니다. 진정한 의미에서 학문을 탐구하고 수준 높은 교육을 시키는 게 아니었고, 말하자면 물리학을 공부하더라도 박사급 수준의 연구와 교육을 제공하는 게 전혀 아니었습니다. 이러한 식민지 교육은 지극히 파행적인 교육이었고, 바람직한 발전을 할 수 없게 했습니다.
  
  해방이 되어서는 경성제국대학을 이어받아서 이른바 '국립' 서울대학교를 만들었는데, 이번에는 미군정이 설립자입니다. 이러한 과정에서 격렬한 소용돌이가 있었고 많은 사람들이 학교를 떠나야 했습니다. 친미로 겉모습을 바꾼 친일 세력이 주로 남았다고 하지요. 이렇게 해서 세워진 서울대학교의 초대 총장이 누군지 아는 사람 있어요? 당시 미국 해군의 대위였습니다. 서울대학교의 위상이 미군 대위 수준으로 만들어진 거죠. 중구난방으로 이것저것 마구 모아서 급조한 연립대학으로서 짜임 면에서는 경성제국대학보다도 후퇴했다고 할 수 있습니다. 이것이 오늘날까지 철학의 빈곤 속에 백화점식으로 잡다하게 나열된 편제로 이어지고 있지요. 중고등학교 교육을 파행으로 몰아가는 데 일조하고 있는 현재 상황과도 무관하지 않다고 생각합니다. 이렇게 첫 단추를 잘못 끼우게 되면 뒤늦게 바로잡기는 매우 어려워집니다. 두고두고 지금까지도 해를 끼치게 되지요. 아무튼 부끄러운 우리의 자화상이 아닐 수 없습니다.
  
  제대로 된 의미에서 근대화가 늦어지고 어쩌면 거의 불가능해진 것이 식민지에서 기인했는데 그걸 거꾸로 식민지가 근대화를 촉진했다고 주장하는 것은, 글쎄요, 어떻게 판단해야 될지 모르겠네요. 아마도 친일이 친미로 이어지면서 정치, 경제, 문화, 교육 등 우리 사회 모든 분야에서 기득권층을 형성하고 대를 이어가며 주도권을 쥐고 있기 때문이 아닌가 생각이 듭니다. 근대화란 무엇인지, 개발은 우리에게 무슨 의미를 주는지 정확히 성찰할 필요가 있습니다. 우리가 자연과학을 공부하고 있지만, 자연과학의 의미부터 완전히 오도하고 왜곡하고 있는 겁니다.
  
  내가 보기에 우리나라와 일본은 아직 격차가 큽니다. 물리학을 보더라도 출발이 일본보다 50년은 뒤졌는데, 지금도 물리학 인력이 일본보다 훨씬 적습니다. 정확한 통계는 모르겠으나 반도 안 되고 아마 5분의 1 정도가 아닐지 모르겠습니다. 미국에 비하면 수십 분의 1밖에 안됩니다. 개인과 개인의 비교는 우리가 일본이나 미국보다 뒤떨어지지 않으나 전체 집단을 보면 비교가 안 됩니다. 그럼에도 서울대학교 평가에서 비교적 세계 수준에 근접해 있다고 평가된 전공 중 하나가 물리학이라니 다른 부분은 더 처져 있다는 겁니다. 참 유감스럽고 안타까운 일이지요.
  
  중간자 얘기를 하다가 이상하게 흘렀네요. 중간자에는 π+, π-, π0 의 세 가지 종류가 있습니다. 이를 파이중간자 또는 파이온(pion)이라 부르는데 π+는 양전기를 띠고, π-는 음전기, 그리고 π0는 전기를 지니지 않았지요. 이 중에 π+와 π-가 서로 입자와 반입자의 짝입니다. 그리고 π0는 빛알처럼 자신이 자신의 반대입자이지요.
  
  그런데 중성자가 핵 안에 있을 때, 곧 핵을 구성하고 있을 때는 보통 안정돼 있지만 불안정한 핵에서나 바깥으로 나오면 잘 깨지고, 그 결과 양성자와 전자가 하나씩 나옵니다. 혹시 고등학교 때 물리를 배운 학생은 베타붕괴(β-decay)라는 것을 기억해요? 베타붕괴란 방사성 원소의 불안정한 핵에서 중성자가 하나 깨지면서 양성자로 바뀌고, 생겨난 전자는 핵 안에 있을 수 없으니까 바깥으로 튀어나오는 겁니다. 이게 바로 베타선지요.
  
  그런데 흥미롭게도 이것으로는 뭔가 부족하다는 것을 알게 됐습니다. 대칭성을 고려하면 뭔가 더 있어야 한다는 거지요. 대칭성이 없다면 상관없겠지만요. 일반적으로 자연은 분명히 대칭성을 품고 있고, 엄밀하게 말하면 자연을 해석할 때는 대칭성을 전제하는 게 타당하다고 생각하지요. 그래서 여기에도 대칭성이 반드시 있다고 우기면, 뭔가 더 있어야 한다는 결론입니다. 뭔지 몰랐는데 나중에 찾았습니다. 무엇인가 있다는 걸 실험적으로 검증했는데 극히 작고 전기도 띠고 있지 않아서 찾기 매우 어려운 알갱이입니다. 중성이고 워낙 작기 때문에 중성미자(neutrino)라고 부릅니다. 기호로는 그리스 문자 로 쓰고, 그 반대입자인 반대중성미자는 로 나타내지요. 그래서 중성자가 깨지는 반응은 로 씁니다.
  
  여기서 '미'는 작을 '미(微)' 자인데 장난스럽게 아름다울 '미(美)' 자를 쓰기도 합니다. 그러면 '미자(美子)'가 되는데, 혹시 이런 이름 들어봤어요? 이는 일본의 여자 이름으로 '미치코'라고 읽는다고 합니다. 우리나라에도 옛날에 이런 이름 많았습니다. 식민지 시대 때 일본식 이름 짓기를 강요해서 이렇게 많이 지었고, 나이 드신 분들에 아직 남아있어요. 하여튼 미자는 좋은데 앞에 중성이 붙어서 이상하게 되었다고 하지요.

 

최무영/서울대 교수