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[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

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 양자얽힘, 생각이 현실을 만든다고?_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 6강 | 6강

양자역학의 역사에서 가장 기묘한 현상으로 꼽히는 양자 얽힘은 역설적이게도 이 이론을 비판하려 했던 위대한 물리학자들에 의해 그 중요성이 부각되었습니다. 슈뢰딩거와 아인슈타인은 양자역학의 확률론적 해석이 지닌 모순을 지적하기 위해 얽힘 현상을 공격의 수단으로 삼았습니다. 그러나 이들의 날카로운 비판은 훗날 양자 컴퓨터와 양자 통신이라는 혁신적인 기술의 토대가 되었습니다. 현대 물리학은 이 기묘한 현상이 단순한 이론적 가설을 넘어 우리가 발을 딛고 있는 현실의 근간임을 증명해 나가고 있습니다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 중첩 원리가 거시 세계에서 얼마나 황당하게 들릴 수 있는지를 보여주는 유명한 우화입니다. 상자를 열기 전까지 고양이가 죽은 상태와 산 상태의 중첩으로 존재한다는 설정은 우리의 직관과 정면으로 충돌합니다. 슈뢰딩거는 이를 통해 양자역학의 불완전함을 역설하려 했으나, 실험적 검증을 통해 미시 세계에서는 이러한 중첩이 실제로 일어난다는 사실이 밝혀졌습니다. 관측이 상태를 결정짓는다는 이 놀라운 원리는 현대 과학이 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 아인슈타인은 양자역학이 물리적 실체를 완벽하게 설명하지 못한다고 믿으며 EPR 역설을 제안했습니다. 그는 멀리 떨어진 두 입자가 빛보다 빠른 속도로 정보를 주고받는 듯한 현상을 '유령 같은 원격 작용'이라 부르며 혐오했습니다. 아인슈타인은 우리가 아직 모르는 '숨은 변수'가 존재하여 결과가 미리 결정되어 있을 것이라고 주장했습니다. 이는 양자역학이 단순히 확률적인 도구가 아니라, 더 깊은 층위의 결정론적 원리를 숨기고 있다는 의구심에서 비롯된 철학적 도전이었습니다. 오랫동안 철학적 논쟁에 머물렀던 이 문제는 존 스튜어트 벨이 제안한 부등식을 통해 실험의 영역으로 들어왔습니다. 벨의 부등식은 고전적인 숨은 변수 이론과 양자역학 중 어느 것이 옳은지를 판별할 수 있는 기준을 제시했습니다. 이후 수행된 정밀한 실험들은 벨의 부등식이 위배됨을 보여줌으로써 아인슈타인의 직관이 틀렸고 양자역학이 옳았음을 입증했습니다. 이 결과는 우주가 국소적인 인과율을 넘어서는 근본적인 연결성을 지니고 있음을 시사하는 현대 물리학의 기념비적인 사건이 되었습니다. 양자 얽힘에 대한 이해는 이제 순수 과학을 넘어 양자 통신이라는 실용적인 기술로 진화하고 있습니다. 양자 원격 전송은 물질 자체가 이동하는 것이 아니라 입자의 양자 정보를 빛의 속도로 전송하는 혁신적인 개념입니다. 특히 양자 얽힘을 이용한 양자 암호키 분배 기술은 해킹 시도 시 얽힘 상태가 즉각 파괴되는 특성을 활용하여 원리적으로 완벽한 보안을 보장합니다. 이미 세계 각국은 이러한 양자 네트워크를 구축하여 금융과 국방 분야에서 실질적인 응용을 시작하며 양자 시대를 앞당기고 있습니다. 양자역학은 원자의 구조를 넘어 우주의 근본적인 힘과 질량의 기원까지 설명해 줍니다. 표준 모형에 따르면 우주의 네 가지 힘은 입자들이 특정 입자를 주고받는 '공 던지기' 원리에 의해 매개됩니다. 또한 힉스 메커니즘은 게이지 대칭성이 자발적으로 깨지면서 입자들이 질량을 얻게 되는 과정을 보여줍니다. 이는 우리 몸을 구성하는 원자들이 어떻게 존재할 수 있는지에 대한 근본적인 답을 제공합니다. 결국 양자역학은 단순한 물리 법칙이 아니라 존재의 이유를 설명하는 심오한 원리인 셈입니다. 미래의 핵심 기술인 양자 컴퓨터는 0과 1의 중첩 상태인 큐비트를 활용하여 고전 컴퓨터가 해결하지 못하는 복잡한 난제들에 도전합니다. 쇼어 알고리즘은 양자 중첩을 통해 수만 년이 걸릴 소인수분해를 단 몇 초 만에 해결할 수 있는 가능성을 제시했습니다. 리처드 파인만이 예견했듯, 자연의 양자역학적 본질을 시뮬레이션하기 위해서는 양자 컴퓨터가 필수적입니다. 인류는 양자 컴퓨터라는 강력한 도구를 통해 우주 상수의 비밀이나 생명의 기원과 같은 우주의 궁극적인 신비를 풀어낼 새로운 여정을 시작하고 있습니다.

