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[강연] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 2강

중성미자는 우주를 구성하는 가장 기본적이면서도 신비로운 입자입니다. 지금 이 순간에도 우리 몸을 초당 수백억 개씩 통과하고 있지만, 전하가 없고 질량이 매우 작아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 하지만 이 작은 입자는 우주 탄생의 비밀을 풀 수 있는 열쇠를 쥐고 있습니다. 특히 물질-반물질 비대칭성을 설명함으로써, 왜 우주에 물질만 남게 되었는지에 대한 근본적인 답을 제시할 수 있는 유일한 단서로 주목받고 있습니다. 1987년 발생한 초신성 폭발은 인류가 중성미자의 실체를 확인한 역사적인 사건이었습니다. 당시 칠레의 천문대에서 찬란한 빛을 관측했을 때, 일본의 지하 1km 깊은 광산에서는 12개의 중성미자가 포착되었습니다. 이는 별이 죽음을 맞이할 때 방출하는 에너지의 99%가 빛이 아닌 중성미자의 형태로 쏟아져 나온다는 사실을 증명했습니다. 보이지 않는 입자를 통해 우주의 거대한 이벤트를 관측할 수 있다는 가능성을 확인하며 중성미자 천문학의 시대가 열린 것입니다. 중성미자는 물질과 거의 상호작용을 하지 않는 특성 때문에 '유령 입자'라고도 불립니다. 이들은 지구를 그대로 투과할 정도로 투과력이 강해, 이를 관측하기 위해서는 특별한 환경이 필요합니다. 우주에서 쏟아지는 다른 입자들의 방해를 피하고자 연구자들은 깊은 지하로 내려갑니다. 약 1km 깊이의 지하에서는 대부분의 노이즈가 차단되고 오직 중성미자만이 도달할 수 있기 때문입니다. 이러한 극한의 환경은 보이지 않는 우주를 탐험하기 위한 과학자들의 필연적인 선택입니다. 중성미자를 포착하기 위해서는 거대한 검출 장치가 필수적입니다. 일본의 슈퍼 카미오칸데는 5만 톤의 물을 채운 거대한 탱크를 이용해 중성미자가 전자와 충돌할 때 발생하는 미세한 빛을 감지합니다. 이때 입자가 물속에서 빛의 속도보다 빠르게 이동하며 발생하는 '체렌코프 복사' 현상을 광센서로 읽어내는 방식입니다. 남극의 빙하를 이용한 아이스큐브 실험 역시 거대한 얼음 덩어리를 검출기로 활용하여 우주 깊은 곳에서 날아오는 고에너지 중성미자를 추적하고 있습니다. 중성미자로 본 우주는 우리가 눈으로 보는 모습과는 전혀 다릅니다. 빛은 밀도가 높은 천체를 통과하지 못하지만, 중성미자는 태양의 중심부나 은하의 핵을 그대로 뚫고 나옵니다. 이를 통해 우리는 천체의 내부에서 어떤 일이 벌어지는지 직접 들여다볼 수 있는 '뉴트리노그래프'를 얻게 됩니다. 이는 보이지 않는 우주의 이면을 시각화하는 혁신적인 방법으로, 별의 탄생과 죽음, 그리고 은하의 구조를 이해하는 데 있어 기존의 광학 망원경이 주지 못했던 새로운 통찰을 제공합니다. 한국 역시 중성미자 연구의 중심지로 도약하고 있습니다. 강원도 정선의 예미랩(Yemilab) 지하 실험실과 전남 영광의 한빛 원자력 발전소를 활용한 연구는 세계적인 수준의 성과를 거두었습니다. 특히 원자로에서 발생하는 중성미자를 관측하여 중성미자의 종류가 변하는 '중성미자 진동' 현상을 정밀하게 측정해냈습니다. 이러한 연구는 중성미자가 가진 고유한 특성을 밝혀내는 데 기여했을 뿐만 아니라, 기초 과학 분야에서 한국의 위상을 높이며 우주의 근본 원리를 규명하는 중요한 발판이 되었습니다. 중성미자 연구의 궁극적인 목표는 우주 초기 물질-반물질 비대칭성의 원인을 밝히는 것입니다. 빅뱅 직후 동일하게 존재했던 물질과 반물질 중 왜 물질만이 살아남아 지금의 우리를 구성하게 되었는지에 대한 해답이 중성미자의 미세한 성질 속에 숨겨져 있기 때문입니다. 향후 일본과 한국을 잇는 거대 관측망이 구축된다면, 인류는 우주 탄생의 마지막 비밀을 풀 수 있을 것입니다. 보이지 않는 것을 쫓는 이 여정은 결국 우리가 어디에서 왔는지를 이해하는 과정입니다.

유종희

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물리학
천문학

[대담] QnA 탐험 톡(TALK)! | 제 32회 서울대 자연과학 공개강연_'과학의 탐험' by 안진호, 유종희, 김장수, 이유경 l 서울대학교&카오스재단

최근 화제가 된 요리 경연 프로그램처럼, 과학 연구 역시 저마다의 독특한 '맛'을 지니고 있습니다. 과학자들은 수의 세계나 광활한 우주를 탐험하며 각기 다른 즐거움을 느낍니다. 마치 우리가 좋아하는 음식이 다르듯, 탐험가들도 자신만의 가장 좋아하는 연구 분야에 중독되어 살아갑니다. 이러한 탐험의 맛은 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어, 세상에 없던 새로운 발견을 향해 나아가는 과정에서 오는 짜릿한 희열과도 같습니다. 남극의 엘리펀트 모레인 지역은 마치 외계 행성에 발을 디딘 듯한 신비로운 풍경을 선사합니다. 영하 25도의 추위와 강한 바람 속에서도 푸른 얼음 위로 날리는 눈발은 탐험가에게 잊지 못할 시각적 맛을 제공합니다. 거대한 산도 없이 끝없이 펼쳐진 자갈밭은 빙하의 흐름이 만들어낸 자연의 걸작입니다. 이러한 극한의 환경에서 마주하는 낯선 풍경은 과학자들에게 탐험의 본질이 무엇인지 다시금 깨닫게 하는 소중한 순간이 됩니다. 수학적 아이디어가 떠오르는 순간은 육체적인 허기를 잊게 할 만큼 강력한 만족감을 줍니다. UC 버클리의 아름다운 경치를 배경으로 난제를 해결할 실마리를 찾았을 때의 기분은 그 어떤 산해진미보다 달콤합니다. 아내와 함께한 저녁 식사 자리에서 음식에는 손도 대지 못한 채 연구 이야기만 늘어놓았다는 일화는 지적 탐구가 주는 즐거움이 얼마나 큰지를 잘 보여줍니다. 배가 부르지 않아도 마음이 가득 차는 것, 그것이 바로 수학 탐험의 맛입니다. 때로는 계획대로 되지 않는 상황에서 '의외의 맛'을 발견하기도 합니다. 기상 악화로 비행기가 뜨지 않아 우연히 시작된 북극 식물 관찰이 북극 식물 도감 발간으로 이어진 사례가 대표적입니다. 전공 분야가 아니더라도 호기심을 가지고 주변을 살피다 보면, 이름 없던 식물에 이름을 붙여주는 의미 있는 결실을 맺게 됩니다. 예상치 못한 경로에서 마주치는 새로운 연구 주제는 탐험의 여정을 더욱 풍성하게 만들어주는 양념과도 같은 역할을 합니다. 과학 탐험은 혼자만의 고독한 싸움이 아니라 동료들과 함께하는 협동의 과정입니다. 수학자들은 공동 연구를 통해 서로의 부족한 점을 보완하고, 물리학자들은 치열한 논쟁을 통해 이론의 논리를 견고히 다집니다. 보어와 아인슈타인의 사례처럼, 서로의 주장을 반박하고 방어하는 과정은 감정싸움이 아닌 학문적 성장을 위한 필수적인 대련입니다. 자연이라는 공정한 심판 앞에서 진리를 추구하는 이들에게 동료는 가장 든든한 조력자이자 자극제가 됩니다. 필드 과학의 현장에서는 수억 년 전의 기록을 담은 빙하나 우주에서 온 운석을 직접 만질 수 있습니다. 남극의 지의류는 극한 환경에서도 살아남아 미래 우주 개척의 실마리를 제공하며, 운석의 절단면은 우주의 기원을 연구하는 소중한 단서가 됩니다. 이러한 실물 시료들은 교과서 속의 지식이 아닌 살아있는 과학의 역사를 보여줍니다. 자연과학은 우리 주변의 하늘과 바다, 땅을 연구 대상으로 삼아 세상의 비밀을 하나씩 풀어나가는 역동적인 학문입니다. 미래의 탐험가를 꿈꾸는 학생들에게 수학이나 과학은 결코 단번에 이해해야 하는 높은 벽이 아닙니다. 이해의 과정은 0과 1로 나뉘는 것이 아니라 연속적으로 깊어지는 것이기에, 당장 어렵더라도 반복해서 학습하다 보면 어느덧 높은 수준에 도달하게 됩니다. 유행을 좇기보다 자신이 진정으로 좋아하는 분야를 찾는 데 시간을 투자하시길 바랍니다. 연구가 취미가 되고, 그 즐거움에 대한 보상까지 따르는 삶은 탐험가만이 누릴 수 있는 최고의 축복입니다.

김장수, 안진호, 유종희, 이유경

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물리학
천문학

[인터뷰] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험"

중성미자는 원자핵이 붕괴하거나 융합될 때 발생하는 아주 작은 입자로, 우주 초기부터 존재해 온 신비로운 존재입니다. 지금 이 순간에도 태양에서 생성된 수많은 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있지만, 일반 물질과 거의 상호작용하지 않아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 1930년대에 처음 이론적으로 예측된 이후, 현대 과학은 이 보이지 않는 입자를 인공적으로 만들어내고 관측하는 수준에 도달했습니다. 특히 우리나라는 원자로가 많아 중성미자 연구에 최적의 환경을 갖추고 있으며, 이를 통해 세계적인 수준의 실험 성과를 거두고 있습니다. 우주에는 우리가 알고 있는 물질 외에도 중력으로만 그 존재를 드러내는 암흑물질이 존재합니다. 은하의 회전 속도를 관측해 보면 중심에서 멀어져도 속도가 줄어들지 않는데, 이는 보이지 않는 무언가가 강력한 중력으로 은하를 붙잡고 있음을 의미합니다. 지난 수십 년간 수많은 과학자가 이 실체를 규명하려 노력해 왔으나, 아직 우리가 아는 입자 중에는 이를 설명할 수 있는 대상이 없습니다. 현재는 암흑물질이 일반 물질과 어떤 상호작용을 하는지 밝혀내기 위한 정밀한 탐색 실험들이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 입자물리학의 역사에서 중성미자가 서로 다른 종류로 변신한다는 '중성미자 진동' 현상의 발견은 매우 중요한 전환점이었습니다. 전자, 뮤온, 타우 중성미자가 일정한 비율로 섞이며 상태가 변하는 이 과정은 우주의 근본 원리를 이해하는 핵심 열쇠입니다. 한국 연구진은 이 진동의 정도를 결정하는 변수 중 가장 측정하기 어려운 값을 찾아내며 국제 학계에 큰 기여를 했습니다. 이러한 정밀 측정은 단순히 입자의 성질을 파악하는 것을 넘어, 우주가 어떻게 지금과 같은 모습을 갖추게 되었는지에 대한 근원적인 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 우주 탄생 초기에는 물질과 반물질이 같은 양으로 존재했으나, 어느 순간 균형이 깨지면서 물질이 아주 미세하게 더 많이 살아남게 되었습니다. 만약 이 대칭성이 깨지지 않았다면 물질과 반물질은 모두 소멸하여 현재의 인류와 우주는 존재할 수 없었을 것입니다. 과학자들은 이 미묘한 비대칭의 비밀이 중성미자에 숨겨져 있다고 믿고 있습니다. 현재 미국과 일본을 비롯한 전 세계 연구팀은 향후 수십 년을 내다보며 물질과 반물질의 비대칭 계수를 측정하기 위한 거대 프로젝트를 추진 중이며, 이는 인류의 기원을 밝히는 중요한 여정이 될 것입니다. 과학 연구는 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 미지의 세계를 향한 즐거운 탐험이자 일종의 몰입감 넘치는 취미와도 같습니다. 새로운 가설을 세우고 이를 증명해 나가는 과정에서 겪는 수많은 실패는 좌절의 이유가 아니라, 안 되는 방법을 하나씩 지워나가는 논리적인 진보의 과정입니다. 가능성이 없는 길을 빠르게 판단하고 전환하는 '빠른 실패'의 태도는 연구의 효율성을 높이는 중요한 전략이 됩니다. 시도조차 하지 않는 것이야말로 진정한 실패라는 마음가짐으로 끝까지 도전하는 자세가 현대 과학을 지탱하는 진정한 원동력이라 할 수 있습니다.

유종희

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물리학
천문학

[강연] 세상을 설명하는 양자이론 : 표준모형과 그 너머_by 박성찬 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 8강 | 8강

리처드 파인만은 인류 문명이 사라질 위기에 처했을 때 후세에 전해야 할 가장 중요한 지식으로 '모든 물질은 원자로 이루어져 있다'는 원자론을 꼽았습니다. 19세기 주기율표로 정리된 원자론은 물질의 근본을 설명하는 가장 정확한 이론처럼 보였으나, 과학의 발전은 그 이면의 더 깊은 세계를 드러냈습니다. 현대 물리학은 양자역학의 불확정성 원리를 통해 더 높은 에너지로 더 짧은 길이를 탐구하며 원자 내부의 핵과 쿼크라는 새로운 구조를 발견해냈습니다. 1970년대에 이르러 인류는 물질을 이루는 입자들을 체계적으로 정리한 '표준 모형'이라는 새로운 주기율표를 완성했습니다. 이 모형은 물질을 구성하는 3세대의 페르미온과 힘을 매개하는 게이지 보손, 그리고 입자에 질량을 부여하는 힉스 입자로 구성됩니다. 표준 모형은 인류가 우주에 대해 얻어낸 가장 정확한 설명서이며, 우리가 일상에서 보는 모든 물질 현상을 단 몇 종류의 근본 입자와 상호작용만으로 명쾌하게 설명해내는 놀라운 성취를 보여줍니다. 우리가 흔히 '입자'라고 부르는 존재의 더 깊은 본질은 사실 온 우주를 채우고 있는 '양자장'입니다. 현대 물리학의 두 기둥인 상대성 이론과 양자역학이 결합된 양자장 이론에 따르면, 입자는 양자장의 요동이 특정한 형태로 나타난 현상에 불과합니다. 진공조차 가만히 멈춰 있지 않고 끊임없이 요동치며, 충분한 에너지가 모이면 입자와 반입자가 쌍으로 생성되거나 소멸하는 역동적인 과정을 반복합니다. 이는 우주가 고정된 실체가 아닌 에너지의 끊임없는 변화임을 시사합니다. 표준 모형을 지탱하는 핵심 원리는 '대칭성'입니다. 시공간의 로렌츠 대칭성과 내부 공간의 게이지 대칭성은 자연계의 근본적인 힘들이 어떻게 작용하는지를 결정합니다. 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력이라는 세 가지 힘은 각각 특정한 게이지 대칭성에 기반하여 입자들 사이에서 정보를 전달하고 운동량을 교환합니다. 이러한 대칭성 덕분에 표준 모형은 이론적으로 무한한 정밀도를 가지고 계산이 가능한 '재규격화'라는 강력한 수학적 토대를 갖추게 되었습니다. 2012년 힉스 입자의 발견은 표준 모형의 마지막 퍼즐을 완성하는 역사적 사건이었습니다. 힉스 메커니즘은 우주 초기 하나였던 힘들이 대칭성의 자발적 깨짐을 통해 분화되는 과정을 설명하며, 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되었는지 밝혀냈습니다. 힉스 장과 강하게 상호작용하는 입자는 무거운 질량을 얻고, 그렇지 않은 입자는 가볍거나 질량이 없게 됩니다. 이 정교한 메커니즘 덕분에 우리 우주는 현재와 같이 다양한 질량을 가진 물질들이 존재할 수 있는 구조를 갖추게 되었습니다. 하지만 표준 모형의 완성은 물리학의 끝이 아니라 새로운 탐구의 시작입니다. 현재 우리가 이해하는 표준 모형의 물질은 우주 전체 에너지의 단 5%에 불과하며, 나머지 95%를 차지하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 또한 왜 입자의 세대가 세 번 반복되는지, 초기 우주의 급팽창은 누가 일으켰는지, 왜 우주에는 반물질보다 물질이 압도적으로 많은지와 같은 근본적인 질문들에 대해 표준 모형은 아직 명확한 답을 내놓지 못하고 있습니다. 물리학자들은 표준 모형을 넘어선 더 근원적인 이론인 '대통일 이론'이나 '초끈 이론'을 통해 우주의 신비를 풀고자 노력하고 있습니다. 전자와 양성자의 전하량이 왜 정확히 일치하는지, 우주의 진공은 과연 영원히 안정한 상태인지와 같은 질문들은 인류를 더 높은 에너지와 더 깊은 통찰의 세계로 인도합니다. 표준 모형은 비록 완벽하지 않을지라도, 우리가 우주의 기원과 본질을 이해하기 위해 반드시 거쳐야 할 가장 견고하고 아름다운 징검다리임이 분명합니다.

