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입자이론의 역사 : 다윈과 셰익스피어 사이에서
폴 프램튼, 최기영 ㅣ 동아시아 ㅣ History of Particle Theory
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2022년 01월 28일
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316page/153*224*21/468g
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9788962624144/8962624141
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  • 데모크리토스에서부터 입자가속기, 그리고 미지의 존재에 이르기까지 원자와 입자에 얽힌 지난한 탐구에 관한 모든 것 미국의 위대한 물리학자 리처드 파인먼은 원자론이야말로 인류의 과학 지식 중에서 가장 많은 정보를 담고 있는 귀중한 지식이라고 말한 바 있다. 원자 가설을 설명하는 문장에 약간의 상상과 생각만 더한다면 이 세상을 설명하는 막대한 양의 정보를 담아낼 수 있다는 것이다. 원자와 입자에 관한 이야기는 아주 방대한 지식인 동시에, 3,000년 전의 그리스 데모크리토스에게까지 거슬러 올라가야 하는 아주 오래된 학문이며, 그런 와중에 아직도 밝혀지지 않은 부분이 많아 일선에서 가장 치열하게 다루어지는 최신의 학문이기도 하다. 폴 프램튼은 18세에 영국 옥스퍼드대학에서 물리학 박사 학위를 받은 이래로 숱한 물리학 논문을 발표해온 세계 최고 수준의 이론물리학자다. 김진의 교수 또한 수십 년간 이론물리학에 매진하면서 노벨상 수상자 수준의 피인용지수를 기록하고 있는 이론물리학계의 중진이다. 암흑물질 후보로 ‘아주 가벼운 액시온’을 제시하면서 학계의 주목을 받기도 했다. 둘 중 누군가 당장 이듬해 노벨물리학상을 수상하더라도 이상하지 않을 두 사람이 모여, 입자이론에 관한 한 권의 책을 써냈다. 세계 최고 수준의 석학 두 명이 모여, 가장 방대하고 오래되었으며 동시에 가장 새로운 학문의 시작부터 현재진행형에 이르기까지의 모든 것을 차근차근 설명해 나간다. 입자이론의 족적을 쫓다보면 데모크리토스, 아리스토텔레스, 플라톤 등 고대 그리스 철학자에서부터 티코 브라헤, 아이작 뉴턴을 위시한 중세와 근대의 천문학자, 과학자를 거쳐 현대의 CERN 입자가속기에 이르기까지 수많은 인물들의 사상과 입자 연구에 관한 치열한 시도를 만나게 된다. 존재하느냐 존재하지 않느냐, 그것이 문제로다 이론물리학과 호응하는 창조적인 발자취 “호레이쇼, 천국과 지상에는 자네가 꿈꿔온 것보다 더 많은 것들이 있다네.” 영국이 ‘식민지 인도와도 바꿀 수 없’다고 표현했던 극작가 셰익스피어의 비극, 《햄릿》에 나오는 햄릿 왕자의 대사다. 동시에 이는, 아직도 수많은 해결과제와 질문이 미답 상태로 남아 있는 입자이론의 현 상태를 잘 설명해주기도 한다. 이 책의 10장에서 두 저자는 다윈과 셰익스피어의 저작에서 문장들을 인용한다. 이 문장들은 저자들이 생각한 이론물리학의 여러 요소와 놀랍도록 조화롭게 호응한다. 가령 “존재하느냐 존재하지 않느냐, 그것이 문제로다(To be, or not to be? That is the question)”, 흔히 ‘죽느냐 사느냐, 그것이 문제로다’라고 번역되는 햄릿 왕자의 대사는 관찰하기 전에 그 속성이 결정되지 않는 양자역학의 결정적 속성, 이른바 슈뢰딩거의 고양이 현상을 적확하게 지시한다. 이러한 문구들을 캐치해내는 기발한 아이디어는 그 자체로 두 저자의 탁월한 창조성을 입증하는 것이기도 하다. 다윈과 셰익스피어를 위시한, 인류사에 길이 남을 창조적인 천재들이 그러했던 것처럼, 독자들은 이 책을 통해, 입자물리학을 통해 창조적인 발상으로 한 번 더 나아간다. 저자의 희망에 따라, 영어 원문의 문장이 가진 아름다움을 살리기 위해, 10장의 인용문들은 번역하지 않은 채 원문 그대로 기재했다.
