강력의 탄생 / 김현철

 

 

들어가며

ㆍ'나는 쓰지 않을 수 없어서 쓴다.' - 마리아 릴케

 

ㆍ눈에 보이는 우주는 양성자와 중성자, 전자로 이뤄져 있다. 전자야 양성자보다 이천 배나 가벼우니 물질은 양성자와 중성자로 되어 있다고 해도 크게 틀린 말은 아니다. 

 

ㆍ핵 안에는 양성자와 중성자가 있다. 

 

ㆍ약력이 세상을 단순하게 정돈하는 힘이라면, 강력은 세상을 이룰 수 있게 하는 힘이다. 우리가 존재하는 이유도 결국은 강력이 있기 때문이다. 

 

ㆍ과학에서 놀라운 일은 종종 새로운 개념보다는 새로운 기술에서 나온다. - 프리먼 다이슨

 

1장 여정의 시작

ㆍ사건은 우연히 일어나곤 한다. 

 

ㆍ마리 퀴리와 피에르 퀴리, 부부는 노벨 물리학상을 함께 받았다. 그리고 상을 받은 지 얼마 지나지 않아 피에르는 사고로 목숨을 잃었고(짐을 가득 실은 마차의 뒷바퀴에 머리가 깔렸다), 마리는 그의 뒤를 이어 소르본 대학의 교수가 되었다. 여자가 소르본의 교수가 된 것은 마리 퀴리가 처음이었다. 마리 퀴리는 이후에 다시 노벨 화학상을 받았다. 여성으로는 노벨상을 가장 먼저 받았고, 과학자 중에는 최초로 노벨상을 두 번 수상했다. 그리고 방사선에 너무 많이 노출돼 병을 얻어 세상을 떠났다. 

 

ㆍ마리는 우선 U-선이 나오는 우라늄부터 살폈다. 그리고 그녀는 우라늄에 관해 무척 중요한 사실 하나를 알아냈다. 우라늄염은 우라늄이 어떤 원소와 결합하느냐에 따라 화학적 성질과 물리적 특성이 무척 달랐다. 그런데 U-선의 세기는 오직 우라늄이 해당 물질에 얼마나 많이 들어 있는지에만 의존했다. 이 사실은 우라늄에서 나오는 U-선은 오직 우라늄과 관련이 있지, 우라늄의 물리적 또는 화학적 성질과 상관이 없다는 것을 의미했다. 이 발견은 매우 중요했다. U-선은 우라늄이 들어 있는 화합물의 특성이 아니라 우라늄 원자와 관련된 현상이었던 것이다. 베크렐은 단지 U-선의 존재를 발견했을 뿐이지만, 마리는 U-선의 의미를 꿰뚫어 봤다.

 

ㆍ라듐 Radium, 라틴어로 광선을 뜻했다. 엄청난 광사선을 뿜어내는 모습에 딱 어울리는 모습이었다. 

 

ㆍ라듐이 인기를 관심을 끌자 이를 이용해서 돈을 벌겠다는 사람들이 나타났다. 푸른빛을 내는 라듐을 파티에 입는 드레스에 발라 화려하게 장식하기도 하고, 시곗 바늘에 라듐을 칠해 밤에도 잘 볼 수 있도록 장식하기도 했다. 시곗바늘에 라듐을 바르는 일은 주로 여자들이 했는데, 이는 훗날 비극을 불러왔다. 시곗바늘에 라듐을 칠하려면 끝이 뾰족하고 작은 붓을 써야 하는데, 공장에서 일하는 여자들은 붓을 입에 살짝 넣어 입술로 가볍게 빨아 똑바로 세웠다. 직공들은 라듐에서 나오는 방사선에 오랜 기간 엄청나게 노출되었다. 입술은 마르고 갈라져 피가 났고, 턱은 서서히 녹아내렸다. 얼굴의 피부와 뼈에 암까지 생겼다. 