박성찬

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물리학

[Q&A] '상대성 이론' 4, 8강 Q&A_by 이창환 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론'

우주의 근본을 이루는 입자와 반입자는 질량은 같지만 전하와 같은 성질이 반대인 쌍으로 존재합니다. 이들이 만나면 에너지를 방출하며 빛으로 변하거나, 반대로 빛이 조건에 따라 입자 쌍으로 갈라지기도 합니다. 이러한 미시적 원리는 거대한 중성자별 내부에서도 복잡하게 작용합니다. 중성자별은 전하가 없는 중성자로 주로 이루어져 있지만, 내부의 양성자와 전자들의 운동, 그리고 입자 자체의 자기적 성질로 인해 강력한 자기장을 형성합니다. 이는 단순한 별의 잔해를 넘어 핵물리학의 원리를 탐구할 수 있는 거대한 우주 실험실과 같습니다. 과거에는 중성자별의 내부 구조를 파악하기 위해 지상의 핵실험 자료나 별 표면에서 발생하는 관측 데이터에 의존해야 했습니다. 하지만 중력파의 발견은 천체 내부를 직접 들여다볼 수 있는 새로운 창을 열어주었습니다. 특히 두 중성자별이 충돌하여 블랙홀이 되는 과정에서 발생하는 중력파를 분석하면, 기존의 전자기파 관측으로는 알 수 없었던 '조력 변형성'과 같은 핵심 정보를 추정할 수 있습니다. 이를 통해 천체 관측이 핵물리학과 입자물리학 연구의 영역으로 확장되는 획기적인 전기가 마련되었으며, 우주의 기원을 이해하는 데 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 블랙홀은 거대 질량 별의 진화 끝에 탄생하거나 중성자별들의 충돌로 만들어집니다. 초기 질량이 매우 큰 별은 중성자별 단계를 거치지 않고 곧바로 붕괴하여 블랙홀이 되기도 합니다. 이때 별이 회전하고 있다면 주변 물질이 원반을 형성하며 막대한 에너지를 축적하게 됩니다. 이 에너지는 회전축 방향으로 강력한 감마선 폭발을 일으키거나, 일반적인 초신성보다 훨씬 강력한 '하이퍼노바' 폭발로 이어지기도 합니다. 블랙홀은 단순히 모든 것을 삼키는 어둠의 구멍이 아니라, 우주에서 가장 역동적이고 강력한 에너지를 뿜어내는 현상의 중심지라고 할 수 있습니다. 과학의 대중화에 있어 영화 '인터스텔라'는 중요한 전환점이 되었습니다. 킵 손 교수의 이론적 토대 위에 만들어진 이 영화는 많은 이들에게 물리학에 대한 호기심을 불러일으켰습니다. 이를 계기로 시작된 대중 강연은 단순한 지식 전달을 넘어, 과학자가 자신의 연구 분야를 대중의 눈높이에서 공유하는 소통의 장이 되었습니다. 특히 중력파 발견의 공동 저자로서 참여했던 생생한 경험은 강연에 깊이를 더했습니다. 이후 블랙홀과 우주론을 주제로 한 수많은 강연은 대중이 과학을 보다 친숙하게 느끼고 우주의 신비에 공감하게 만드는 소중한 기회가 되었습니다. 물리학은 차가운 수식의 세계처럼 보이지만, 예술과 만날 때 새로운 생명력을 얻습니다. 윌리엄 터너의 그림에서 뉴턴 역학의 역동성을 읽어내고, 다니엘 호프의 바이올린 선율에서 과학적 영감을 얻는 시도는 학문 간의 경계를 허뭅니다. 또한 과거 스티븐 호킹 박사에 대해 썼던 글에 대한 아쉬움을 열정이 담긴 새로운 글로 만회하는 과정은 과학자에게 인문학적 성찰과 진정성이 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 과학과 예술, 그리고 인간적인 고뇌가 어우러진 융합적 접근은 우리를 더 깊은 우주의 진리로 인도하며, 세상을 바라보는 시야를 넓혀줍니다.

카오스재단석학인터뷰

[질문과 토론의 과학 #36] 🌌암흑물질은 무한에 가까운 에너지원일 수도!

우주는 광대하고 복잡해 보이지만, 사실 기본적인 물리 법칙에 의해 진화합니다. 특히 거시적인 스케일에서는 중력이 결정적인 역할을 하며, 이를 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어로 변환하면 고성능 컴퓨터 안에서 우주를 구현할 수 있습니다. 우주의 기본 법칙과 수치 계산만으로 우리가 살고 있는 우주를 직접 시뮬레이션할 수 있다는 사실은 현대 천문학이 도달한 놀라운 성취 중 하나입니다. 이는 복잡한 우주의 질서를 단순한 물리 방정식으로 풀어내는 과정이기도 합니다. 물질의 기본 단위인 원자가 영원할 것인가에 대한 질문은 여전히 과학계의 열린 과제입니다. 대통일 이론에 따르면 양성자조차도 아주 오랜 시간이 흐르면 붕괴할 것이라고 예측됩니다. 비록 그 반감기가 10의 30제곱년 이상으로 매우 길어 직접 관측하기는 어렵지만, 과학자들은 거대한 수조를 이용한 실험 장치를 통해 양성자의 붕괴 순간을 포착하려 노력하고 있습니다. 만약 양성자 붕괴가 증명된다면, 우리가 아는 물질의 불멸성은 부정되고 우주의 종말에 대한 새로운 시각을 갖게 될 것입니다. 우주의 미래를 결정짓는 핵심 요소 중 하나는 암흑 에너지입니다. 현재 우주는 가속 팽창하고 있으며, 암흑 에너지의 힘이 점점 커져 결국 모든 결합력을 압도하게 된다는 '빅 립(Big Rip)' 가설이 존재합니다. 이 시나리오에 따르면 은하가 찢어지고 원자마저 분리되어, 종국에는 모든 물질이 빛과 에너지의 형태로 전환됩니다. 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리에 따라 질량을 가진 물질이 순수한 에너지로 바뀌며 우주는 지금과는 전혀 다른 모습으로 변모하게 될 것입니다. 우주 질량의 상당 부분을 차지하지만 정체가 밝혀지지 않은 암흑물질은 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼입니다. 유력한 후보인 '윔프(WIMP)'는 약하게 상호작용하는 무거운 입자로, 이를 찾기 위한 다양한 실험이 전 세계적으로 진행되고 있습니다. 과거에는 암흑물질이 스스로 충돌하여 에너지를 내는 '암흑물질 별'의 존재 가능성도 제기되었으나, 아직 명확한 관측 증거는 발견되지 않았습니다. 암흑물질의 정체를 밝히는 일은 우주의 구조와 진화를 이해하는 데 있어 필수적인 열쇠가 될 것입니다. 인류는 이제 자연에 존재하는 원소를 이해하는 것을 넘어, 실험실에서 새로운 물질을 창조하고 별의 에너지를 재현하는 단계에 이르렀습니다. 중이온 가속기를 통해 우주에 존재하지 않는 새로운 원소를 합성하려는 시도가 이어지고 있으며, 이는 기초 과학의 지평을 넓히는 계기가 됩니다. 또한 태양의 핵융합 원리를 지구상에서 구현하는 인공태양 기술은 인류에게 무한한 에너지를 제공할 잠재력을 지니고 있습니다. 이러한 연구들은 물질의 기원을 탐구하는 동시에 인류의 미래를 밝히는 중요한 이정표가 됩니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[명강리뷰] 물질의 기원-빅뱅에서 희도류까지 _ by윤성철｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 3강

고대 그리스 철학자들은 변하지 않는 본질을 중요하게 여겼지만, 현대 물리학은 우주의 기원을 역동적인 현상에서 찾습니다. 태초의 우주는 엄청난 고온 상태였으며, 아인슈타인의 원리에 따라 빛과 에너지가 입자와 반입자를 끊임없이 생성하고 소멸시켰습니다. 이 과정에서 입자와 반입자 사이에는 10억분의 1이라는 아주 미세한 비대칭이 존재했습니다. 만약 이 대칭이 완벽했다면 모든 물질은 빛으로 사라졌겠지만, 이 작은 차이 덕분에 오늘날 우리가 존재하는 물질 세계가 형성될 수 있었습니다. 우주 초기에는 수소와 헬륨만이 존재했지만, 별의 탄생과 진화는 더 복잡한 원소들을 만들어냈습니다. 태양과 같은 별은 중심부에서 수소 핵융합을 통해 헬륨을 만들고, 이후 적색거성 단계에 접어들며 탄소와 산소를 생성합니다. 특히 별이 죽기 직전의 불안정한 단계에서는 격렬한 핵반응과 대류 현상이 일어나며 질소와 같은 중원소들이 우주 공간으로 퍼져나갑니다. 우리가 흔히 접하는 질소조차 사실은 별의 깊은 내부에서 일어난 복잡하고 숭고한 과정을 거쳐 우리에게 도달한 결과물입니다. 태양보다 훨씬 무거운 별들은 초신성 폭발이라는 극적인 최후를 맞이하며 우주에 생명의 씨앗을 뿌립니다. 초신성 잔해를 관측하면 규소, 철, 산소뿐만 아니라 생명체의 설계도인 DNA의 뼈대를 구성하는 인(P)과 같은 필수 원소들이 다량 발견됩니다. 이러한 원소들은 별의 내부에서 합성되어 폭발과 함께 우주로 방출되며, 새로운 행성과 생명체가 탄생할 수 있는 화학적 토대가 됩니다. 즉, 초신성은 단순한 별의 죽음이 아니라 우주의 구성 성분을 풍요롭게 만드는 거대한 연금술의 현장이라 할 수 있습니다. 철보다 무거운 금, 백금, 희토류와 같은 원소들은 더욱 극한의 환경에서 탄생합니다. 철은 매우 안정적인 원소이기에 일반적인 핵융합으로는 더 무거운 원소를 만들기 어렵지만, 중성자별 충돌과 같은 거대한 사건이 이를 가능하게 합니다. 중성자별이 서로 공전하며 중력파를 방출하다 충돌하는 순간, 엄청난 양의 중성자가 쏟아져 나오며 무거운 원소들이 합성됩니다. 최근의 관측 결과는 우리가 소중히 여기는 귀금속들이 바로 이러한 우주적 충돌의 잔해라는 사실을 강력하게 뒷받침하고 있습니다. 결국 우리를 구성하는 모든 원소는 우주의 유구한 역사를 고스란히 담고 있습니다. 몸속을 흐르는 혈액의 철분과 DNA의 탄소, 그리고 매일 마시는 물속의 수소와 산소는 각각 빅뱅과 별의 폭발이라는 서로 다른 시공간의 기록입니다. 우리는 광대한 우주의 목격자로서, 비록 인간의 삶은 영원하지 않지만 우리 몸 안에 새겨진 우주의 역사를 인식할 때 고귀한 자부심을 느낄 수 있습니다. 10억분의 1이라는 확률을 뚫고 살아남은 우리는 그 자체로 우주가 도달한 경이로운 결과물이기 때문입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[인터뷰] 김항배_상대성이론이 과학계에 준 가장 큰 충격은 무엇인가요?

우주는 가장 작은 소립자의 세계부터 가장 거대한 은하계에 이르기까지 하나의 일관된 원리로 연결되어 있습니다. 현대 물리학은 우리 우주가 양자 요동이라는 미세한 떨림으로부터 시작되었다고 설명합니다. 이러한 양자 요동은 급팽창 이론을 통해 별과 은하 같은 거대한 구조를 만들어내는 씨앗이 되었습니다. 입자 물리학과 우주론을 아우르는 연구는 결국 인간이라는 존재가 어떻게 이 광활한 우주 속에 등장하게 되었는지 그 기원을 추적하는 과정이라 할 수 있습니다. 우주의 미래를 예측하는 일은 매우 복잡하지만, 거시적인 관점에서 우주는 의외로 단순한 구조를 지니고 있습니다. 현재 우주의 운명을 결정짓는 가장 중요한 열쇠는 공간을 가득 채우고 있는 암흑 에너지가입니다. 만약 암흑 에너지가 진공 에너지와 같은 성질을 유지한다면, 우주는 영원히 가속 팽창하며 점차 식어갈 것입니다. 결국 모든 별이 수명을 다하고 절대영도에 가까운 차가운 암흑 속으로 사라지는 허무한 결말이 우리를 기다리고 있을지도 모릅니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 우리가 시공간을 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 특수 상대성 이론이 빛의 속도에 가까운 운동에서 시간과 공간이 하나로 얽혀 있음을 보여주었다면, 일반 상대성 이론은 물질의 존재가 시공간의 기하학적 구조를 결정한다는 사실을 일깨워 주었습니다. 즉, 우리가 어디에 있느냐와 주변에 얼마나 많은 물질이 있느냐에 따라 시간의 흐름과 거리의 척도가 달라지는 것입니다. 이는 우주라는 거대한 무대를 이해하기 위한 필수적인 열쇠입니다. 과학의 심오한 원리를 대중에게 전달하는 과정은 또 다른 도전입니다. 태양계의 구조를 설명할 때 단순히 행성의 나열을 넘어 실제 우주가 가진 압도적인 공간감과 빈 여백을 시각화하는 작업이 중요합니다. 우리가 흔히 보는 모형들은 실제 거리감을 제대로 반영하지 못하는 경우가 많기 때문입니다. 과학적 사실을 정확하게 전달하면서도 독자들이 우주의 광활함을 체감할 수 있도록 돕는 것은 과학 저술가가 지향해야 할 중요한 가치 중 하나라고 할 수 있습니다. 과학자에게 가장 큰 희열은 새로운 가설을 세우고 그것이 동료들에게 인정받는 순간에 찾아옵니다. 암흑 물질이나 여분 차원과 같은 난해한 주제를 탐구하며 우주의 비밀을 한 꺼풀 벗겨낼 때의 짜릿함은 연구를 지속하게 하는 원동력이 됩니다. 최근에는 엔트로피와 원자에 관한 새로운 저술 활동을 통해 대중과 소통하려는 노력이 이어지고 있습니다. 과학적 오류를 바로잡고 더 깊은 통찰을 공유하려는 이러한 시도들은 우리 사회의 지적 지평을 넓히는 데 기여할 것입니다.