박권

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물리학

[질토과+짧강] 👨‍💻군과 랭랜즈 프로그램 by 정경훈｜2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 9강

랭랜즈 프로그램은 단순한 수학적 추측이나 개별적인 문제를 넘어선 '원대한 기획'이라 할 수 있습니다. 이는 마치 컴퓨터 프로그램이 여러 하위 프로그램으로 구성되어 최종 결과를 도출하듯, 수학의 여러 분야를 유기적으로 연결하는 거대한 복합체입니다. 페르마의 마지막 정리조차 이 거대한 프로그램의 첫 번째 단계에 해당할 정도로 그 규모가 방대합니다. 수학자들은 이를 통해 흩어져 있던 문제들을 일관된 방향으로 정렬하고, 우리가 나아가야 할 길을 설득력 있게 제시받습니다. 수학사에는 랭랜즈 프로그램 외에도 다양한 '프로그램'이 존재해 왔습니다. 기하학을 군의 관점에서 분류하려 했던 에를랑겐 프로그램이나, 수학의 기초를 공리화하려 했던 힐베르트 프로그램이 대표적입니다. 최근에는 3차원 기하학의 분류를 다루는 서스턴의 프로그램이나 대수 방정식의 해 집합을 연구하는 모리 프로그램도 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 기획들은 수학적 대상을 체계적으로 분류하고 연구하는 패러다임의 변화를 이끌며 학문의 발전을 견인해 왔습니다. 수학에서 '군'은 대칭성을 표현하는 언어입니다. 예를 들어 회전판을 특정 각도만큼 돌렸을 때 원래와 같은 모습을 유지한다면, 이는 회전에 대한 대칭성을 가진다고 말합니다. 이러한 대칭성은 단순히 도형의 성질에 그치지 않고 정수론의 나머지 개념과도 깊게 연결됩니다. 수학자들은 군이라는 도구를 통해 복잡한 대칭 구조를 엄밀하게 정의하고, 이를 바탕으로 수의 세계와 기하학적 세계 사이의 보이지 않는 연결 고리를 찾아내어 학문적 지평을 넓혀갑니다. 대칭성의 개념은 수학을 넘어 물리학과 화학 등 자연과학 전반에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 에미 뇌터의 정리에 따르면 물리계의 대칭성은 에너지 보존 법칙과 같은 보존 법칙과 직결됩니다. 화학에서는 분자 구조의 대칭성에 따라 물질의 극성이나 결정의 성질이 결정되기도 합니다. 심지어 방정식 자체에도 대칭성이 존재하며, 이를 찾아내는 과정은 현대 과학의 가장 중요한 방법론 중 하나입니다. 이처럼 대칭은 자연의 근본 원리를 이해하는 열쇠가 됩니다. 페르마의 소정리는 대칭성을 이용해 정수론의 문제를 해결하는 대표적인 사례입니다. 소수와 거듭제곱 사이의 관계를 다루는 이 정리는 언뜻 복잡해 보이지만, 회전판의 색칠 문제를 통한 대칭성 분석으로 명쾌하게 증명될 수 있습니다. 특정 색 조합을 회전시켰을 때 나타나는 중복성을 군의 관점에서 분류하면, 복잡한 계산 없이도 수의 성질을 파악할 수 있습니다. 이는 추상적인 수학 정리가 시각적이고 직관적인 대칭 구조와 어떻게 맞닿아 있는지를 잘 보여주는 대목입니다. 현대 물리학의 표준 모형은 군의 표현론을 극대화하여 활용한 결과물입니다. 물리학자 머리 겔만은 특정 군의 표현을 연구하던 중 쿼크의 존재를 예측하여 노벨 물리학상을 받기도 했습니다. '모든 것은 행렬이다'라는 관점에서 접근하는 표현론은 군의 대칭성을 벡터 공간 위에서 구현하며, 이는 소립자의 성질을 규명하는 결정적인 도구가 됩니다. 현재 과학계는 전자기력, 약력, 강력에 이어 중력까지 통합하는 대통일 이론을 향해 나아가며 새로운 수학적 군의 발견을 기다리고 있습니다. 랭랜즈 프로그램은 수학의 여러 분야를 통합하는 '대통일 이론'으로서의 가능성을 지니고 있습니다. 정수론, 표현론, 대수기하학이 서로 협력하며 방정식의 유전자를 이해하려는 이 여정은 수학의 끝이 아닌 새로운 시작을 의미합니다. 설령 미래에 이 프로그램이 예상과 다른 방향으로 전개되더라도, 그 과정에서 얻은 통찰은 인류의 지적 자산이 될 것입니다. 거대한 질문의 세계를 탐구하는 도전 정신은 수학을 단순한 학문을 넘어 인간 지성의 승리로 이끄는 원동력이 됩니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[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