 

ㆍ라듐을 넣은 음료도 나왔다. 이 음료를 매일 마시면 건강에 좋다는 문구와 함께, 그걸 차에 타서 마시기도 했고, 라듐 치약에 라듐을 넣은 헤어토닉도 나왔다. 하지만 강한 방사선을 내는 라듐에 오래 노출되는 것이 몸에 좋을 리가 없었다. 

 

ㆍ라듐 1그램에서 1초에 나오는 방사선량을 기준 - 피에르 퀴리의 이름을 기념하여 '퀴리(curie, Ci)'라고 지었다.

 

 

 

 

2장 원자 속으로

ㆍ러더퍼드는 첫 번째 방사선을 알파선이라고 불렀고, 두 번째 방사선은 베타선이라고 불렀다. 알파선은 러더퍼드가 두고두고 실험에 이용하게 될 헬륨 원자의 핵이었다. 

 

ㆍ러더퍼드가 우라늄에서 나오는 방사선에 알파선과 베타선이 있다는 것을 1898년에 처음 발견했다. 

 

 

 

3장 물리학자, 하늘을 보다

ㆍ과학계는 보수적이다. 이론은 아무리 수학적으로 아름다워도 실험 결과를 설명할 수 있어야 하고, 실험은 재현 가능해야만 했다. 

 

ㆍ뉴턴은 <프린키피아>를 남겼지만, 빛을 연구하여 <광학>이라는 책도 썼다. 이 책에서 그는 빛은 입자라고 단언했다. 뉴턴과 동시대를 살았던 네덜란드의 과학자 크리스티안 하위헌스는 빛의 간섭과 회절을 설명하려면 빛은 파동이어야 한다고 확신했다. 그의 확신은 옳았지만, 하위헌스의 주장은 뉴턴의 명성에 가려져 사람들이 빛을 제대로 이해하려면 100년의 세월을 더 기다려야만 했다. 

 

4장 안개 상자

ㆍ과학자는 여러 실험 중에서 가장 긴급한 실험을 가능한 가장 간단한 장비로 해야 한다. 

 

ㆍ지구로 들어오는 우주선에는 양전하를 띤 입자가 많다. 

 

ㆍ우주에서 지구로 쏟아져 들어오는 우주선은 곧 사람들에게 그전에는 상상할 수 없었던 세계를 보여주었다. 미국의 한 젊은 과학자는 우주선을 관찰하다가 지금까지 본 적이 없는 입자를 발견했다. 그건 태초에 물질이 탄생할 때 함께 생겨났던 반물질의 존재를 암시하는 입자였다. 그 새로운 입자가 발견되기 전, 그걸 먼저 예언한 사람이 있었다. 그의 이름은 폴 디랙이었다. 

 

5장 디랙의 바다

ㆍ과학의 목표는 어려운 일을 더 간단하게 이해하는 것이다. 반면에 시의 목적은 단순한 것을 이해할 수 없는 방식으로 표현하는 것이다. 이 둘은 서로 양립할 수 없다. - 폴 디랙

 

ㆍ빛은 중력장에서 휘었다. 

 

ㆍ소화의 원리를 모른다고 저녁 식사를 할 수 없는 건 아니다. 

 

 

 

6장 기적의 해

ㆍ양자역학은 유럽에서 가장 고통 받던 독일에서 태어났다. 약자역학을 이끈 사람들은 젊디젊은 독일의 물리학자들이었다. 

 

ㆍ처음에는 아무 전하도 없는데, 양전자만 달랑 생겨날 수는 없는 법이다. 처음이나 나중이나 전하는 늘 같아야 한다. 아무것도 없는 데서 양전자가 생겼다면, 전하가 반대인 전자도 반드시 생겨나야 했다. 전자와 양전자가 같이 생겨나는 현상인 쌍생성은 디랙 자신이 세운 바다 이론에서 이미 설명했다. 그러니까 채드윅, 블래킷, 오키알리니는 디랙의 바다에서 튀어 올라 뭍으로 나온 전자와 그 빈자리에 남은 양전자를 동시에 본 것이었다. 전자가 떠나면서 남은 자리, 그게 양전자였다. 앤더슨이 관찰했던, 납판을 통과해 위로 올라와 자기장에 의해 휘던 입자는 쌍생성으로 생겨난 양전자였다.