김항배

카오스재단석학인터뷰

물리학

[석학인터뷰] 암흑물질의 실체는?ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁4

우주를 구성하는 물질 중 우리가 눈으로 볼 수 있는 것은 극히 일부분에 불과합니다. 암흑물질은 빛을 내지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 은하의 운동이나 중력 효과를 통해 그 존재가 확실시되고 있습니다. 현재 우리가 보유한 광학이나 전파 망원경은 물리적 세계의 아주 좁은 스펙트럼만을 포착할 뿐입니다. 따라서 관측되지 않는 더 많은 물질이 존재한다는 사실은 과학적으로 매우 당연한 귀결이라 할 수 있습니다. 암흑물질은 현대 천문학이 풀어야 할 가장 거대한 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 초기 연구자들은 암흑물질의 정체를 블랙홀이나 갈색왜성처럼 빛을 내지 않는 거대 천체인 '마초(MACHO)'에서 찾으려 했습니다. 하지만 정밀한 탐사 결과, 이러한 천체들은 필요한 암흑물질 양의 약 20% 정도만을 설명할 수 있다는 한계가 드러났습니다. 이에 따라 과학계의 관심은 '윔프(WIMP)'라고 불리는 약하게 상호작용하는 무거운 입자로 옮겨갔습니다. 윔프(WIMP)는 우주 초기에 생성된 소립자로 추정되며, 전자기적 상호작용은 거의 하지 않으면서도 질량을 가지고 있어 암흑물질의 유력한 후보로 오랫동안 주목받아 왔습니다. 문제는 수많은 실험과 검증 과정에도 불구하고 아직 윔프(WIMP)의 실체가 발견되지 않았다는 점입니다. 입자 물리학자들이 예측한 소립자 형태의 암흑물질을 찾으려는 시도가 잇따라 실패하면서, 일각에서는 근본적인 의문을 제기하기 시작했습니다. 만약 암흑물질이 실재하지 않는다면, 우리가 알고 있는 뉴턴 역학이나 중력 이론 자체가 수정되어야 할지도 모릅니다. '수정 뉴턴 역학(MOND)'과 같은 대안 이론들이 거론되는 이유도 바로 이 때문입니다. 기존의 이론적 틀을 넘어서는 거시적인 관점의 전환이 필요한 시점이 다가오고 있습니다. 암흑물질의 또 다른 가능성은 초기 우주의 뜨거웠던 흔적인 '화석 입자'에서 찾을 수 있습니다. 우주 탄생 직후의 고온·고밀도 상태에서는 오늘날과는 비교할 수 없을 정도로 다양한 입자들이 만들어졌을 것입니다. 대부분의 입자는 우주가 팽창하고 식어가는 과정에서 소멸했지만, 일부 안정한 입자들은 화석처럼 남아 오늘날까지 중력적인 영향력을 행사하고 있을 가능성이 큽니다. 이러한 입자들은 일반적인 방법으로는 검출되지 않기에, 강입자 가속기(LHC)와 같은 거대 장치를 통해 그 흔적을 추적하려는 노력이 계속되고 있습니다. 최근 가장 매력적인 후보로 떠오른 것은 '액시온(Axion)'입니다. 본래 액시온(Axion)은 핵물리학의 강한 상호작용 문제를 해결하기 위해 도입된 가상의 입자였으나, 그 성질이 암흑물질과 완벽하게 부합한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 우리 우주가 4차원을 넘어 더 높은 차원을 가지고 있다는 가설 아래 등장한 '칼루자-클라인 입자'나 '원시 블랙홀' 등도 흥미로운 후보군입니다. 특히 액시온(Axion)은 초끈 이론과도 궁합이 잘 맞아, 단순한 가설을 넘어 우주의 근본 원리를 설명하는 핵심 열쇠가 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 이유경, 이필진, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
지구환경과학
천문학
융합

[강연] CERNprise!: CERN에서는 대체 무슨 일이? _ by윤진희ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 1강 | 1강

인간은 주변 현상에 대해 끊임없이 의문을 품습니다. 지구가 왜 도는지, 밤하늘의 별은 몇 개인지와 같은 원초적인 호기심은 인류 역사의 시작과 함께해 왔습니다. 이러한 궁금증에 답을 찾아가는 과정이 자연스럽게 과학이라는 학문으로 연결되었습니다. 물리학은 우리가 가보지 못한 먼 우주부터 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계까지, 인간이 인지할 수 있는 모든 대상을 탐구하며 지식의 지평을 넓혀가는 경이로운 여정입니다. 특히 보이지 않는 세계를 향한 탐구는 물질의 본질을 이해하는 핵심이 됩니다. 물리학이 다루는 규모는 상상을 초월할 정도로 방대합니다. 10의 29승 미터에 달하는 거대한 우주를 다루는 거시 세계부터, 10의 -15승 미터 규모의 초미시 세계까지 모두 물리학의 연구 대상입니다. 이는 10분의 1로 나누는 과정을 무려 15번이나 반복해야 도달할 수 있는 극미의 영역입니다. 인간의 감각으로는 도저히 가늠할 수 없는 이 넓은 범위를 실험과 이론을 통해 하나씩 밝혀내고 있다는 점은 물리학이 가진 가장 큰 매력 중 하나라고 할 수 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 물질은 쪼개고 쪼개다 보면 원자에 도달합니다. 하지만 과학의 발전은 원자 너머의 세계를 보여주었습니다. 원자는 다시 전자와 핵으로 나뉘고, 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 여기서 멈추지 않고 현대 물리학은 양성자와 중성자 내부에서 '쿼크'라는 더 기본적인 입자를 찾아냈습니다. 현재 우리는 쿼크를 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자로 믿고 있으며, 이들이 어떻게 결합하여 물질을 형성하는지 연구하고 있습니다. 초미시 세계를 관찰하기 위해서는 특별한 도구가 필요합니다. 아주 작은 입자들은 일반적인 현미경으로는 볼 수 없기 때문에 가속기와 검출기를 사용합니다. 가속기는 입자를 높은 에너지로 가속하여 충돌시키는 역할을 하며, 이는 마치 호두 내부를 보기 위해 껍질을 깨는 망치와 같습니다. 입자가 충돌하며 발생하는 신호를 포착하여 내부 구조를 분석함으로써, 우리는 직접 볼 수 없는 극미의 세계에서 어떤 일이 벌어지고 있는지 간접적으로 확인할 수 있습니다. 가속기 기술의 정점은 유럽핵입자물리연구소인 CERN의 거대 강입자 가속기입니다. 지하 100미터 깊이에 설치된 이 장치는 둘레가 무려 27km에 달하며, 빛에 가까운 속도로 입자를 가속합니다. 과거에는 안개 상자나 거품 상자를 이용해 입자의 궤적을 눈으로 직접 확인하며 분석했지만, 오늘날의 실험은 거대한 격납고 규모의 검출기를 통해 이루어집니다. 여기서 쏟아지는 방대한 데이터는 컴퓨터 분석을 거쳐 우주와 물질의 비밀을 푸는 열쇠가 됩니다. 현대 입자 물리학의 근간인 표준 모형은 물질을 구성하는 입자들과 이들 사이의 상호작용을 설명합니다. 여섯 종류의 쿼크와 경입자, 그리고 이들 사이에서 힘을 전달하는 매개 입자들이 정교한 가계도를 이룹니다. 특히 2013년에 발견된 힉스 보존은 다른 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 자연계의 네 가지 기본 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력 중 초미시 세계에서 결정적인 역할을 하는 강력을 이해하는 것은 물질의 탄생 원리를 밝히는 핵심 과제입니다. CERN에서 진행되는 앨리스 실험은 납 이온을 충돌시켜 우주 탄생 직후의 상태를 재현합니다. 이는 약 138억 년 전 빅뱅 직후의 뜨거웠던 우주 역사를 거슬러 올라가는 과정과 같습니다. 수천 명의 과학자가 협력하여 찰나의 순간에 벌어지는 입자들의 변화를 추적하며 인류 지식의 최전선을 확장하고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리가 어디에서 왔으며 우주는 어떻게 형성되었는지에 대한 근원적인 질문에 답을 제시하려는 숭고한 노력입니다.

윤진희

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물리학

[강연] 우주와 기본입자 by 최기운ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

우주와 기본 입자는 존재의 양 극단에 위치한 대상입니다. 우주는 우리가 아는 가장 거대한 존재이며, 기본 입자는 만물을 구성하는 가장 작은 단위입니다. 고대 신화 속 자신의 꼬리를 삼키는 뱀 '우로보로스'처럼, 이 둘은 서로 멀리 떨어져 있는 듯 보이지만 사실은 그 어느 것보다도 긴밀하게 연결되어 있습니다. 현대 물리학은 우주의 기원을 이해하기 위해 가장 작은 입자의 세계를 탐구하며, 반대로 입자들의 상호작용을 통해 거대한 우주의 구조를 설명합니다. 이러한 연결 고리는 우리가 우주의 탄생과 자연의 궁극적인 법칙을 이해하는 데 핵심적인 열쇠가 됩니다. 현대 물리학의 큰 수수께끼 중 하나는 우주가 왜 원자에 비해 이토록 거대한가라는 '계층성 문제'입니다. 원자의 크기는 전자기력과 전자의 질량에 의해 결정되지만, 우주의 크기는 암흑 에너지와 중력의 세기에 의해 결정됩니다. 모든 존재는 양자역학적인 '양자 요동'을 피할 수 없으며, 이 에너지가 합쳐져 시공간을 휘게 만드는 암흑 에너지가 됩니다. 물리학적 관점에서 중력이 전자기력보다 극도로 약하고 암흑 에너지가 매우 작다는 사실은 기적에 가깝습니다. 이러한 미세한 균형 덕분에 지적 생명체가 존재할 수 있는 광활한 우주가 형성될 수 있었습니다. 우주가 팽창하고 있다는 사실은 과거의 우주가 현재보다 훨씬 작고 뜨거웠음을 시사합니다. 시간을 거꾸로 돌리면 모든 물질과 빛이 한 점에 모이는 고에너지 상태에 도달하게 되는데, 그 증거가 바로 '우주 배경 복사'입니다. 초기 우주가 식으면서 원자핵과 전자가 결합해 중성 원자를 형성하자, 빛이 방해받지 않고 직진할 수 있게 되며 우주는 투명해졌습니다. 이때 방출된 빛은 현재 영하 270도의 온도로 우주 전역에 퍼져 있으며, 이는 초기 우주의 뜨거웠던 상태를 증명하는 가장 강력한 화석과 같은 단서가 되어 우주 진화의 역사를 보여줍니다. 우주의 모든 방향에서 오는 우주 배경 복사의 온도가 거의 동일하다는 사실은 또 다른 신비를 던져줍니다. 서로 교신할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 지역들이 같은 온도를 지녔다는 것은, 과거에 빛보다 빠른 속도로 팽창했던 '인플레이션' 시기가 있었음을 의미합니다. 이 인플레이션 과정에서 발생한 미세한 양자 요동은 우주 전체에 에너지 밀도의 차이를 만들었습니다. 이 작은 차이들이 씨앗이 되어 중력에 의해 물질이 뭉치기 시작했고, 결국 오늘날 우리가 보는 은하와 별, 그리고 거대 구조들이 탄생할 수 있는 토대가 마련되었습니다. 이는 관측 데이터와 이론이 기가 막히게 일치하는 지점이기도 합니다. 우리가 알고 있는 일반적인 원자는 우주 전체 에너지의 단 5%에 불과합니다. 나머지 95%는 정체를 알 수 없는 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 암흑 물질은 빛을 내지 않지만 중력을 통해 은하 내 별들의 운동을 붙잡아두는 역할을 하며, 암흑 에너지는 척력으로 작용하여 우주의 팽창을 가속화합니다. 코페르니쿠스가 지구가 우주의 중심이 아님을 밝혀냈듯, 현대 과학은 인류를 구성하는 물질조차 우주의 주성분이 아니라는 사실을 보여줍니다. 우리는 이 거대한 우주의 변방에서 극히 일부의 구성 요소로 존재하며 우주를 관찰하고 있는 셈입니다. 자연의 근본 법칙을 설명하는 두 기둥은 표준 모형과 일반 상대성 이론입니다. 표준 모형은 쿼크와 렙톤 같은 기본 입자들과 이들 사이의 전자기력, 약력, 강력의 상호작용을 대칭성 원리로 우아하게 설명합니다. 반면 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 곡률로 이해하며 거시적인 우주의 움직임을 규명합니다. 이 이론들은 인류 지성이 도달한 위대한 성취이지만, 여전히 암흑 물질의 정체나 중력이 왜 다른 힘들에 비해 터무니없이 약한지에 대해서는 답을 주지 못합니다. 이를 통합하여 시공간의 궁극적인 구조를 밝혀내는 것은 현대 물리학이 마주한 가장 거대한 도전 과제입니다. 현재 기초과학연구원(IBS)을 비롯한 전 세계 과학자들은 암흑 물질의 실체를 밝히기 위해 치열한 연구를 이어가고 있습니다. 유력한 후보인 '윔프'를 찾기 위해 강원도 정선의 지하 1,000m 깊은 곳에서 미세한 신호를 추적하고 있으며, 또 다른 후보인 '액시온'을 탐색하기 위해 초강력 자석을 이용한 정밀 실험을 진행 중입니다. 비록 인류가 우주라는 거대한 캔버스에서 티끌 같은 존재일지라도, 사고의 힘을 통해 자연의 근본 법칙을 파헤치는 과정은 그 자체로 숭고한 가치를 지닙니다. 이러한 탐구는 언젠가 우주 탄생의 비밀과 우리가 발을 딛고 있는 세계의 근원을 밝혀낼 것입니다.