  • 서문 감사의 글 들어가며 1장. 고대 그리스인 2장. 신의 계획 3장. 르네상스 4장. 뉴턴의 중력 5장. 다윈의 진화 6장. 입자이론 7장. 혼돈이 정리된 질서를 찾아서 8장. 전기약작용의 통일 9장. 열려 있는 질문들 10장. 셰익스피어
  • 이러한 모든 놀라운 발전에도 불구하고 여전히 답하지 못하는 질문들이 존재한다(9장). 그중에는 표준모형에 여전히 남아 있는 많은 변수의 문제, 그리고 우주를 구성하는 에너지의 5%만이 보통 물질이며 나머지는 알지 못하는 암흑물질과 암흑에너지라는 문제도 포함되어 있다. (…) 저자인 우리의 자격은 무엇일까? 우리는 합쳐서 입자물리학에 관한 논문을 출간한 100여 년의 경험이 있고, 게이지이론이 시작된 후부터 그 혁명을 거치며 연구해왔다. 이제는 한발 물러나 지난 50년간의 입자물리학의 발전을 개인적 관점에서 바라볼 기회를 가지게 되었다. _9쪽, ‘서문’ 중에서 4장에서 더 자세히 설명하게 될 아이작 뉴턴 경은 과학에서 이탈리아 르네상스의 뒤를 잇는 계몽주의 시대의 거인이었다. 유럽에서 르네상스는 중대한 사건으로, 14세기 후반부터 17세기까지 로마 그리고 특히 피렌체를 중심으로 전개되었다. 이 시기 이전은 중세였으며, 북서쪽에서는 카롤링거 르네상스와 오토 르네상스가 짧게 있었다. 역사적으로 르네상스는 의미가 큰 시기이다. 프톨레마이오스의 우주관에서 코페르니쿠스의 우주관으로 거대한 전환이 이루어졌기 때문이다. _73쪽, ‘3장 르네상스’ 중에서 초기의 양자 이론가들과 현대의 원자론자들은 대부분 마술사이다. 알베르트 아인슈타인과 볼프강 파울리는 현자로, 베르너 하이젠베르크와 에르빈 슈뢰딩거, 닐스 보어는 마술사로 간주된다. 아인슈타인이 1905년에 광자를, 파울리가 1930년에 중성미자의 입자를 제안할 때는 그들도 마술사처럼 연구했다. 1920년대 중반에 양자역학을 공식화한 것은 원자 물리학에서 혁명이었다. 뉴턴의 고전역학보다도 더 큰 혁명이었다고 할 수 있다. 양자역학은 그리스 원자론자들의 가정들 중 하나였던 동일한 입자의 개념을 규정했다. _ 138쪽, ‘5장 다윈의 진화’ 중에서 암흑에너지는 이론에 대한 큰 도전이다. 양자 중력에 올바르게 접근할 수 있는 단서를 제공해 줄지도 모른다. 아직 만족스러운 양자 중력 이론은 없으며, 입자이론의 표준모형에도 포함되어 있지 않다. 양자 중력의 효과는 매우 작을 것으로 예상되고 있다. 실험적 단서가 없는 상황에서 수학적 이론을 공식화하는 방법을 어떻게 알아내는지가 문제이다. 그럼에도 불구하고 암흑에너지는 이론우주론에 대한 우리의 관점을 완전히 바꾸어 놓았다. 이론우주론자들은 우주 에너지의 대부분이 수수께끼라는 사실에 겸손해질 수밖에 없다. 무한히 많은 순환과 바운스를 가지고 있는 순환우주론은 한때 버려졌지만 다시 삶을 가지게 되었다. 그리고 빅뱅이론에 있는 초기 특이성의 불편함을 피할 수 있게 되었다. 우주의 궁극적 운명은 우주의 기원과 함께 중요한 주제이다. _255쪽, ‘9장 열려 있는 질문들’ 중에서
  • 폴 프램튼 [저]
  • 영국의 이론 물리학자이다. 노스캐롤라이나대학 채플힐에서 물리학과 교수로 재직하였으며, 현재는 이탈리아 살렌토대학 수학물리학과에 소속되어 있다. 새로운 암흑물질 이론을 제시하였고 우주 팽창에 관련한 새로운 논문을 발표하는 등, 우주론과 입자 이론에 관한 꾸준한 연구를 해오고 있다.
  • 최기영 [저]
  • 성균관대학교 물리학과 교수이다. 서울대학교에서 입자물리학을 공부하고 박사학위를 받았으며, 영국 셰필드대학, 스페인 마드리드자치대학, 아시아태평양이론물리연구센터 등에서 연구하였다. 입자물리이론의 관점에서 암흑물질, 중성미자 및 우주 인플레이션을 포함한 천체물리와 우주론을 연구하고 있다.
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