ㆍ디랙이 자신의 방정식에서 나오는 이상한 해를 변명하려고 고안한 ‘디랙의 바다’는 옳았다. 정말로 아무것도 없는 곳에서, 아니 좀 더 정확하게 말하면, 전자의 질량보다 에너지가 두 배 이상인 감마선이 물질을 통과하면, 그 에너지가 입자로 바뀌면서 전자와 양전자가 생겨난다. 디랙이 예언한 그대로였다. 이것은 인류 역사상 처음으로 이론으로 먼저 입자의 존재를 예측하고, 실험으로 그 존재를 확인한 사건이었다.

 

ㆍ양자역학을 세상에 내놓은 사람들은 이론물리학자였지만, 양자역학이 미시적인 세상을 설명하는 이론이라는 것을 보인 사람들은 실험물리학자였다. 

 

ㆍ양전자는 우주선에서 발견됐지만, 중성자는 자연방사선을 이용해 발견한 입자였다. 양성자와 중성자가 발견되면서 물리학의 발전은 새로운 전기를 맞이하게 된다. 

7장 중성자의 발견

ㆍ이제 과학자들의 손에 네 개의 입자가 들어왔다. 양성자, 전자, 양전자, 중성자.
중성자는 핵 안에서만 자기 모습을 유지할 수 있는데, 핵에서 나오면 기껏해야 15분 남짓 살 수 있다. 하지만 중성자는 양성자와 더불어 핵을 이루고, 물질을 구성하고, 우리 몸과 우주를 만든다. 중성자는 제임스 채드윅이 발견했다. 

 

ㆍ채드윅이 중성자를 발견한 1932년은 핵물리학이라는 학문이 시작된 해라고 할 수 있다. 말하자면, 중성자의 발견은 핵물학을 기원전과 기원후로 나누는 것과 다름없었다. 러더퍼드가 문을 연 핵물리학은 채드윅 덕분에 동력을 얻었다. 중성자는 질량은 양성자와 같지만 전하가 없으니, 핵 주위를 돌고 있는 전자의 영향을 거의 받지 않았고, 핵의 전기적 장벽이 진로를 가로막지도 않았다. 이런 놀라운 투과력은 핵을 조사하는 새로운 도구가 될 수 있었다. 핵물리학은 이제 막 싹트기 시작한 학문이었다. 핵은 오직 두 가지, 양성자와 중성자만으로 이루어져 있다. 그러나 양성자와 중성자가 어떻게 핵을 이루는지, 중성자는 도대체 무엇인지, 오히려 답해야 할 질문이 한층 늘어난 셈이었다.

 

ㆍ원자량이 주기율표에 들어가는 원자번호를 결정하는 게 아니라 그 원자핵의 전하가 결정한다. 원자핵의 전하가 원자가 주기율표에서 자기 자리를 정하는 데 꼭 필요한 번호표였던 셈이다. 

 

ㆍ주기율표에서 원소가 배치되는 기준은 원자량이 아니라 원자핵의 전하수가 결정하는 것이다. 

 

8장 강력을 찾아서

ㆍ과학자들이 신주 모시듯 떠받드는 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙에 어긋나는 것이었다. 제3의 힘은 존재하는 가? 첫 번째 답은 페르미가 발견했다. 그가 찾은 것은 약력이었다. 그러나 핵 안에 양성자와 중성자가 갇혀 있는 이유는 여전히 아무도 몰랐다. 약력 말고 또 다른 힘이 필요했다, 제4의 힘이.