최기운

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물리학
천문학

[인터뷰] 최기운 _ 초대칭, 암흑물질, 그리고 대통일이론ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

입자 물리학은 우리가 마주하는 모든 현상의 근원적인 원인을 탐구하는 학문입니다. 어떤 현상을 보더라도 '왜'라는 질문을 거듭하다 보면 결국 물질을 구성하는 가장 작은 단위인 기본 입자의 세계에 도달하게 됩니다. 이는 단순히 작은 것을 연구하는 데 그치지 않고, 우주의 역사를 거슬러 올라가는 과정이기도 합니다. 현재의 우주는 과거의 결과물이며, 그 시작점에는 기본 입자들의 상호작용이 있었기 때문입니다. 따라서 입자 물리학은 인류가 던질 수 있는 가장 근본적인 질문에 답을 찾으려는 특별한 과학 분야라고 할 수 있습니다. 이 분야의 연구는 마치 아무런 정보 없이 신대륙을 찾아 떠나는 항해와 같습니다. 대부분의 과학은 연구 대상의 존재를 알고 시작하지만, 입자 물리학은 지식의 최전선에서 무엇이 존재할지 모르는 채 나아갑니다. 특히 거대 강입자 가속기를 이용한 실험은 수십 년의 시간과 초정밀 기술이 필요하며, 막대한 노력을 기울여도 아무것도 발견하지 못하는 경우가 허다합니다. 그럼에도 불구하고 이론 물리학자들은 수학적 논리와 직관을 바탕으로 새로운 물리 법칙의 가능성을 제시하며, 보이지 않는 신세계를 향한 이정표를 세우는 고독하고도 위대한 여정을 지속합니다. 현대 입자 물리학에서 중요하게 다뤄지는 개념 중 하나는 '초대칭'입니다. 이는 우리가 일상에서 경험하는 좌우 대칭이나 회전 대칭을 넘어선 기묘한 양자역학적 대칭성입니다. 초대칭 이론에 따르면 우리가 사는 시공간에는 일반적인 차원과는 성질이 다른 새로운 차원이 존재합니다. 이 차원에서는 360도를 회전했을 때 제자리로 돌아오는 것이 아니라 부호가 바뀌는 독특한 특성을 가집니다. 이러한 원리에 따라 세상의 모든 기본 입자에게는 성질이 다른 '초대칭 짝입자'가 반드시 존재해야 하며, 이는 우주의 구조를 이해하는 핵심 열쇠로 여겨집니다. 과학자들은 거대 강입자 가속기(LHC)를 통해 이러한 초대칭의 흔적을 발견하기를 고대해 왔습니다. 2010년경 실험이 시작될 당시, 인류가 도달한 최고의 에너지 영역에서 새로운 물리 법칙이 모습을 드러낼 것이라는 기대가 컸습니다. 비록 힉스 보손을 발견하는 기념비적인 성과를 거두었지만, 안타깝게도 기대했던 초대칭 짝입자나 완전한 신세계의 증거는 아직 발견되지 않았습니다. 우리가 건조한 배가 도달할 수 있는 거리 안에 아직 신대륙이 나타나지 않은 셈이지만, 이는 오히려 더 높은 에너지와 정밀도를 갖춘 미래의 탐구를 자극하는 계기가 되고 있습니다. 인류는 이제 모든 물리 현상을 하나의 원리로 설명하는 '만물의 이론'을 꿈꾸고 있습니다. 뉴턴이 지상과 천상의 운동을 통일하고 맥스웰이 전자기와 빛을 통합했듯이, 현대 물리학은 강력, 약력, 전자기력을 하나의 틀 안에서 이해하려 노력합니다. 그 연장선상에서 현재 가장 큰 화두는 우주의 대부분을 차지하지만 정체가 베일에 싸인 '암흑 물질'을 찾는 것입니다. 윔프나 액시온 같은 후보를 추적하는 연구는 노벨상 이상의 가치를 지닌 인류 지성의 도전이며, 이 거대한 수수께끼를 풀었을 때 우리는 비로소 우주의 진정한 설계도에 한 걸음 더 다가서게 될 것입니다.

최기운

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물리학
천문학

[인터뷰] 박성찬_입자물리가 우주론에서 필수인 이유ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

이론물리학은 현대 과학의 근간을 이루는 핵심적인 분야입니다. 단순히 실험을 통해 얻은 수치들을 나열하는 것에 그치지 않고, 그 현상 이면에 숨겨진 원리를 조직화하여 우리가 이해할 수 있는 형태로 만드는 것이 바로 이론물리학의 역할입니다. 만약 이론적 토대가 없다면 물리학은 자기가 무엇을 실험하는지도 모르는 공허한 상태에 빠지게 될 것입니다. 따라서 이론물리학은 단순한 가설의 설정을 넘어, 복잡한 자연 현상을 체계적인 지식으로 변환하는 필수적인 과정이라고 할 수 있습니다. 현재 인류가 도달한 물리학의 최첨단에는 '표준 모형'이 자리 잡고 있습니다. 선배 물리학자들이 완성한 이 아름다운 이론은 현대 과학의 정수이며, 우리가 미시 세계의 질서를 파악할 수 있도록 돕는 가장 강력한 도구이자 지침서 역할을 수행하고 있습니다. 만약 이 체계적인 이론적 틀이 존재하지 않았다면, 현대 물리학은 만물의 상호작용을 논리적으로 설명하고 물질의 근본 구조를 규명하는 데 있어 커다란 난관에 봉착했을 것입니다. 하지만 완벽해 보이는 표준 모형에도 여전히 해결하지 못한 과제들이 남아 있습니다. 최근 연구에 따르면 우주의 95% 이상은 우리가 아직 정체를 알지 못하는 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있는데, 이는 현재의 표준 모형만으로는 전혀 설명할 수 없는 영역입니다. 과학자들은 이러한 한계를 극복하고 우주의 신비를 온전히 밝혀내기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 기존의 성과를 존중하면서도 그 너머의 진실을 찾으려는 도전 정신이야말로 물리학을 더욱 발전시키는 원동력이 됩니다. 유럽 입자 물리 연구소인 CERN은 전 세계 지성의 산실로 불리는 곳입니다. 이곳의 카페 테라스에서는 수많은 노벨상 수상자들을 마주할 수 있을 정도로 학문적 열기가 뜨겁습니다. 특히 거대 강입자 가속기인 LHC는 우주의 비밀을 풀기 위한 핵심 장치로, 현재는 성능 향상을 위한 업그레이드 작업이 진행 중입니다. 가동 중에는 방사선 위험으로 인해 접근이 엄격히 통제되지만, 평소에는 일반인들을 위한 견학 프로그램도 운영되어 현대 물리학의 최전선을 직접 체험해 볼 수 있는 기회를 제공합니다. 물리학자들은 상상력을 자극하는 SF 소설을 통해 영감을 얻기도 합니다. 배명훈 작가의 소설 속 '이론 요리' 개념이나 곽재식 작가의 독특한 시선은 이공계적 사고방식을 흥미롭게 풀어냅니다. 또한 조 홀드먼의 '영원한 전쟁'처럼 상대성 이론을 활용해 시간 여행과 사랑을 그려낸 작품들은 과학적 원리가 예술적 감성과 어떻게 만날 수 있는지를 잘 보여줍니다. 입자물리학이 단순히 미시 세계에 머물지 않고 거대한 우주를 이야기하는 이유는, 결국 만물의 근원을 이해하려는 인간의 근본적인 호기심이 우주 전체로 확장되기 때문입니다.

박성찬

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물리학
천문학

[연구뭐하지] 정성훈 교수_서울대학교 '입자물리현상론 연구실' | 물리학은 그렇게 심오한 학문이 아니에요!!

입자물리 현상론은 초기 우주와 미시 세계에서 일어나는 온갖 현상을 탐구하는 학문입니다. 우주 전체 에너지의 25%를 차지하면서도 그 실체가 직접 확인되지 않은 암흑 물질은 이 분야의 가장 큰 수수께끼입니다. 연구자들은 보이지 않는 존재를 증명하기 위해 다양한 가능성을 열어두고 연구하며, 우리가 아는 우주의 지평선 너머에 무엇이 있을지 끊임없이 질문을 던집니다. 이러한 과정은 우주의 근본 원리를 밝히는 동시에 우리가 상상하지 못한 새로운 미래를 여는 열쇠가 됩니다. 이 연구실은 입자물리학, 우주론, 중력파 등 여러 분야를 유기적으로 연결하여 연구를 진행합니다. 얼핏 서로 다른 분야처럼 보일 수 있으나, 초기 우주라는 지점에서 이들은 긴밀하게 맞닿아 있습니다. 특히 현상론은 추상적인 이론과 구체적인 실험 사이를 잇는 다리 역할을 수행합니다. 이론적 질문에 답할 수 있는 실험을 설계하거나, 현재 진행 중인 실험 결과가 이론적으로 어떤 의미를 갖는지 해석하는 것이 이들의 핵심적인 임무라고 할 수 있습니다. 암흑 물질은 빛이나 전하와 상호작용하지 않기에 그 성질을 밝히기가 매우 어렵습니다. 존재가 알려진 지 수십 년이 흘렀음에도 여전히 베일에 싸여 있는 이유입니다. 연구진은 아인슈타인의 장 방정식과 같은 물리 법칙을 바탕으로, 확률적인 현상과 비확률적인 자연 현상을 모두 아우르며 우주의 가장 작은 구성원들이 어떻게 상호작용하는지 그 비밀을 풀어나가고 있습니다. 중력파는 이 보이지 않는 세계의 비밀을 풀어줄 중요한 단서가 될 것으로 기대됩니다. 훌륭한 물리학자가 되기 위해서는 거창하고 심오한 이론에만 매몰되기보다 우리 주변의 일상적인 현상에 관심을 가져야 합니다. 밤길의 자동차 전조등이 퍼져 보이는 이유나 하늘이 파란 이유 같은 소박한 질문들이 사실은 물리학의 본질과 맞닿아 있기 때문입니다. 또한 한 가지 주제에만 깊게 파고들기보다는 다양한 현상에 호기심을 느끼고 새로움을 추구하는 태도가 중요합니다. 익숙한 풍경 속에서 낯선 물리 법칙을 발견하려는 노력이 우주의 비밀에 다가가는 첫걸음이 됩니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정에는 필연적으로 슬럼프와 어려움이 따르기 마련입니다. 하지만 이를 극복하는 회복 탄력성을 갖추고 꾸준히 나아가는 것이 과학자로서의 중요한 자질입니다. 수학과 물리학을 사랑하며 우주의 비밀을 실험 가능한 영역에서 풀어보고 싶은 열정이 있다면 누구나 이 탐험에 동참할 수 있습니다. 상상하기 어려운 영역을 다루기에 진입 장벽은 높지만, 그만큼 연구의 과정은 가치 있습니다. 학계의 미래를 이끌어갈 새로운 인재들이 이 흥미로운 여정에 함께하기를 기대합니다.

정성훈

카오스재단연구뭐하지

물리학

[연구뭐하지] 이원종 교수_서울대학교 '격자게이지이론연구실' | 시공간을 유한하게 쪼개는 격자게이지이론

현대 물리학에서 시공간은 본래 연속적인 개념이지만, 이를 컴퓨터로 구현하기에는 자유도가 무한하다는 한계가 있습니다. 격자게이지이론은 이러한 시공간을 유한한 격자 형태로 쪼개어 컴퓨터 프로그래밍이 가능하도록 만드는 혁신적인 방법론입니다. 연구자들은 복잡한 자연의 강력 현상을 수치화하여 계산한 뒤, 격자 간격을 다시 영으로 수렴시키는 과정을 통해 우리가 실제로 살아가는 연속적인 시공간의 물리적 결과를 도출해냅니다. 이는 기존의 해석적인 방법으로는 풀기 어려웠던 복잡한 방정식들을 해결하는 핵심적인 열쇠가 되어 현대 물리학의 발전을 이끌고 있습니다. 물리학의 세계는 새로운 이론을 제안하는 이론 물리와 이를 객관적으로 검증하는 실험 물리로 나뉩니다. 격자게이지이론 연구실은 손으로 직접 계산하기 어려운 이론치들을 슈퍼컴퓨터를 활용해 정밀하게 산출해내는 역할을 수행합니다. 이렇게 도출된 이론치가 실험치와 일치하는지 확인함으로써 현대 물리학의 근간인 표준 모형의 정밀도를 검증하며, 기존 이론이 가진 잠재적인 문제점이나 새로운 물리 법칙의 가능성을 깊이 있게 탐구합니다. 이론과 실험의 간극을 메우는 이러한 작업은 우주의 근본 원리를 이해하는 데 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 연구진은 엡실론 K 파라미터나 메존의 붕괴 상수와 같은 정밀한 물리량들을 계산하기 위해 직접 슈퍼컴퓨터를 설계하고 구축합니다. 시중의 부품들을 직접 조립하고 운영체제를 설치하며 연구에 최적화된 계산 환경을 만드는 과정은 그 자체로 거대한 도전입니다. 때로는 컴퓨터를 구축하는 데에만 수년의 시간이 소요되기도 하지만, 이러한 과정을 통해 연구자들은 물리학적 지식뿐만 아니라 고도의 전산 능력까지 겸비하게 됩니다. 성경 속 지명을 딴 컴퓨터들은 지금 이 순간에도 우주의 신비를 풀기 위한 방대한 연산을 묵묵히 수행하며 연구의 든든한 버팀목이 되어줍니다. 연구실의 교육 철학은 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 학계에서 독자적으로 생존할 수 있는 연구자를 양성하는 데 집중되어 있습니다. 지도 교수의 엄격한 훈련 방식은 학생들이 자신의 연구 결과에 대해 누구에게도 의존하지 않고 스스로 증명해낼 수 있는 역량을 갖추게 하려는 의도에서 비롯됩니다. 이러한 혹독한 과정은 연구자가 학계의 리더로서 성장하기 위한 필수적인 밑거름이 됩니다. 자유로운 토론 분위기와 서로의 시간을 존중하는 문화 속에서 학생들은 점차 한 사람의 당당한 과학자로서 주체성을 확립해 나가며 미래의 연구를 준비합니다. 격자게이지이론의 길은 과거 프린스턴 대학교와 컬럼비아 대학교 시절, 컴퓨터를 활용한 물리 연구의 비전을 제시받았던 경험에서 시작되었습니다. 양성자의 질량이나 하드론의 특성을 직접 계산해낼 수 있다는 사실은 연구자들에게 커다란 지적 호기심과 재미를 선사합니다. 이론적으로만 존재하던 이론치들을 컴퓨터를 통해 구체화하고, 이를 실제 실험 결과와 대조해보는 과정은 물리학이 가진 본연의 매력을 보여줍니다. 비록 과정은 어렵고 복잡할지라도 우주의 근본 원리를 수치로 증명해가는 여정은 과학자들에게 멈출 수 없는 열정의 원동력이 되어줍니다.

이원종

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물리학
천문학

[과학자가 쓴 과학책#2] 불멸의 원자 by이강영 | KAOS X 공원생활 특집

이강영 교수의 저서 '불멸의 원자'는 현대 물리학의 정수를 우아한 문체로 담아낸 과학 에세이집입니다. 저자는 물리학자로서의 전문성을 바탕으로 원자, 쿼크, 힉스 입자 등 최첨단 물리학의 지형을 대중의 눈높이에서 조망합니다. 특히 이 책은 단순히 지식을 전달하는 데 그치지 않고, 과학자들의 삶과 그들이 추구했던 불멸의 꿈을 입체적으로 그려냅니다. 독자들은 어떤 페이지를 펼치더라도 현대 물리학이 밝혀낸 우주의 신비로운 풍광을 마주하며, 과학이라는 학문이 가진 지적인 매력에 깊이 빠져들게 됩니다. 진공에 대한 인류의 탐구는 17세기 마그데부르크 반구 실험을 통해 시각적인 충격을 주며 시작되었습니다. 폰 게리케는 공기를 뺀 구리 공이 서른 마리의 말이 당겨도 떨어지지 않는 모습을 보여줌으로써 진공의 강력한 위력을 증명했습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 원자의 운동을 위해 진공의 존재를 처음 제안한 이래, 아리스토텔레스의 철학과 뉴턴의 절대 공간 개념이 충돌하며 진공의 정의는 끊임없이 진화해 왔습니다. 이는 단순히 비어 있는 공간을 넘어 실재의 본질을 묻는 질문이었습니다. 현대 물리학에서 진공은 단순히 비어 있는 상태가 아니라 가장 낮은 에너지 상태를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물질은 곧 에너지이므로, 진공이 되기 위해서는 모든 물질이 제거되어야 합니다. 하지만 물질이 없다고 해서 완전히 비어 있는 것은 아닙니다. 우주 공간은 빅뱅의 흔적인 우주배경복사라는 빛으로 가득 차 있으며, 우리가 보는 진공은 사실 전자기파에 의해 정의된 상태에 불과합니다. 즉, 진공은 관찰하는 척도에 따라 그 모습이 달라지는 역동적인 공간입니다. 진공의 모습은 자연의 네 가지 기본 힘에 따라 각기 다른 얼굴을 드러냅니다. 중력의 관점에서 진공은 시공간의 휘어짐이 전혀 없는 완벽하게 평평한 상태를 의미하며, 이는 물질과 시공간의 상호작용이 최소화된 지점입니다. 반면 원자핵을 결합하는 강한 핵력의 세계에서 진공은 훨씬 복잡한 수학적 구조를 가집니다. 강한 핵력에 의한 진공은 여러 상태가 존재할 수 있으며, 우리 우주는 그중 가장 간단한 형태의 진공을 선택하고 있는 것으로 보입니다. 이러한 다양성은 진공이 우주의 근본 원리와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 약한 핵력의 영역에 이르면 진공의 개념은 더욱 신비로워집니다. 힉스 입자는 약한 핵력의 진공 상태를 결정하며, 이 과정에서 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 우리가 경험하는 물질 세계의 성질들이 사실은 이 특수한 진공 상태에서 비롯된 결과물인 셈입니다. 결국 마그데부르크 반구 속 비어 있던 공간은 현대 물리학의 눈으로 볼 때 에너지가 요동치고 힘의 법칙이 살아 숨 쉬는 장소였습니다. 진공에 대한 이해의 변화는 우리가 우주를 바라보는 패러다임이 얼마나 깊고 넓어졌는지를 잘 보여줍니다.