카오스재단카오스강연

물리학

[인터뷰] 김형도_ Winter is Coming! 이론물리학의 겨울이 왔다? | 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

인류는 끊임없이 증가하는 에너지 수요와 기후 위기라는 거대한 과제에 직면해 있습니다. 화석 연료의 고갈과 탄소 배출 문제는 이제 더 이상 미룰 수 없는 현실이 되었으며, 이를 해결하기 위한 궁극적인 대안으로 핵융합 에너지가 주목받고 있습니다. 핵융합은 태양이 에너지를 만들어내는 원리를 지구상에 구현하는 것으로, 바닷물에 풍부한 중수소를 원료로 사용하기 때문에 자원이 거의 무한정하다는 장점이 있습니다. 또한 탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원으로서 인류의 미래를 바꿀 게임 체인저로 기대를 모으고 있습니다. 핵융합의 핵심 원리는 가벼운 원자핵들이 결합하여 더 무거운 원자핵이 되면서 엄청난 에너지를 방출하는 과정에 있습니다. 태양과 같은 별들은 거대한 중력을 이용해 이 반응을 일으키지만, 지구에서는 이를 인위적으로 만들어내야 합니다. 이를 위해 중수소와 삼중수소를 1억 도 이상의 초고온 상태인 플라스마로 만들어야 하는데, 이 상태가 되면 원자핵들이 서로의 전기적 반발력을 이겨내고 충돌하여 융합하게 됩니다. 이 과정에서 발생하는 에너지는 기존의 원자력 발전보다 효율적이며 방사능 위험도 현저히 낮아 안전한 에너지로 평가받습니다. 하지만 1억 도가 넘는 뜨거운 플라스마를 직접 담을 수 있는 용기는 지구상에 존재하지 않습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 강력한 자기장을 이용해 플라스마를 공중에 띄우는 '토카막'이라는 장치를 고안해냈습니다. 자기력선이 플라스마를 도넛 모양의 진공 용기 안에 가두어 벽면에 닿지 않게 유지하는 방식입니다. 이 기술은 매우 정교한 제어가 필요하며, 아주 작은 불안정성만으로도 플라스마가 붕괴될 수 있기 때문에 전 세계 과학자들이 이를 안정적으로 유지하기 위한 연구에 매진하고 있습니다. 현재 핵융합 기술은 국제적인 협력을 통해 비약적인 발전을 거듭하고 있습니다. 한국을 포함한 주요 선진국들이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트는 인류 역사상 가장 큰 규모의 과학 프로젝트 중 하나로 꼽힙니다. 특히 한국의 핵융합 연구 장치인 KSTAR는 세계 최초로 1억 도 이상의 초고온 플라스마를 30초 이상 유지하는 데 성공하며 세계적인 기술력을 입증했습니다. 이러한 성과들은 핵융합 상용화가 단순히 꿈이 아닌, 실현 가능한 미래임을 보여주는 중요한 지표가 되고 있습니다. 핵융합 에너지가 상용화된다면 인류는 에너지 빈곤에서 완전히 벗어날 수 있을 것입니다. 저렴하고 깨끗한 에너지가 무한히 공급됨으로써 산업 구조는 물론 우리의 일상생활 전반에 혁명적인 변화가 일어날 것입니다. 물론 아직 극복해야 할 기술적 난관들이 남아있지만, 과학적 호기심과 인류의 생존을 위한 절실함이 결합되어 연구 속도는 더욱 빨라지고 있습니다. 인공 태양을 향한 여정은 결국 인류가 지속 가능한 문명을 유지하기 위해 반드시 완수해야 할 시대적 사명이라 할 수 있습니다.