 

ㆍ네 번째 힘, 강력에 대한 답은 무명의 동양인 물리학자에게서 나왔다. 그의 이름은 유카와 히데키였다. 그는 강력을 발견한 공로로 일본인 최초로 노벨 물리학상을 받았다. 일본 물리학의 수준은 단번에 유럽 수준으로 올라섰다. 그 뒤에는 비밀이 하나 있었다. 일본 현대물리학의 아버지라고 일컫는 니시나 요시오라는 존재였다. 강력의 탄생은 유카와에서 시작했지만, 유카와는 니시나로부터 말미암았다고 해도 과언이 아닐 만큼 니시나는 일본 현대물리학의 문을 연 사람이었다. 

일본 현대 물리학의 아버지, 니시나 요시오

ㆍ'무엇 무엇이 되자'고 하는 사람은 많지만, '무엇 무엇을 하자'고 하는 사람은 드물다. 

 

ㆍ닐스보어 연구소에는 ‘코펜하겐 정신’이라는 것이 있었다. 물리학에 관해서는 유명한 교수든 공부를 막 시작한 대학원생이든 그 누구라도 보어를 비롯한 연구소의 모든 사람과 자유롭게 토론할 수 있었다. 1925년 괴팅겐에서 시작된 양자역학 혁명은 코펜하겐에 이르러 완성되었다. 양자역학의 근간이 되는 코펜하겐 해석은 이곳 닐스보어 연구소에서 나왔다.

 

ㆍ보어는 니시나의 실질적인 지도교수이자 인생의 모범이었다. 니시나는 일본으로 돌아가 약자역학을 가르칠 때, 보어가 보여준 모습 그대로 젊은이들을 대했다. 학문이 발전하려면 쓸데없는 권위는 등 뒤로 던져 버려야 한다. 물리학이 발전하려면 무엇보다 서로 자유롭게 이야기할 수 있어야 한다. 그것은 니시나가 닐스보어 연구소에서 깨달은 원리였다. 물리학이 발전하는 데 가장 중요한 토대, 그것은 자유로운 토론이었다. 

 

9장 강력의 탄생

ㆍ양자역학이 세상에 나오면서 물리학은 폭주하는 기관차처럼 내달렸다. 

 

ㆍ양자역학은 그렇게 고전물리학에 영원한 이별을 고했다.

 

ㆍ하이젠베르크는 수소 원자가 서로를 끌어당겨 수소 분자를 형성 한다는 발터 하이틀러와 프리츠 론돈의 이론을 떠올렸다. 그 이론에서 중요한 것은 전자기력이 아니라 양성자의 스핀과 파울리의 배타 원리였다. 이 두 가지 때문에 양성자와 양성자가 서로 위치를 바꿀 때마다 파동함수의 부호가 바뀌었다. 양자역학적인 이 특성이 수소 원자 두 개가 어떻게 수소 분자를 이루는지 설명하는 데 결정적이었다. 하이틀러와 론돈은 이 힘을 ‘교환 힘(exchange interaction)’이라고 불렀다. 하이젠베르크는 양성자와 중성자 사이에도 이런 교환 힘이 있을 거라고 생각했다.

 

ㆍ마요라나에게 중요한 건 단순함이었다. 그에게 단순함이란 고르디우스의 매듭을 끊은 알렉산드로스의 검이었고, 오캄의 면도날이었다. 하이젠베르크가 제 안한 힘이 난삽하다고 여긴 그는 중성자와 양성자 사이의 힘은 둘의 위치가 바뀌어도 그대로 있지만, 스핀이 바뀔 때는 달라진다고 주장했다. 이 힘을 ‘마요라나의 교환 힘’이라고 부른다. 양성자와 중성자의 스핀 방향이 반대면 서로 끌어당기고 같으면 밀친다는 것이다. 하지만 마요라나도 하이젠베르크처럼, 중성자 사이에는 서로 힘이 작용하지 않고, 양성자 사이에는 전하가 같아서 생기는 척력밖에 없다고 여겼다. 마요라나는 이 아이디어를 이용해 헬륨에 있는 양성자와 중성자는 단단히 묶여있는데, 양성자 하나와 중성자 하나로 된 중양자에는 그 둘이 왜 느슨하게 묶여있는지 잘 설명할 수 있었다. 그러나 마요라나의 힘도 원천적으로 강력이 무엇인지는 설명하지 못했다.