이강영

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물리학

[강연] 어떤 숫자-에너지에 관하여 _ by이강영｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 1강

에너지는 우리 일상에서 매우 친숙하게 쓰이는 단어이지만, 과학적으로 그 본질을 정의하기란 결코 쉽지 않은 과제입니다. 우리는 흔히 힘이나 연료, 전기를 떠올리며 에너지를 소비한다고 말하지만, 물리학의 관점에서 에너지는 결코 사라지지 않고 형태만 바뀔 뿐입니다. 운동 에너지, 퍼텐셜 에너지, 열, 빛 등 다양한 모습으로 나타나는 에너지는 세상을 움직이는 근본적인 동력이며, 과학자들은 아주 오래전부터 이 보이지 않는 양의 실체를 파악하기 위해 끊임없이 질문을 던져왔습니다. 에너지는 단순한 도구가 아니라 자연의 질서를 유지하는 핵심 요소입니다. 에너지 개념의 역사적 출발점은 17세기 라이프니츠의 '생명의 힘(vis viva)'이라는 통찰에서 찾을 수 있습니다. 그는 물체가 움직일 때 질량과 속력의 제곱을 곱한 양이 충돌이나 변화 속에서도 변하지 않고 유지된다는 사실에 주목했습니다. 이는 동시대 뉴턴이 강조한 운동량과는 또 다른 측면의 보존량이었습니다. 이후 토마스 영이 이 개념에 '에너지'라는 이름을 붙였고, 코리올리가 이를 '운동 에너지'로 구체화하면서 물리학의 핵심 개념으로 자리 잡게 되었습니다. 이러한 역사적 흐름은 에너지가 보존되는 양이라는 인식을 확립하는 과정이었습니다. 에너지는 단순히 움직이는 물체에만 존재하는 것이 아니라, 잠재된 능력의 형태로도 존재합니다. 이를 퍼텐셜 에너지라고 부르는데, 높은 곳에 있는 물체나 압축된 용수철은 언제든 일을 할 수 있는 상태를 유지합니다. 롤러코스터가 높은 곳에서 떨어지며 속력을 얻는 과정은 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환되는 대표적인 사례입니다. 이처럼 에너지의 형태는 끊임없이 변하지만, 외부와 차단된 닫힌계 안에서 그 전체 합은 항상 일정하게 유지됩니다. 이는 에너지가 형태를 바꿀 뿐 생성되거나 소멸되지 않는다는 원리를 잘 보여줍니다. 19세기 제임스 줄은 정밀한 실험을 통해 역학적인 일과 열이 서로 동등하다는 사실을 증명하며 에너지의 범위를 획기적으로 확장했습니다. 추를 떨어뜨려 물속의 프로펠러를 돌리면 물의 온도가 올라가는 현상을 측정함으로써, 눈에 보이지 않는 열 역시 에너지의 한 형태임을 밝혀낸 것입니다. 이 발견은 에너지 보존 법칙이 단순히 역학적 운동을 넘어 열역학의 영역까지 아우르는 보편적인 자연 법칙임을 확립하는 결정적인 계기가 되었습니다. 오늘날 우리가 사용하는 에너지 단위인 '줄'은 그의 업적을 기리기 위해 명명된 것입니다. 에너지가 왜 보존되는가에 대한 근원적인 해답은 20세기 수학자 에미 뇌터에 의해 밝혀졌습니다. 뇌터의 정리에 따르면, 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않는 '시간 대칭성'을 가질 때 그에 대응하는 보존량이 존재하는데 그것이 바로 에너지입니다. 즉, 어제의 물리 법칙과 오늘의 물리 법칙이 같다면 에너지는 수학적으로 반드시 보존될 수밖에 없습니다. 이는 에너지 보존이 단순한 경험적 관찰을 넘어 우주의 본질적인 구조와 깊게 연결되어 있음을 의미합니다. 물리 법칙이 존재하는 한 에너지는 필연적으로 보존되는 우주의 약속과도 같습니다. 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 통해 질량 또한 에너지의 한 형태라는 혁명적인 개념을 제시했습니다. 유명한 공식인 E=mc²은 아주 작은 질량이라도 어마어마한 에너지로 전환될 수 있음을 보여주며, 질량 보존 법칙을 에너지 보존 법칙으로 통합시켰습니다. 현대 물리학에서는 물질을 구성하는 입자들조차 '양자 장'이라는 에너지의 다발로 이해하기도 합니다. 결국 우리가 물질이라고 믿는 실체는 에너지와 물리적 성질이 결합하여 나타나는 현상이며, 우주의 가장 근원적인 바탕에는 에너지만이 존재할지도 모른다는 통찰을 제공합니다. 우주론의 관점에서 에너지는 더욱 거대한 질문을 던집니다. 우주가 가속 팽창하고 있다는 사실이 밝혀지면서, 우리가 아직 정체를 모르는 '암흑 에너지'가 우주의 대부분을 차지하고 있다는 점이 드러났습니다. 일반 상대성 이론의 틀 안에서 우주 전체의 에너지가 어떻게 정의되고 보존되는지에 대해서는 여전히 현대 물리학의 최전선에서 치열한 논의가 이어지고 있습니다. 에너지는 단순한 숫자를 넘어, 우주의 시작과 진화, 그리고 마지막을 설명하는 가장 강력하고 신비로운 열쇠로 남아 우리에게 끊임없는 호기심을 자극합니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 이강영_ E=mc^2, 에너지 보존법칙 싹 다 정리합니다 | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

물리학자는 자유로운 상상가이기보다 데이터와 우주라는 자연의 법칙에 묶여 있는 탐구자입니다. 지난 20여 년간 유럽입자물리연구소(CERN)의 LEP와 LHC, 그리고 미국의 테바트론 같은 거대 가속기들은 새로운 물리 현상을 발견하는 핵심적인 무대가 되어왔습니다. 이곳에서 이론을 실제로 구현하고 새로운 상호작용이나 입자 그리고 대칭성을 찾아내는 과정은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 연구 분야입니다. 우리가 알고 있는 이론이 가속기라는 거대한 실험 장치 속에서 어떻게 증명되는지를 지켜보는 것은 우주의 비밀을 푸는 첫걸음이라 할 수 있습니다. 현재 입자물리학의 표준모형은 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 정교하게 우주를 설명하고 있습니다. 하지만 이 완벽해 보이는 이론에도 여전히 우리가 납득하지 못하는 공백이 존재합니다. 예를 들어 입자 세대 간의 관계나, 표준모형 너머에 존재할 새로운 물리 법칙에 대한 의문은 여전히 남아 있습니다. 이에 따라 최근의 연구는 천체물리학적 관점에서 암흑물질의 정체를 규명하는 방향으로 확장되고 있습니다. 보이지 않는 존재를 탐구하고 실험하는 과정은 물리학이 나아가야 할 새로운 지평을 제시합니다. 에너지가 원래부터 존재해서 보존되는 것이 아니라, 이 세상에 무언가 변하지 않고 보존되는 것이 있다는 믿음에서 에너지라는 개념이 정립되었습니다. 즉, 관찰과 실험을 통해 확인된 '보존되는 물리량'을 우리가 에너지라고 부르기로 약속한 것에 가깝습니다. 이러한 관점의 전환은 에너지를 단순한 수치가 아닌, 우주의 질서를 유지하는 근본적인 속성으로 이해하게 만듭니다. 보존이라는 속성이야말로 에너지를 정의하는 가장 중요한 열쇠이며, 물리학의 근간을 지탱하는 핵심 원리로서 우리 곁에 존재하고 있습니다. 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²은 질량이 곧 에너지의 근원임을 시사합니다. 하지만 이 식의 진정한 의미는 운동항이 포함된 전체 관계식 속에서 더욱 명확해집니다. 평상시 우리는 질량 속에 내재된 거대한 에너지를 거의 느끼지 못하며 살아갑니다. 이는 마치 지표면에 있을 때 지구 중심까지의 거리를 의식하지 않는 것과 비슷합니다. 그러나 입자가 매우 높은 에너지 상태에 도달하게 되면, 질량이 부여하는 에너지와 운동을 통해 얻는 에너지의 효과를 동시에 체감하게 됩니다. 고에너지 상태는 우리가 미처 깨닫지 못했던 질량의 본질을 드러내는 순간입니다. 물질의 가장 기본적인 성질 중 하나인 스핀은 순수하게 양자역학적인 효과로 나타나는 독특한 현상입니다. 이는 고전적인 물리 상식으로는 설명하기 어려운 영역이며, 양자역학의 신비로움을 이해하는 핵심적인 주제이기도 합니다. 과학적 지식을 습득할 때는 훌륭한 저술가의 논리라도 비판적으로 수용하는 태도가 필요합니다. 에너지가 무엇인지 한마디로 정의하기는 어렵지만, 그것이 왜 필요했는지와 어떤 속성을 지니고 있는지를 추적하는 과정은 현대 물리학이 상대성이론과 양자역학을 만나 보여주는 놀라운 세계로 우리를 안내할 것입니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 과학자들이 말하는 기원 - '모든 것의 기원' 통합편

현대 우주론은 빅뱅 이론과 급팽창 이론이 결합된 표준 우주론으로 설명됩니다. 우주 초기 아주 짧은 순간에 일어난 급팽창은 양자 요동을 통해 다양한 진공에너지를 가진 다중우주의 가능성을 열어주었습니다. 이러한 거시적 우주의 탄생과 더불어 미시 세계에서는 힉스입자가 중요한 역할을 합니다. 2012년 실험적으로 증명된 힉스입자는 진공에 깔린 힉스장을 통해 기본 입자들에 질량을 부여하며 현재 우리가 보는 물질세계의 근간을 마련했습니다. 우주의 대칭성과 입자의 특정한 물리량은 물질의 근원을 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 우리가 매일 마시는 물 한 잔에는 우주의 장대한 역사가 고스란히 담겨 있습니다. 물을 구성하는 수소는 우주 탄생 직후의 빅뱅을 통해 만들어졌으며, 산소는 별의 내부에서 일어나는 핵융합 과정을 거쳐 탄생했습니다. 이처럼 물질은 빅뱅과 별의 진화라는 두 축을 통해 형성되었습니다. 약 45억 년 전 태양계가 형성될 당시, 원시 지구는 화성 크기의 행성인 테이아와 충돌하는 거대한 사건을 겪었습니다. 이 충돌의 결과로 현재의 지구가 만들어졌고, 흩어진 파편들이 모여 달이 형성되었다는 가설은 지구의 기원을 설명하는 유력한 이론입니다. 생명의 기원에 대해서는 외계유입설보다 지구 내 유기물의 결합으로 인한 자연발생설이 더 많은 지지를 얻고 있습니다. 초기 지구에서 자기 복제가 가능한 RNA 분자가 등장하고, 이것이 점차 안정적인 DNA로 진화하면서 생명의 기초가 마련된 것으로 보입니다. 흥미로운 점은 박테리아부터 인간에 이르기까지 지구상의 모든 생명체가 공통적으로 DNA를 공유한다는 사실입니다. 이는 모든 생명이 단 하나의 세포에서 시작되었음을 시사하며, 초기 원시 세포가 만들어지는 과정은 여전히 현대 과학이 풀어야 할 신비로운 미스터리로 남아 연구가 계속되고 있습니다. 약 32억 년 전 광합성을 하는 시아노박테리아의 등장은 지구 환경을 획기적으로 변화시켰습니다. 이들이 배출한 산소는 당시 혐기성 생물들에게는 치명적인 독소였으나, 생명체들은 공생을 통해 이를 극복했습니다. 혐기성 박테리아가 호기성 박테리아를 받아들여 미토콘드리아가 되고, 일부는 시아노박테리아를 흡수해 엽록체가 되는 세포내공생 과정을 거치며 진핵생물이 탄생했습니다. 이러한 진화적 사건은 동물과 식물의 분화로 이어졌으며, 복잡한 다세포 생명체가 번성할 수 있는 토대가 되었습니다. 인류의 진화는 아르디피테쿠스에서 시작하여 오스트랄로피테쿠스를 거쳐 호모 속으로 이어졌습니다. 약 200만 년 전 기후 위기 속에서 등장한 호모 에렉투스는 아프리카를 넘어 전 세계로 확산되었고, 마침내 호모 사피엔스가 유일한 인류로 남게 되었습니다. 뇌의 진화는 동물의 움직임과 밀접하게 연관되어 환경에 적응하고 문제를 해결하는 방향으로 발전해 왔습니다. 하지만 의식이나 정신의 기원, 그리고 우주가 왜 존재하는가와 같은 근원적인 질문들은 여전히 과학적 방법론의 한계를 시험하며 우리에게 깊은 철학적 과제를 던져주고 있습니다.