김형도

카오스재단석학인터뷰

물리학
천문학

[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

카오스재단카오스크로스

물리학
천문학

[강연] 보이는 우주와 보이지 않는 우주 _ by박성찬ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 5강 | 5강

우주의 기원과 시간의 본질에 대한 탐구는 인류가 오랫동안 품어온 가장 근원적인 질문 중 하나입니다. 현대 물리학은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 별개의 존재가 아닌, '시공간'이라는 하나의 유기적인 구조로 얽혀 있음을 밝혀냈습니다. 이러한 관점의 변화는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 거대한 우주의 팽창과 기본 입자의 움직임을 하나의 틀 안에서 이해하려는 시도로 이어졌습니다. 시공간의 휘어짐이 중력을 결정한다는 사실은 우주의 거대 구조를 설명하는 핵심적인 열쇠가 되었습니다. 물질의 근원을 찾아가는 여정은 양자역학이라는 미시 세계의 법칙을 마주하게 합니다. 우리 주변을 구성하는 모든 물질은 원자보다 더 작은 기본 입자들로 이루어져 있으며, 이들은 끊임없이 상호작용하며 우주의 질서를 만들어냅니다. 에너지가 물질로 변하고, 다시 물질이 에너지로 환원되는 과정은 우주의 탄생과 진화의 핵심적인 메커니즘입니다. 이러한 물리적 법칙들은 단순한 수식을 넘어 우주가 존재하는 방식 그 자체를 설명해 줍니다. 미시 세계의 불확정성이 거시 세계의 확정성과 어떻게 연결되는지를 이해하는 것은 현대 과학의 중요한 과제입니다. 우주는 약 138억 년 전 빅뱅을 통해 시작되었습니다. 아주 작은 점에 불과했던 우주가 급격히 팽창하며 현재의 광활한 공간을 형성했다는 사실은 현대 우주론의 근간을 이룹니다. 초기 우주의 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 빛과 물질이 분리되었고, 그 흔적은 오늘날 우주 배경 복사라는 형태로 우리에게 전달되고 있습니다. 이는 과거의 사건이 현재의 우주 구조에 어떤 영향을 미쳤는지를 보여주는 결정적인 증거가 됩니다. 우주의 팽창 속도를 측정함으로써 우리는 우주의 나이와 미래의 운명을 예측할 수 있는 단서를 얻게 되었습니다. 시간의 흐름은 왜 한 방향으로만 흐르는가에 대한 해답은 엔트로피 법칙에서 찾을 수 있습니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 나아갑니다. 이러한 엔트로피의 증가는 과거와 미래를 구분 짓는 '시간의 화살'을 정의하며, 우주가 결국 열적 죽음이라는 평형 상태를 향해 가고 있음을 암시합니다. 질서에서 무질서로 향하는 이 거대한 흐름은 생명과 우주의 모든 변화를 관통하는 원리입니다. 우리가 경험하는 시간의 비가역성은 우주 전체의 통계적인 필연성에 기인한 것이라 볼 수 있습니다. 블랙홀은 시공간의 곡률이 극단적으로 휘어진 천체로, 현대 물리학의 한계를 시험하는 장소입니다. 엄청난 중력으로 인해 빛조차 빠져나올 수 없는 이 영역에서는 시간의 흐름이 멈춘 것처럼 느껴지기도 합니다. 블랙홀 연구는 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 양자 중력 이론의 실마리를 제공합니다. 우주의 가장 극단적인 환경을 이해함으로써 우리는 시공간의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 됩니다. 최근에는 블랙홀의 그림자를 직접 관측하는 데 성공하며, 이론으로만 존재하던 우주의 신비가 점차 실체적인 모습으로 드러나고 있습니다. 우리가 관측할 수 있는 물질은 우주 전체의 극히 일부에 불과합니다. 보이지 않는 암흑 물질과 우주의 가속 팽창을 일으키는 암흑 에너지는 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나입니다. 이들은 은하의 형성과 우주의 거대 구조를 유지하는 데 결정적인 역할을 하지만, 그 실체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정은 과학적 호기심을 자극하며 우주에 대한 우리의 이해를 확장하는 동력이 됩니다. 암흑의 세계를 밝혀내려는 노력은 우리가 알고 있는 물리 법칙을 재정의해야 할지도 모르는 거대한 전환점을 예고합니다. 시간과 물질, 그리고 우주를 관통하는 물리 법칙들은 서로 긴밀하게 연결되어 거대한 조화를 이룹니다. 우리는 우주의 먼지에서 태어나 우주의 법칙을 이해하려는 지적 존재로 진화했습니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 우리가 어디에서 왔고 어디로 가는지에 대한 답을 찾아가는 숭고한 여정입니다. 우주의 신비를 하나씩 풀어가는 과정에서 우리는 존재의 경이로움을 느끼며, 더 넓은 세계를 향한 탐구를 멈추지 않을 것입니다. 이러한 지적 탐구는 인류가 우주라는 거대한 무대에서 자신의 위치를 확인하고 미래를 설계하는 밑거름이 됩니다.