ㆍ유카와도 마찬가지였다. 그는 한 걸음 더 들어갔다. 전하를 띤 입자는 광자를 주고받으며 힘을 전달한다는 양자전기역학 이론을 도입해 하이젠베르크의 모형을 확장했다. 유카와는 중성자와 양성자 사이의 힘은 전자가 매개한다고 가정하고 모형을 세웠다. 이 둘 사이의 힘은 전자의 질량에 따라 거리가 커지면 급격하게 줄어들었다. 유카와가 양성자와 중성자 사이의 힘이 전자에 의해 매개된다고 생각한 데는 그럴 만한 이유가 있었다. 그는 핵력과 베타 붕괴를 동시에 설명할 방법을 찾고 있었다. 그때만 해도 물리학자들이 약력과 강력을 구분하지 못할 때였지만, 유카와의 이 생각은 대담하기 그지없었다.

10장 혼돈을 헤치고

ㆍ당신의 이론이 실험과 맞지 않는다면, 그건 그냥 틀린 것이다. - 리처드 파인만

 

ㆍ핵자들 사이에 힘을 매개하는 메존은 질량은 같고, 전하는 음과 양, 중성의 세 종류가 있다고 말할 수 있게 되었다. 

 

11장 예언의 적중

ㆍ과학의 모든 도구는 자연에 대한 창문입니다. 새로운 창문 하나하나는 우리의 시야를 넓혀주었습니다. 입자를 검출하는 원자핵 건판의 고유한 특징 덕분에 다른 방법으로는 찾아낼 수 없었던 물질의 순간적인 형태가 존재한다는 것을 발견할 수 있었습니다. 

 

ㆍ과학에서 혁명은 종종 자연을 관찰하는 새로운 도구가 발명되면서 비롯된다. - 프리먼 다이슨 

 

ㆍ유카와가 발견한 파이온은 유카와가 오랫동안 애타게 기다리던 입자였다. 핵자들 사이의 힘을 매개하는 입자, 그 입자가 바로 파이온이었다. 앤더슨과 네더마이어가 발견한 것은, 유키와의 입자가 아니라 파월이 발견한 첫 번째 메존인 메조트론, 그러니까 뮤온이었다. 뮤온은 메존이 아니라 전자와 형제 격인 렙톤이었다. 

 

ㆍ자연에 존재하는 네 개의 힘을 다 찾아낸 셈이었다. 뉴턴에서 시작해 아인슈타인이 완벽하게 설명한 중력과, 패러데이와 맥스웰을 거쳐 양자전기역학까지 나아간 전자기력에, 페르미가 양자장론을 이용해 설명한 베타 붕괴 이론은 약력이라는 새로운 힘을 더했다. 마지막으로 유카와가 강력을 설명하며 예언한 파이온이 발견되면서 물리학을 받치고 있는 네 개의 기둥을 모두 찾아냈다. 이로써 현대물리학의 기틀이 마련되었다. 

 

ㆍ파이온은 약력에 의해 붕괴하지만, 전기적으로 중성인 파이온은 그렇지 않았다. 중성인 파이온은 광자 두 개로 붕괴했다. 이 말은 전하가 없는 파이온은 전자기력에 의해 붕괴한다는 걸 의미했다. 전자기력은 약력보다 강한 힘이다. 상호작용의 크기가 클수록 입자는 더 빨리 붕괴한다. 전하가 없는 파이온은 전하가 있는 파이온보다 훨씬 더 빨리 붕괴했다. 

 

ㆍ파이온은 핵자와 강하게 작용하는 입자다. 이렇게 강하게 상호작용하는 입자를 통틀어 강입자라고 부른다.