김대수, 김항배, 김형도, 박성찬, 서민아, 윤성철, 윤환수, 이대열, 이상희, 이석영, 이일하, 최덕근

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
생명과학
천문학
융합

[카오스 술술과학] 다중우주 (6) : 끈이론

인류는 아주 오래전부터 만물을 구성하는 단 하나의 근본 입자를 찾고자 노력해 왔습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 제안한 원자 개념은 근대 과학을 거치며 구체화되었으나, 기술이 발전함에 따라 원자 내부의 전자와 핵, 그리고 양성자와 중성자를 이루는 쿼크가 차례로 발견되었습니다. 이러한 탐구 과정은 거대한 우주의 구조를 파악하는 '줌아웃'의 여정과 동시에, 물질의 심연을 파고드는 '줌인'의 역사이기도 합니다. 과학자들은 더 이상 쪼갤 수 없는 최종 입자의 실체를 밝히기 위해 끊임없이 질문을 던져 왔습니다. 현대 물리학의 정수인 양자장론은 입자를 크기가 없는 수학적 점으로 정의하며 놀라운 성과를 거두었습니다. 이 이론에 따르면 우주는 보이지 않는 '장'으로 가득 차 있으며, 입자는 이 장이 요동치며 나타나는 파동과 같은 존재입니다. 양자장론은 실험 결과와 소수점 열 자리까지 일치할 정도로 정밀함을 자랑하지만, 중력을 설명하려 할 때 수학적 무한대가 발생하는 치명적인 한계에 부딪혔습니다. 이는 기존의 점 입자 모델로는 우주의 모든 힘을 완벽하게 통합할 수 없음을 시사하는 중요한 신호로 받아들여졌습니다. 이러한 난관을 돌파하기 위해 등장한 것이 바로 끈 이론입니다. 끈 이론은 만물의 최소 단위를 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'으로 상상합니다. 악기의 현이 진동 방식에 따라 다른 음을 내듯이, 끈의 진동 패턴에 따라 전자가 되기도 하고 쿼크가 되기도 한다는 발상입니다. 이 이론은 양자장론이 설명하지 못했던 입자들의 다양한 특성을 수학적으로 산뜻하게 유도해낼 뿐만 아니라, 점 입자 모델에서 발생하던 무한대의 문제를 자연스럽게 해결하며 중력을 포함한 모든 힘을 통합할 수 있는 강력한 가능성을 제시했습니다. 끈 이론이 수학적 일관성을 유지하기 위해서는 우리가 인지하는 4차원을 넘어선 10차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 나머지 6개의 차원은 아주 작은 공간 속으로 말려들어 있다는 '여분 차원'의 개념이 도입되었습니다. 이 숨겨진 차원의 기하학적 형태는 끈의 진동 패턴을 결정하고, 결과적으로 우리가 관측하는 물질의 성질을 규정하게 됩니다. 즉, 우리가 경험하는 물리 법칙과 입자들은 고차원 세계의 구조가 우리 차원에 투영된 결과물이라고 볼 수 있으며, 이는 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았습니다. 이후 다섯 가지 형태로 나뉘어 있던 끈 이론은 11차원의 M-이론으로 통합되며 더욱 거대한 체계를 갖추게 되었습니다. M-이론은 끈뿐만 아니라 '브레인'이라 불리는 다차원 막의 존재를 상상하며, 우주 전체를 진동하는 에너지의 거대한 교향악으로 묘사합니다. 비록 아직 실험적 증거를 확보하는 데에는 한계가 있지만, 끈 이론은 인류가 우주의 근본 원리를 이해하려는 여정에서 가장 우아하고 강력한 도구로 평가받습니다. 우리는 이 정교한 수학적 선율을 통해 우주의 탄생과 만물의 조화를 설명하려는 원대한 꿈을 계속해서 이어가고 있습니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[석학인터뷰] 그것이 알고 싶다?! 현대과학으로도 도저히 설명할 수 없는 미스터리는? _1편ㅣ미스터리 릴레이

현대 과학은 우주가 빅뱅을 통해 시작되었다는 수많은 증거를 확보했지만, 정작 그 현상이 왜 발생했는지에 대해서는 여전히 답을 내놓지 못하고 있습니다. 이것이 필연적인 사건이었는지 아니면 우연의 산물이었는지조차 명확하지 않은 상황에서, 인류가 과연 이 근원적인 질문에 답할 수 있을지는 미지수입니다. 빅뱅이라는 거대한 패러다임 속에서 우리는 우주에 대한 수많은 의문을 해결해 왔으나, 그 시작점의 본질은 여전히 인간의 지성이 도달하지 못한 미지의 영역으로 남아 있습니다. 현재 천문학계의 가장 큰 화두는 암흑 에너지와 암흑 물질의 정체를 밝히는 일입니다. 만약 이 요소들 중 하나라도 존재하지 않는다는 사실이 밝혀진다면 우리가 맹신해 온 빅뱅 이론의 근간이 흔들릴 수도 있습니다. 특히 우주 상수의 미세한 값을 이해하는 것은 현대 물리학의 성배와도 같은 과제로 여겨집니다. 수많은 학자가 이 문제에 도전해 왔으나 아직 명쾌한 해답을 찾지 못했으며, 이 수수께끼를 푸는 이는 인류 과학사에 획을 긋는 업적을 남기게 될 것입니다. 입자 물리학은 소립자를 연구하는 학문이지만, 더 근본적으로는 우주의 탄생과 진화 과정을 추적하는 학문이기도 합니다. 물리학자들은 우주를 구성하는 기본 입자들이 어떻게 상호작용하며 현재의 모습을 갖추게 되었는지 그 원리를 찾고자 합니다. 특히 우리가 살고 있는 시공간이 왜 하필 4차원인지, 혹은 우리가 인지하지 못하는 여분의 차원이 존재하는지에 대한 질문은 매우 흥미로운 주제입니다. 이러한 근본적인 원리에 대한 탐구는 우주를 설명하는 궁극적인 이론에 도달하기 위한 필수적인 과정입니다. 물질의 세계를 넘어 생명의 탄생으로 시야를 확장하면 또 다른 거대한 미스터리가 우리를 기다리고 있습니다. 무생물인 물질이 어떻게 생명력을 가진 존재로 진화했는지는 물리학이 아직 제대로 다루지 못하는 영역입니다. 우주의 역사 속에서 생명이 등장한 것이 물리 법칙이 예견한 필연인지, 아니면 극히 희박한 확률이 만들어낸 우연인지에 대한 논의는 끊이지 않습니다. 특히 인간이 가진 자의식의 정체와 그것이 어떻게 형성되었는지는 과학이 풀어야 할 가장 고차원적인 숙제 중 하나입니다. 인간의 뇌는 겉보기에는 특징 없는 조직처럼 보이지만, 의식을 만들어내고 고도의 인지 기능을 수행하는 경이로운 기관입니다. 최근의 인공지능 기술은 뇌의 기능을 모방하고 있지만, 스스로를 인식하는 '앎'의 단계에는 이르지 못했습니다. 신경과학이 의식의 비밀을 밝혀낸다면 인공지능 또한 자아를 가진 존재로 진화할 가능성이 있습니다. 더불어 인간이 대규모로 협동하는 이유나 끊임없이 출현하는 새로운 질병에 대한 연구는 생물학적 관점에서 인류의 미래를 이해하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

김대수, 김준홍, 김항배, 김형도, 박성찬, 윤성철, 이석영, 최재천

카오스재단릴레이 인터뷰

지구환경과학
천문학
융합

[석학인터뷰] 기원 릴레이 - '모든 것의 기원' 1편_우주, 질량, 소립자

현대 우주론의 근간인 표준 우주론은 빅뱅 이론과 이를 보완하는 급팽창 이론의 결합으로 이루어져 있습니다. 빅뱅 이론이 지닌 초기 조건의 한계를 극복하기 위해 등장한 급팽창 이론은 우주의 시작을 설명하는 핵심적인 틀을 제공합니다. 비록 아직 직접적인 검증이 완료되지는 않았으나, 과학자들은 이 이론이 초기 우주의 형성 과정을 설명하는 가장 유력한 방법이라는 점에 동의하고 있습니다. 현재는 초끈이론이나 중력 이론의 수정을 통해 급팽창의 구체적인 메커니즘을 밝히려는 연구가 활발히 진행 중입니다. 다중 우주론은 검증 불가능하다는 이유로 한때 과학계에서 금기시되기도 했으나, 급팽창 이론의 관점에서는 매우 자연스러운 결과로 받아들여집니다. 우주 초기 단계에서 발생한 양자요동이 지역마다 다른 진공에너지를 형성하게 되고, 이는 결국 서로 다른 물리적 특성을 지닌 수많은 우주의 탄생으로 이어질 수 있기 때문입니다. 우리가 관측할 수 있는 범위를 넘어서는 거대한 스케일에서 우리 우주와는 전혀 다른 환경을 가진 공간들이 존재할 가능성은 현대 물리학이 탐구하는 가장 흥미로운 주제 중 하나입니다. 양자역학적 관점에서의 다중 우주는 '다세계 해석'을 통해 설명되기도 합니다. 이는 양자 측정 과정에서 발생하는 파동함수의 붕괴를 이해하기 위한 시도로, 측정의 결과에 따라 우주가 여러 갈래로 나뉜다는 파격적인 개념을 담고 있습니다. 비록 이를 온전히 수용하기에는 직관적으로 거대한 도약이 필요하지만, 양자역학의 난제를 해결하는 가장 정교한 설명 중 하나로 평가받습니다. 이처럼 우주론적 급팽창과 양자역학이라는 서로 다른 두 경로를 통해 다중 우주라는 거대한 담론이 형성되고 있습니다. 입자물리학의 표준모형은 힉스 입자를 통해 기본 입자들이 질량을 얻는 과정을 설명합니다. 우주 전체에 퍼져 있는 힉스장과의 상호작용은 마치 초전도체 내부의 상전이 현상처럼 입자들에게 질량을 부여합니다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 실험을 통해 힉스 입자의 존재가 확인되면서 이 이론은 확고한 과학적 사실로 자리 잡았습니다. 다만 우리가 체감하는 질량의 대부분은 힉스 입자보다는 강한 상호작용에 의한 양성자 질량에서 기인한다는 점은 물리학의 또 다른 깊은 이면을 보여줍니다. 현대 물리학에서 입자의 성질과 상호작용을 결정하는 근본적인 원리는 바로 대칭성입니다. 시공간의 대칭성에 따라 입자들은 스핀이라는 고유한 물리량을 가지게 되며, 이는 물질을 구성하는 페르미온과 힘을 매개하는 보손을 구분 짓는 기준이 됩니다. 또한 내부 대칭성 혹은 게이지 대칭성은 빛과 물질이 어떻게 소통하고 결합하는지를 규정합니다. 결국 우주의 모든 현상은 그 기저에 흐르는 정교한 대칭성의 법칙에 의해 설계된 결과물이며, 물리학자들은 이 대칭성을 통해 우주의 근원을 이해하고자 합니다.

김항배, 김형도, 박성찬

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
천문학

[석학인터뷰] 김항배_ 양자요동이 창조주? | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

어린 시절 다락방에서 위험천만한 실험을 즐기던 소년은 이제 우주의 근원을 탐구하는 과학자가 되어 우리에게 놀라운 이야기를 들려줍니다. 현대 우주론의 근간인 급팽창 이론은 우주 내 물질이 왜 불균형하게 분포하는지를 설명하는 핵심적인 열쇠입니다. 아주 작은 미시 세계에서 발생한 양자 요동이 급팽창 과정을 거치며 거대하게 확장되었고, 그것이 오늘날 우리가 마주하는 우주의 구조를 형성했다는 것입니다. 다중우주의 관점에서 본다면, 이 양자 요동이야말로 우주를 탄생시킨 모든 것의 근원이자 일종의 창조주와 같은 역할을 수행했다고 볼 수 있습니다. 우주의 탄생에는 아주 특별한 조건이 필요합니다. 플랑크 부피라는 극미한 공간에 플랑크 에너지 수준의 고밀도 에너지가 응축된 미세한 질량이 존재한다면, 중력의 작용으로 급팽창이 일어나 현재와 같은 거대한 우주를 만들어낼 수 있습니다. 이는 중력이 가진 놀라운 힘 덕분에 가능한 일입니다. 마치 태양계 멀리서 시작된 작은 돌덩이가 태양의 중력에 이끌려 가속되며 지구를 파괴할 정도의 엄청난 에너지를 얻는 것과 유사한 원리입니다. 현대 중력 이론은 이처럼 미미한 시작이 중력을 통해 우주 전체를 채울 만큼의 거대한 에너지로 전환될 수 있음을 과학적으로 보여줍니다. 물리학자들은 물질의 궁극적인 형태를 규명하기 위해 끊임없이 노력해 왔으며, 그 대표적인 시도가 바로 끈 이론입니다. 모든 물질이 점 형태의 입자가 아닌 아주 작은 끈으로 이루어져 있다고 가정함으로써, 기존 입자 물리학에서 발생하던 무한대 문제들을 해결하고 표준 모형의 구조를 설명하고자 했습니다. 비록 이론의 난해함으로 인해 아직 완전한 예측을 내놓지는 못하고 현재는 다소 소강상태에 머물러 있지만, 끈 이론은 우주의 근본 원리를 이해하려는 인류의 지적 열망을 상징합니다. 물질의 본질을 쫓는 이러한 탐구는 앞으로도 물리학의 미래를 이끄는 중요한 이정표가 될 것입니다.

김항배

카오스재단2019 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

물리학

[석학인터뷰] 김형도_ 다중우주요? 그건 금기어에요 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

우리는 흔히 우주의 크기나 그 바깥의 존재에 대해 궁금해합니다. 하지만 우리가 관측 가능한 범위는 우주의 나이 동안 빛이 도달할 수 있는 거리에 한정되어 있습니다. 대중 강연에서 언급되는 우주의 크기나 나이는 명확한 경계가 있는 영역이라기보다, 현재의 기술과 물리 법칙 안에서 우리가 들여다볼 수 있는 한계치를 의미합니다. 따라서 그 너머에 무엇이 존재하는지에 대해서는 여전히 미지의 영역으로 남아 있으며, 이를 명확히 이해하려는 노력이 필요합니다. 입자 물리학의 오래된 난제들을 해결하기 위한 가설 중 하나로 다중우주론이 거론됩니다. 우리가 살고 있는 우주가 거대한 전체의 아주 일부분에 불과하다는 생각입니다. 만약 우리 우주 밖의 또 다른 공간들이 존재한다면, 그곳에서는 힉스 입자나 전자의 질량이 지금과는 전혀 다를 수도 있습니다. 수많은 우주 중 왜 하필 우리 우주가 지금과 같은 물리적 특성을 갖게 되었는지 설명하려는 시도이지만, 이는 아직 과학적으로 증명되지 않은 가설의 영역에 머물러 있습니다. 세상의 모든 물질은 기본 입자로 구성되어 있으며, 이 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되었는지는 물리학의 핵심 질문입니다. 표준 모형에 따르면 힉스 입자가 모든 입자의 질량을 결정하는 역할을 합니다. 힉스 입자를 이해하지 못하면 전자나 쿼크가 왜 특정한 질량을 가지는지 설명할 수 없습니다. 이 입자는 이론적으로 제시된 후 실험적으로 발견되기까지 40년 이상의 시간이 걸릴 만큼 찾기 어려웠기에 '신의 입자'라는 별칭으로도 불리며 현대 물리학에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 우주의 기원을 탐구하는 일은 현대 물리학자와 천문학자들이 지성을 다해 도전하고 있는 과제입니다. 빅뱅 직후 단 몇 초라는 짧은 순간 동안 벌어진 수많은 사건은 오늘날 우리가 관측하는 우주의 형태를 결정지었습니다. 인플레이션 이론부터 암흑 에너지와 암흑 물질에 이르기까지, 인류는 관측된 결과물들을 바탕으로 우주의 시작을 재구성하고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 과거를 돌아보는 것이 아니라, 우리가 발을 딛고 있는 이 세상이 어떻게 존재하게 되었는지를 밝히는 과정입니다. 우주에 대한 이해는 표준 모형의 힉스 입자를 넘어 중력파와 같은 새로운 관측 수단으로 확장되고 있습니다. 중력파는 우주의 초기 상태를 엿볼 수 있는 중요한 열쇠가 될 것으로 기대되며, 이는 인류가 우주를 바라보는 시각을 완전히 바꾸어 놓을 것입니다. 미지의 공간 안에는 아직 밝혀지지 않은 비밀이 가득하며, 과학은 보이지 않는 것을 증명하고 관측 가능한 범위를 끊임없이 넓혀가는 위대한 여정입니다. 앞으로도 인류는 관측된 결과들을 바탕으로 친절한 설명을 덧붙이며 우주의 기원을 향한 지적 탐험을 멈추지 않을 것입니다.

