신의 입자 / 리언 레더먼

다섯 개의 렙톤과 여섯 개의 쿼크, 그리고 기본 보손인 광자와 W, Z입자, 글루온 등 매개입자들이 무더기로 발견되었으며, 남은 것은 물질의 미스터리를 후련하게 밝혀줄 힉스 보손뿐이었다.

 

 

 

1장 보이지 않는 축구공

과학의 피라미드 제일 아래층에는 수학이 있다. 수학이 다른 과학보다 우월하거나 강력해서가 아니라, 다른 과학에 의존하지 않고 독립적으로 존재하기 때문이다. 수학 바로 위에는 수학을 언어로 사용하는 물리학이 있고, 물리학 위에는 화학이 자리 잡고 있다. 화학자의 주된 관심사는 "원자는 어떻게 결합하여 분자가 되는가?" 분자들은 서로 가까이 접근했을 때 어떤식으로 거동하는가?

 

중요한 것은 방정식을 푸는 테크닉이 아니라, 방정식으로부터 우주의 행동방식을 읽어내는 능력이다.]

 

 

 

2장 최초의 입자물리학자

원자로 이루어진 물체는 새로 만들어지지도, 사라지지도 않는 겁니까? 그렇지 새로 만들어졌다는 느낌은 환각일 뿐일세.

 

우주에 존재하는 것은 원자와 빈 공간뿐, 그 외의 모든 것은 사견에 불과하다네.

 

6가지 쿼크와 6가지 렙톤으로 뭐든지 다 만들수 있다.

쿼크들 사이에는 강한핵력이 작용한다.

쿼크는 글루온이라는 매개입자를 통해서 다른 쿼크와 결합한다.

 

자연에는 게이지보손이라는 입자가 존재하는데, 이들의 임무는 힘과 관련된 정보를 입자A에서 입자B로, 그리고 다시 입자B에서 입자A로 전달되는 것입니다. 게이지보손은 힘전달입자, 또는 매개입자

 

하나의 양성자는 세 개의 쿼크로 이루어져 있다.

 

관측행위에는 주관성이 개입되어 있다.

 

인간의 감각기관은 원자로 이루어져 있고 이 원자는 물체를 이루는 원자들과 충돌하고 있기 때문에, 물체를 보질 그대로 느끼는 것은 불가능하다. 아무리 세심한 주의를 기울여도 무언가를 관측하는 행위는 관측대상을 교란시킬수 밖에 없다.

 

우주에는 어떤 목적을 부여하지 않았다.

 

 

 

막간 A: 두 도시 이야기

 

3장 원자를 찾아서: 역학

아리스토텔레스는 무거운 물체는 가벼운 물체보다 빠르게 떨어진다는 결론에 도달했다. 이제 진공펌프로 유리관 속의 공기를 모두 빼낸 후 똑같은 실험을 반복하면 어떻게 될까? 놀랍게도 동전과 깃털은 동시에 바닥에 떨어졌다.

 

갈릴레오는 자유낙하가 물체의 질량과 완전히 무관하다는 사실을 공개된 장소에서 실험으로 입증했다.

 

힘이 작용하지 않으면 물체는 똑같은 속도로 영원히 움직인다. 

 

뉴턴이 생각했던 세계는 모든 것이 이미 결정되어 있어서 예측이 가능한 세계였다. (결정론적 세계관)

 

자유의지는 자존심이 만들어 낸 허상에 불과하다.

 

지구만 사과를 아래로 당기는 게 아니라 사과도 지구를 위로 당기고 있다. 즉, 둘 사이에는 대칭이 존재한다. 

 

중력은 우주 어디에서나 똑같은 원리로 작용한다.

 

위로 향하는 모든 힘의 원천은 전기력이다.

 

 

 

 

 

4장 다시 원자를 찾아서: 화학자와 전기기술자

보일  - 기체의 부피가 기체에 가해진 압력에 반비례한다.

 

스피노자 - 이론만이 유일한 증명이며, 실험은 결과를 뒷받침하는 보조수단에 불과하다.

 

라부아지에 - 모든 물질이 고체, 기체, 액체상태에 놓일 수 있다는 것을 처음 간파

 

모든 물체는 어떤 형태로든 전기를 띠고 있다.

 

벤저민 프랭클린 - 전기의 두 종류(+, -)가 있다는 사실을 최초로 간파

전하는 한 물체에서 다른 물체로 이동할 수 있지만 어떤 경우에도 전체 전하량은 변하지 않는다.

 

쿨롱의 법칙 - 같은 부호 밀어내고, 다른 부호 잡아당긴다.

 

전기에서 중요한 것은 물질이 아니라 '장'이다.

 

 

 

 

5장 벌거벗은 원자

우주 공간의 온도는 영하 270.27도, 역시 추운 곳이다.

 

성공을 좌우하는 가장 중요한 요인은 운이다.

 

임의의 물체가 역학적으로 안정한 상태에 놓이려면 물체에 작용하는 힘이 모두 상쇄되어야 한다.

 

모든 조건은 완전히 똑같은데, 매번 다른 결과가 얻어진다. 이것이 바로 양자세계이다. 다른 것은 다 반복할 수 있어도 관측결과만은 그럴 수 없다.

양자역학을 수용한 물리학자들도 확률이 좋아서가 아니라, 다른 대안이 없었기 때문이다. 

양자역학이 불완전한 것은 이론상의 결함이 아니라 자연의 속성이 원래 그렇기 때문이다.

 

 

 

막간 B: 춤추는 무술사범들

 

 

 

6장 입자가속기: 입자가속기는 원자를 박살낸다……가 아닌가?

 

 

막간 C: 반전성이 위배되었던 주말, 우리는 신을 보았다.

 

 

7장 원자: 아토모스!

고전물리학의 세 가지 보존법칙

1) 에너지 보존법칙

2) 운동량 보존법칙

3) 각 운동량 보존법칙

 

쿼크 18종, 렙톤 6종, 매개입자 12종

 

 

8장 드디어, 신의 입자!

뉴트리노는 자전하고 있다. 스핀이란 입자 고유의 특성이며, 뉴트리노의 질량이 정말로 0이라면 변하지 않는 속도와 스핀이 결합하여 카이랄성이라는 새로운 특성을 부여한다. 일단 카이랄성이 주어지면 입자의 진행방향에 대한 스핀방향은 하나의 값으로 영원히 고정된다.

 

힉스장에서 얻은 에너지는 정지질량이다. 모든 정지징량은 힉스장으로부터 생성된다. 또 한가지 차이점은 힉스장으로부터 빨아들인 질량의 양이 입자마다 다르다는 것이다. 이론물리학자들은 표준모형에 등장하는 모든 입자의 질량이 입자와 힉스장 사이의 결합강도를 가늠하는 척도라고 말하기도 한다.

 

 

 

9장 내부공간과 외부공간, 그리고 시간 이전의 시간

멀리 있는 천체일수록 더욱 빠른 속도로 멀어지고 있다. - 허블의 법칙

 

과학으로 서술되는 세계는 간단히 말해서 목적 없고 의미도 없는 세계이다. 

한 개인을 죽음에서 구원할 수 없다.

만물의 궁극적 소멸을 부정하는 철학은 살아남기 어렵다.