김형도

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

[파인만의 물리이야기] 전시해설 영상

리처드 파인만은 20세기 최고의 천재 물리학자로 손꼽히며, 그의 독창적인 강의는 오늘날까지도 전 세계 물리학도들에게 전설로 남아 있습니다. 1965년 양자 전기역학 이론으로 노벨 물리학상을 수상한 그는 복잡한 수식을 시각화한 '파인만 다이어그램'을 통해 이론 물리학에 혁명적인 변화를 불러일으켰습니다. 그의 삶은 단순히 학문에만 국한되지 않았으며, 봉고 연주를 즐기고 챌린저 호 사고의 원인을 규명하는 등 다방면에서 열정적인 모습을 보여주었습니다. 이러한 그의 인간적인 면모와 과학적 업적은 현대 과학이 대중에게 친숙하게 다가가는 데 큰 역할을 했습니다. 파인만은 만약 후대에 단 한 문장의 과학 지식만을 남겨야 한다면, "모든 물질은 원자로 이루어져 있다"는 말을 선택하겠다고 했습니다. 이 짧은 문장에는 세상의 작동 원리를 파악할 수 있는 방대한 정보가 담겨 있기 때문입니다. 원자적 관점에서 세상을 바라보면, 우리 주변의 공기부터 거대한 별에 이르기까지 모든 현상을 논리적으로 설명할 수 있습니다. 이는 단순히 물질의 구성을 넘어, 상상력을 더해 우주의 기원과 생명의 본질을 탐구하는 출발점이 됩니다. 원자는 보이지 않는 미시 세계의 주인공이자, 거시 세계를 지탱하는 가장 근본적인 토대입니다. 기체 분자들의 움직임을 살펴보면 원자의 역동성을 실감할 수 있습니다. 산소나 질소 분자는 초속 수백 미터의 빠른 속도로 움직이며, 수소와 같은 가벼운 원소는 지구 중력을 이기고 우주로 탈출할 만큼 강력한 에너지를 가집니다. 우리가 느끼는 온도는 사실 이러한 입자들의 평균 운동 에너지가 겉으로 드러난 물리량에 불과합니다. 입자의 운동이 활발해질수록 온도는 상승하며, 이는 절대온도의 개념으로 연결됩니다. 우리가 차갑거나 뜨겁다고 느끼는 감각은 실제 측정된 온도와 차이가 있을 수 있지만, 그 근원에는 항상 쉴 새 없이 움직이는 원자들의 에너지가 자리 잡고 있습니다. 물은 원자들의 결합이 만들어내는 가장 신비로운 물질 중 하나입니다. 대부분의 물질은 액체에서 고체가 될 때 부피가 줄어들지만, 물은 얼음이 되면서 육각형 격자 구조를 형성해 오히려 부피가 팽창하고 밀도가 낮아집니다. 또한, 물 분자의 극성은 소금과 같은 물질을 이온화시켜 녹이는 전기적 상호작용의 핵심이 됩니다. 증발 현상 역시 물 분자들이 표면에서 튀어 나가며 주변의 열을 빼앗아가는 과정으로 설명할 수 있습니다. 이처럼 일상적인 현상들 속에는 원자와 분자들이 끊임없이 충돌하고 결합하며 만들어내는 정교한 물리 법칙이 숨어 있습니다. 물질의 성질은 어떤 원자로 구성되었는지뿐만 아니라, 그 원자들이 어떻게 결합하느냐에 따라 완전히 달라집니다. 대표적인 예로 탄소 원자는 결합 방식에 따라 세상에서 가장 단단한 다이아몬드가 되기도 하고, 부드러운 흑연이 되기도 합니다. 이러한 원리의 확장은 현대 나노기술의 토대가 되었으며, 파인만은 이미 1950년대에 미시 세계의 무한한 가능성을 예견했습니다. 생명체 역시 예외는 아닙니다. DNA와 단백질 같은 복잡한 고분자들도 결국 수소, 탄소, 질소 등 몇 가지 원자들의 정교한 조합으로 이루어져 있으며, 이는 생명 현상이 원자 수준의 화학 반응임을 시사합니다. 우주의 역사를 거슬러 올라가면 원자의 탄생은 137억 년 전 빅뱅과 맞닿아 있습니다. 초고온의 우주가 식어가면서 쿼크들이 결합해 양성자와 중성자를 만들었고, 이들이 다시 전자를 붙잡아 비로소 원자가 형성되었습니다. 우주의 대부분을 차지하는 수소와 헬륨은 이러한 태초의 과정을 거쳐 탄생한 결과물입니다. 원자핵의 내부를 들여다보면 위 쿼크와 아래 쿼크의 조합이 전하량을 결정하며 물질의 기본 단위를 구성합니다. 별의 내부에서 일어나는 핵융합을 통해 더 무거운 원소들이 만들어졌고, 이 원소들이 흩어져 지구와 우리 몸을 구성하는 재료가 되었다는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 우리 몸은 약 34종의 원소로 구성되어 있으며, 질량 기준으로 산소와 탄소가 대부분을 차지합니다. 흥미로운 점은 우리 몸을 이루는 원자들이 고정된 것이 아니라, 1년 동안 약 98%가 새로운 원자로 교체되며 끊임없이 자연과 순환한다는 사실입니다. 피부는 2주마다, 적혈구는 120일마다 완전히 새로운 원자들로 채워집니다. 결국 '나'라는 존재는 고정된 물질 덩어리가 아니라, 원자들이 잠시 머물다 가는 역동적인 흐름의 장이라고 할 수 있습니다. 원자적 관점에서 보면 생물과 무생물, 그리고 인간과 자연 사이의 경계는 허물어지며 우리는 모두 거대한 우주의 일부임을 깨닫게 됩니다.

국립과천과학관과학실험교실🧪

물리학
화학
생명과학
천문학

[강연] Incredible Quantum + 우주, 인간, 선택 by박권, 송영조 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 2부 | 2부

양자역학은 우리가 보는 고전역학적 세상을 넘어선 우주의 참된 실체입니다. 흔히 고전역학을 양자역학의 근사라고 부르는데, 이는 우리가 인지하는 세상이 사실은 거대한 양자적 현상의 일부분임을 시사합니다. '인크레더블 퀀텀'이라는 이름처럼 양자역학은 믿기 힘들 정도로 경이로운 원리들로 가득 차 있으며, 현대 물리학이 추구하는 '모든 것의 이론'에 가장 근접한 학문입니다. 우주를 구성하는 근본적인 원리를 이해하려는 여정은 바로 이 양자역학이라는 낯설고도 아름다운 세계를 받아들이는 것에서부터 시작됩니다. 영화 '컨택트'에 등장하는 외계인들은 인간과 달리 시간을 선형적인 인과관계로 보지 않고 모든 가능성을 동시에 바라봅니다. 이는 양자역학이 우주를 해석하는 방식과 매우 닮아 있습니다. 양자역학의 관점에서 우주는 고정된 입자들의 집합이 아니라 끊임없이 출렁이는 파동의 바다와 같습니다. 모든 존재는 공간에 퍼져 있는 확률적 파동으로 기술되며, 이러한 파동의 성질을 이해할 때 비로소 우리는 우주를 구성하는 네 가지 근본적인 힘 중 세 가지를 하나로 통합하여 설명할 수 있는 단초를 얻게 됩니다. 양자역학에서 우주가 파동이라는 사실은 곧 우주가 복소수로 이루어져 있음을 의미합니다. 복소수는 실수와 허수라는 두 개의 숫자로 구성되는데, 이는 파동의 크기뿐만 아니라 '위상'이 존재함을 뜻합니다. 흥미롭게도 이 위상 자체는 확률에 영향을 주지 않지만, 물리학에서는 이를 '게이지 대칭성'이라는 핵심 원리로 활용합니다. 파동의 위상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 이 대칭성은 서로 달라 보이는 자연계의 힘들을 하나의 원리로 묶어주는 강력한 도구가 되어 현대 물리학의 표준 모형을 완성하는 기반이 됩니다. 현대 물리학의 정수인 표준 모형은 17개의 기본 입자로 우주의 모든 현상을 설명하려 합니다. 하지만 전자기력과 약력, 강력이라는 세 가지 힘을 통합하는 과정에서 예상치 못한 난관에 부딪혔습니다. 이론적으로 힘들을 통합하면 모든 입자가 질량을 잃고 빛의 속도로만 움직여야 한다는 결론에 도달하기 때문입니다. 우리가 존재하기 위해서는 반드시 질량이 필요하지만, 힘의 통합이라는 원리는 질량의 존재를 부정하는 모순적인 상황을 만듭니다. 이 거대한 모순을 해결하기 위해 등장한 것이 바로 우주 전체에 퍼져 있는 힉스 장의 개념입니다. 힉스 메커니즘의 원리는 놀랍게도 저온에서 저항이 사라지는 초전도체 현상에서 힌트를 얻었습니다. 초전도체 내부에서는 빛이 질량을 가진 것처럼 행동하여 내부로 깊이 침투하지 못하는데, 이를 통해 자석이 공중에 뜨는 자기 부상 효과가 나타납니다. 이와 마찬가지로 우주 초기에는 질량이 없던 입자들이 힉스 장과 상호작용하며 마치 끈적한 공간을 지나듯 느려지게 되었고, 이것이 우리가 인지하는 '질량'의 기원이 되었습니다. 즉, 우리가 지금 이 자리에 존재할 수 있는 이유는 우주 전체가 일종의 거대한 초전도체와 같은 상태이기 때문입니다. 이러한 질량의 탄생과 질서의 형성은 '자발적 대칭성 붕괴'라는 원리로 설명됩니다. 미어캣들이 각자 주변을 살피다가 한 마리가 특정 방향을 보면 나머지도 덩달아 그곳을 주시하며 전체적인 질서가 생기는 것과 같습니다. 입자들 사이의 미세한 상호작용이 거대한 우주적 질서를 만들어내고, 이는 다시 개별 입자들에게 질량이라는 속성을 부여합니다. 부분의 성질이 모여 전체의 현상을 만들고, 그 전체의 상태가 다시 부분의 운명을 결정하는 이 유기적인 연결 고리야말로 양자역학이 보여주는 우주의 가장 신비로운 단면 중 하나라고 할 수 있습니다. 만약 물리학이 발전하여 인간의 뇌 신호와 선택까지 모두 계산할 수 있다면 우리의 '자유 의지'는 어떤 의미를 가질까요? 벤자민 리벳의 실험은 우리가 의식적인 결정을 내리기 전 이미 뇌가 반응하고 있음을 보여주며 결정론적인 우주관에 힘을 실어주기도 했습니다. 하지만 양자역학은 미래가 확률적으로 결정된다고 말하며, 복잡계 물리학은 수많은 입자로 이루어진 인간 시스템의 미래를 완벽히 예측하는 것이 불가능함을 시사합니다. 결국 모든 것의 이론을 찾는 여정은 우주의 법칙을 밝히는 동시에, 그 안에서 살아가는 인간의 존엄과 자유의 본질을 묻는 질문이기도 합니다.

박권

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 게임이론 - 인간의 행동을 예측하다 (1) _ by한순구 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 6강 | 6강 ①

우주의 기원에 대한 탐구는 인류 역사상 가장 오래된 질문 중 하나입니다. 우리는 어디에서 왔으며, 이 거대한 우주는 어떻게 시작되었는지에 대한 해답을 찾기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 현대 과학은 이 질문에 대해 '빅뱅 이론'이라는 강력한 설명을 제시합니다. 약 138억 년 전, 상상할 수 없을 만큼 작고 뜨거운 한 점에서 시작된 빅뱅은 시간과 공간, 그리고 물질의 탄생을 알리는 서막이었습니다. 이러한 과학적 통찰은 단순한 호기심을 넘어 존재의 근원을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 빅뱅 직후의 우주는 극도로 높은 에너지 상태였으며, 우리가 현재 알고 있는 물리 법칙들이 하나로 통합되어 있었습니다. 우주가 팽창하며 온도가 낮아짐에 따라 중력, 강력, 약력, 전자기력이라는 네 가지 기본 상호작용이 차례로 분리되었습니다. 이 과정은 우주의 구조를 결정짓는 결정적인 순간들이었으며, 물질이 존재할 수 있는 기초적인 환경을 조성했습니다. 초기 우주의 급격한 팽창인 인플레이션 이론은 오늘날 우리가 관측하는 우주의 균일성과 평탄성을 설명하는 데 중요한 역할을 합니다. 우주가 탄생하고 아주 짧은 시간이 흐른 뒤, 쿼크와 경입자 같은 기본 입자들이 등장하기 시작했습니다. 초기에는 너무 뜨거워 입자들이 결합하지 못하고 에너지가 소용돌이치는 상태였으나, 온도가 점차 내려가면서 쿼크들이 결합하여 양성자와 중성자를 형성했습니다. 이는 물질세계를 구성하는 가장 기본적인 벽돌이 만들어진 셈입니다. 이 시기의 역동적인 변화는 우주가 단순한 에너지의 집합체에서 구체적인 형태를 갖춘 물질의 세계로 진화해 나가는 중요한 전환점이 되었습니다. 빅뱅 후 약 3분 정도가 지났을 때, 우주의 온도는 핵융합이 일어날 수 있을 만큼 낮아졌습니다. 이때 수소 원자핵들이 결합하여 헬륨 원자핵이 만들어졌으며, 이는 오늘날 우주에 존재하는 원소 비율의 기초가 되었습니다. 그로부터 약 38만 년이 지나 우주가 충분히 식었을 때, 빛이 물질의 방해를 받지 않고 직진할 수 있게 된 '우주배경복사'가 발생했습니다. 이 빛은 오늘날 우리가 관측할 수 있는 가장 오래된 흔적으로, 초기 우주의 상태를 고스란히 간직한 화석과도 같은 존재입니다. 현대 물리학이 밝혀낸 우주의 역사는 인간의 지성이 도달한 위대한 성취 중 하나입니다. 우리는 아주 작은 입자들의 상호작용을 통해 거대한 은하와 별, 그리고 생명체의 기원을 추적할 수 있게 되었습니다. 하지만 여전히 암흑물질이나 암흑에너지와 같이 우리가 풀지 못한 숙제들이 많이 남아 있습니다. 우주의 기원을 연구하는 것은 단순히 과거를 돌아보는 일이 아니라, 우리가 살고 있는 세계의 본질을 이해하고 미래를 향한 새로운 지평을 여는 과정입니다. 과학은 오늘도 그 신비로운 베일을 하나씩 벗겨내고 있습니다.

한순구

카오스재단카오스강연

수학
융합

[카오스 술술수학] All Is Number!

피타고라스는 '모든 것은 수다'라고 선언하며 세상의 규칙을 수로 설명하려 했습니다. 그는 직각삼각형의 빗변과 나머지 두 변 사이의 관계를 밝혀낸 피타고라스의 정리를 발견하고 신에게 감사를 표할 정도로 수의 질서에 감탄했습니다. 반면 아리스토텔레스는 수에 과도한 의미를 부여하는 그를 비웃기도 했습니다. 현대 수학자 김민형 교수는 수의 본질이 단순한 숫자의 나열이 아닌 '연산'에 있다고 정의합니다. 특정 체계 안에서 계산을 통해 새로운 의미를 창출할 수 있는 구조만이 수의 자격을 갖춘다는 것이 그의 핵심적인 주장입니다. 우리는 흔히 숫자가 있어야만 수라고 생각하지만, 연산이 가능하다면 숫자가 없어도 수로 정의될 수 있습니다. 예를 들어 기하학적 대상인 점들도 기준점이 존재한다면 서로 더하거나 곱하여 새로운 점을 만들어낼 수 있습니다. 이러한 논리는 3차원 도형으로도 확장됩니다. 도넛 모양의 도형에 구를 더하는 연산이 가능하며, 이때 구는 숫자 0과 같은 역할을 수행합니다. 우리가 어린 시절 낯선 숫자의 덧셈을 익혔던 것처럼, 수의 본질이 숫자가 아닌 연산에 있다는 사실을 받아들이면 기하학적 대상들 또한 수의 범주에 포함된다는 사실을 깨닫게 됩니다. 수의 개념은 자연수에서 실수와 허수를 넘어 이제는 물리학의 영역까지 닿아 있습니다. 리처드 파인만이 고안한 '파인만 도형'은 전자와 양전자가 만나 빛이 되는 과정을 입자 연산으로 보여줍니다. 이는 우주를 구성하는 기본 입자들조차 수의 체계 안에서 작동하고 있음을 시사합니다. 과거 피타고라스가 외쳤던 통찰은 현대 수학과 물리학을 통해 증명되고 있습니다. 우주의 모든 만물이 입자로 이루어져 있고 그 입자가 연산 가능한 수라면, 결국 우리가 마주하는 거대한 우주 전체가 하나의 정교한 수의 집합체인 셈입니다.

카오스재단술술과학

수학

[강연] 과학에서 '본다'는 것은 무엇인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 1부 2강 | 1부 ②

과학에서 '본다'는 개념은 단순히 시각적 정보를 수용하는 단계를 넘어 실체적 진실을 탐구하는 과정으로 확장되었습니다. 과거에는 육안으로 확인 가능한 것만을 존재의 증거로 삼았으나, 현대 물리학은 보이지 않는 미시 세계와 거대 우주를 탐구하며 인식의 지평을 넓혔습니다. 이제 본다는 것은 빛의 파장을 이용한 직접적인 관찰을 넘어, 다양한 물리적 상호작용을 통해 대상의 정보를 추출하고 해석하는 고도의 지적 활동으로 정의됩니다. 원자와 같은 미시 입자는 빛의 파장보다 작아 원리적으로 가시광선으로는 볼 수 없습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 X선이나 전자빔을 활용하여 원자의 정보를 시각화하는 방식을 고안했습니다. 이는 인간의 생물학적 한계를 기술적 도구로 보완한 사례입니다. 중성미자나 블랙홀처럼 전자기 상호작용을 하지 않거나 신호를 주지 않는 존재들 역시, 그들이 주변에 미치는 영향이나 약한 상호작용을 포착함으로써 간접적으로 '보는' 것이 가능해졌습니다. 현대 입자 물리학에서 힉스 보존과 같은 입자를 관측할 때, 과학자들이 실제로 마주하는 것은 화려한 이미지가 아니라 검출기에서 발생하는 전기적 신호와 숫자 데이터입니다. 대중에게 공개되는 입자 궤적 그림은 이해를 돕기 위한 시각적 재구성에 불과하며, 과학적 본질은 오차가 적은 데이터를 정확하게 정의하고 추출하는 데 있습니다. 즉, 과학적 관찰의 핵심은 시각적 형상을 만드는 것이 아니라 신뢰할 수 있는 물리적 수치를 확보하는 과정이라 할 수 있습니다. 과학적 관찰에서 도구의 중요성은 갈릴레오의 망원경 사용 이후 결정적인 전환점을 맞이했습니다. 하지만 도구를 통해 본 것이 항상 객관적인 실재를 보장하는 것은 아닙니다. 갈릴레오가 그린 달의 분화구 그림이나 헤켈의 배아 발생도는 관찰자의 이론적 배경이나 믿음이 투영된 결과물이기도 했습니다. 이는 과학적 관찰이 단순히 렌즈를 통해 들어오는 빛을 수동적으로 받아들이는 것이 아니라, 관찰자의 패러다임에 따라 재구성될 수 있음을 시사합니다. 새로운 관측 기구의 신뢰성을 확보하기 위해 과학자들은 '미세 조정(Calibration)'이라는 과정을 거칩니다. 이미 알고 있는 대상을 새로운 기구로 측정하여 기존의 결과와 비교함으로써 기구의 타당성을 검증하는 것입니다. 전자현미경이나 원자현미경으로 얻은 이미지가 실제 미시 세계의 모습이라고 확신할 수 있는 이유는, 이러한 엄밀한 조작과 검증 과정이 뒷받침되기 때문입니다. 따라서 과학적 '봄'은 기구와 이론, 그리고 실험적 조작이 결합된 복합적인 산물입니다. DNA의 이중나선 구조나 뇌 영상 이미지(fMRI)는 일반인의 눈에는 모호한 형체로 보일 수 있지만, 훈련된 과학자는 그 안에서 유의미한 패턴을 읽어냅니다. 여기에는 고도의 이론적 해석과 암묵지가 개입됩니다. 특히 뇌 영상의 경우, 특정 부위의 활성화는 복합적인 데이터 처리와 해석 과정을 거쳐 도출된 결과물입니다. 이처럼 과학적 이미지는 있는 그대로의 자연을 비추는 거울이라기보다, 이론이라는 렌즈를 통해 정제된 지식의 표현에 가깝습니다. 결국 과학에서 본다는 것은 인간이라는 생물학적 존재가 가진 한계를 극복하려는 끊임없는 시도입니다. 과학자들은 데이터의 객관성을 추구하면서도, 동시에 직접 보고 싶어 하는 인간 본연의 욕구를 지니고 있습니다. 관찰의 과정에는 이론적 합의와 사회적 검증, 그리고 과학자들의 인내와 논쟁이 수반됩니다. 과학적 발견은 자연이 스스로 드러내는 것이 아니라, 인간이 정교한 도구와 이론을 통해 자연과 대화하며 얻어낸 값진 해석의 결과입니다.

이강영, 홍성욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 물질의 기원 (4) - 패널토의 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ④

우주의 시작은 거대한 에너지의 분출이었습니다. 빅뱅의 순간, 형체도 없던 순수한 에너지는 찰나의 시간 속에 물질과 빛으로 변모하며 우주의 역사를 써 내려가기 시작했습니다. 이 과정에서 탄생한 기본 입자들은 오늘날 우리가 보는 모든 만물의 근간이 되었습니다. 초기 우주의 높은 온도와 밀도 속에서 에너지가 질량을 가진 입자로 응축되는 과정은 현대 과학이 밝혀낸 가장 경이로운 사건 중 하나입니다. 이러한 변화는 단순한 물리적 현상을 넘어, 무(無)에서 유(有)가 창조되는 우주적 오케스트라의 서막과도 같았습니다. 물질의 최소 단위로 알려진 쿼크는 현대 물리학의 핵심적인 연구 대상입니다. 특히 업 쿼크와 다운 쿼크는 양성자와 중성자를 구성하는 가장 중요한 요소로, 이들의 조합에 따라 원자핵의 성질이 결정됩니다. 흥미로운 점은 쿼크가 단독으로 존재하지 않고 강력한 핵력에 의해 서로 묶여 있다는 사실입니다. 아무리 강한 에너지를 가해도 이들을 개별적으로 떼어낼 수 없다는 점은 자연이 설계한 정교한 질서를 보여줍니다. 이는 마치 원자핵이라는 견고한 성벽 안에 갇혀 외부로 나오지 못하는 입자들의 운명을 상징하는 듯합니다. 동양 철학의 노자는 '도가 하나를 낳고, 하나가 둘을, 둘이 셋을 낳아 만물이 된다'고 말했습니다. 이는 현대 과학의 관점에서도 놀라운 통찰을 제공합니다. 빅뱅의 에너지가 빛과 물질로 나뉘고, 다시 양성자, 중성자, 전자의 세 가지 기본 요소로 조합되면서 비로소 우리가 아는 복잡한 세상이 만들어졌기 때문입니다. 피자나 고양이, 그리고 우리 자신에 이르기까지 우주의 모든 존재는 결국 이 세 가지 입자의 변주곡이라 할 수 있습니다. 세 가지 요소가 결합하여 무한한 다양성을 만들어내는 과정은 과학과 철학이 만나는 지점이기도 합니다. 우주 초기에는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었습니다. 만약 두 물질의 양이 완벽하게 일치했다면, 서로 충돌하여 빛으로 소멸하고 현재의 우주는 존재하지 않았을 것입니다. 그러나 기적적으로 물질이 반물질보다 10억분의 1 정도 더 많이 살아남았고, 그 미세한 차이가 오늘날 우리가 발을 딛고 서 있는 물질 세계를 형성했습니다. 이 신비로운 비대칭성은 과학자들이 여전히 풀고자 노력하는 우주의 거대한 수수께끼 중 하나입니다. 우리가 존재한다는 사실 자체가 10억분의 1이라는 희박한 확률이 만들어낸 결과인 셈입니다. 우리가 단단한 물체를 만질 때 느끼는 감각은 사실 원자와 원자 사이의 직접적인 접촉이 아닙니다. 원자의 내부는 태양계처럼 대부분 텅 비어 있으며, 원자핵은 아주 작은 영역만을 차지하고 있습니다. 우리가 무언가를 '만진다'고 느끼는 것은 손가락 끝의 전자와 물체 표면의 전자가 서로 밀어내는 전기적 반발력과 파울리 배타 원리 때문입니다. 즉, 우리는 우주의 텅 빈 공간 속에서 입자들의 힘이 만들어내는 정교한 상호작용을 촉각이라는 감각으로 해석하고 있는 것입니다. 만짐의 본질은 결국 전자 구름과 전자 구름이 만나는 보이지 않는 힘의 대결입니다. 과학은 끊임없이 더 작은 세계를 탐구하며 물질을 쪼개어 왔습니다. 쿼크와 렙톤이 현재로서는 가장 기본적인 입자로 여겨지지만, 초끈 이론과 같은 현대 물리학은 그 너머의 세계를 수학적으로 그려내고 있습니다. 비록 실험적으로 검증하기에는 기술적 한계가 존재하지만, 과학자들은 자연의 법칙이 단순하고 아름다울 것이라는 믿음을 바탕으로 진리를 추구합니다. 복잡한 현상을 관통하는 하나의 명쾌한 원리를 찾아내는 과정은 과학이 지닌 최고의 미학입니다. 인간의 지성이 도달할 수 있는 한계가 어디인지 묻는 과정 자체가 인류 문명을 발전시키는 원동력이 됩니다. 우주의 기원을 탐구하는 여정은 인간을 겸허하게 만듭니다. 138억 년 전의 뜨거운 가스 속에서 만들어진 입자들이 오늘날 우리의 몸을 구성하고 있다는 사실은 우리가 우주와 연결되어 있음을 상기시킵니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 자연이 남긴 정교한 설계도를 한 장씩 읽어 내려가는 인내의 과정입니다. 완성된 결과물보다 그 속에 담긴 원리와 진화의 과정을 이해할 때, 우리는 비로소 우주라는 거대한 무대의 진정한 의미를 깨닫게 됩니다. 과학적 탐구는 결국 우리가 어디에서 왔으며, 이 거대한 우주 속에서 어떤 존재인지를 찾아가는 끝없는 질문의 연속입니다.

고계원, 김성근, 김희준, 정하웅

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[강연] 물질의 기원 (2) - 빅뱅 핵합성 _ 김희준 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ②

우주의 역사는 약 138억 년에 달하며, 우리가 속한 태양계는 그중 마지막 3분의 1에 해당하는 약 46억 년 전에 형성되었습니다. 시간을 거슬러 올라가면 우주 초기에는 매우 역동적인 변화들이 일어났습니다. 빅뱅 후 약 30만 년이 지났을 때 온도가 낮아지며 전자가 원자핵에 붙어 중성 원자가 처음으로 탄생했고, 더 거슬러 올라가 약 3분 시점에는 수소와 헬륨의 핵합성이 완료되었습니다. 특히 1초 무렵에는 우리 몸을 구성하는 수소의 기원인 양성자가 안정되었으며, 그 이전인 마이크로초 단위의 찰나에는 물질의 가장 기본 단위인 쿼크로부터 양성자와 중성자가 만들어지는 경이로운 과정이 시작되었습니다. 현대 물리학의 표준 모형은 우주를 구성하는 기본 입자들을 설명합니다. 그 중심에는 여섯 종류의 쿼크와 여섯 종류의 경입자인 렙톤이 있습니다. 흥미롭게도 '쿼크'라는 이름은 물리학자 머레이 겔만이 제임스 조이스의 소설에서 영감을 얻어 붙인 문학적인 명칭입니다. 수많은 입자 중 우리 몸과 직접적인 관련이 있는 것은 업쿼크와 다운쿼크, 그리고 전자입니다. 업쿼크 두 개와 다운쿼크 하나가 모이면 양성자가 되고, 반대로 업쿼크 하나와 다운쿼크 두 개가 모이면 중성자가 됩니다. 자연은 이처럼 단순한 기본 입자들을 창의적으로 조합하여 복잡한 물질 세계를 구축하는 기초를 마련했습니다. 양성자의 내부를 들여다보면 놀랍게도 대부분이 텅 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 양성자를 구성하는 쿼크는 부피가 없는 점입자로 간주되며, 이들이 일정한 영역을 유지하며 양성자의 형태를 만드는 것은 '강한 핵력' 덕분입니다. 강한 핵력은 전자기력보다 백 배 이상 강력하지만, 매우 짧은 거리에서만 작용하는 독특한 성질을 가집니다. 마치 긴 줄에 묶인 강아지들이 줄 안에서는 자유롭게 뛰어놀다가 줄 끝에 다다르면 강한 힘에 가로막히는 것과 같습니다. 쿼크들은 양성자 내부에서 자유롭게 움직이지만, 결코 그 경계를 벗어날 수 없으며 이러한 구조가 물질의 안정성을 보장합니다. 우주가 수소를 넘어 더 무거운 원소를 만들기 위해서는 중성자의 역할이 필수적이었습니다. 양성자들은 모두 양전하를 띠고 있어 서로 가까워질수록 강력한 전기적 반발력을 일으키지만, 전하가 없는 중성자는 이러한 반발력 없이 양성자와 결합할 수 있습니다. 중성자가 디딤돌 역할을 해주었기에 양성자와 중성자가 결합한 중수소가 만들어졌고, 이를 바탕으로 헬륨과 같은 더 무거운 원자핵이 형성될 수 있었습니다. 만약 쿼크의 전하 조합이 조금이라도 달랐다면 중성자는 존재할 수 없었을 것이며, 오늘날 우리 몸을 이루는 탄소나 산소 같은 복잡한 원소들도 탄생하지 못했을 것입니다. 빅뱅 핵합성은 우주 탄생 후 단 3분이라는 짧은 시간 동안 일어난 기적과 같은 사건입니다. 중성자는 홀로 존재할 때 약 15분의 반감기를 거쳐 붕괴하는데, 우주가 급격히 팽창하며 밀도가 낮아지기 전인 이 짧은 골든타임 안에 모든 핵합성이 이루어져야 했습니다. 다행히 이 과정이 성공적으로 진행되어 우주에는 수소와 헬륨이 약 3대 1의 질량 비율로 자리 잡게 되었습니다. 현재 우주 어디에서나 관찰되는 이 일관된 비율은 빅뱅 이론의 강력한 증거가 됩니다. 결국 우리 몸속에 흐르는 수소 원자 하나하나가 138억 년 전 우주 초기의 뜨거웠던 3분으로부터 전해진 소중한 유산인 셈입니다.

김희준

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