박성찬

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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

[강연] 초끈 이론과 양자 중력 _ by이성재ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 3강 | 3강

뉴턴의 만유인력의 법칙은 질량을 가진 물체 사이의 인력을 설명하며 고전 물리학의 기틀을 마련했습니다. 하지만 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌, 질량에 의해 휘어지는 역동적인 대상으로 재정의하며 중력의 본질을 새롭게 규명했습니다. 이는 시간과 공간이 독립적이지 않으며, 에너지가 곧 질량으로 치환될 수 있다는 혁명적인 통찰로 이어졌습니다. 현대 물리학은 이처럼 거시 세계를 지배하는 중력의 원리를 시공간의 기하학적 구조로 이해하며 발전해 왔습니다. 빛의 정체가 전자기파임이 밝혀진 이후, 물리학자들은 에너지가 연속적이지 않고 특정 단위로 쪼개져 있다는 '양자화' 개념을 도입하게 됩니다. 플랑크의 흑체 복사 연구에서 시작된 이 흐름은 하이젠베르크와 슈뢰딩거를 거쳐 양자역학이라는 거대한 체계로 완성되었습니다. 미시 세계의 입자들은 확정된 위치가 아닌 확률적 파동 함수로 존재하며, 이는 고전적인 결정론적 세계관을 무너뜨렸습니다. 이러한 양자적 특성은 물질의 근본 구조를 이해하는 데 필수적인 열쇠가 되었습니다. 상대성 이론과 양자역학의 결합은 무한한 입자의 상호작용을 다루는 양자장론으로 진화했습니다. 이 이론 체계 안에서 전자기력, 강력, 약력은 각각 광자나 글루온 같은 매개 입자를 교환하며 작용한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이를 집대성한 표준 모형은 17개의 기본 입자와 상호작용을 통해 자연계의 현상을 놀라울 정도로 정확하게 설명해 냈습니다. 하지만 이 정교한 모델조차도 중력이라는 거대한 힘을 양자역학적 틀 안으로 완전히 끌어들이지는 못하는 한계를 지니고 있었습니다. 일반 상대성 이론을 양자역학적으로 해석하려는 시도는 '재규격화'라는 수학적 장벽에 부딪혔습니다. 미시 세계로 갈수록 시공간의 요동이 극심해지며 계산 결과가 무한대로 발산하는 문제가 발생한 것입니다. 이는 중력이 다른 세 가지 기본 힘과는 근본적으로 다른 성질을 가졌거나, 우리가 아직 시공간의 진정한 미시 구조를 파악하지 못했음을 시사합니다. 따라서 물리학자들은 점 입자라는 기존의 관념을 넘어, 중력과 양자역학을 모순 없이 통합할 수 있는 새로운 근본 이론을 갈망하게 되었습니다. 초끈 이론은 만물의 근본이 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'이라는 파격적인 가설에서 출발합니다. 끈의 진동 방식에 따라 입자의 질량과 스핀이 결정되며, 놀랍게도 이 진동 모드 중에는 중력을 매개하는 중력자가 자연스럽게 포함되어 있습니다. 이는 중력을 억지로 끼워 맞추는 것이 아니라 이론의 구조적 필연성으로 수용한다는 점에서 매우 매력적입니다. 초끈 이론은 중력과 전자기력, 강력, 약력을 하나의 원리로 통합하며 아인슈타인이 꿈꿨던 대통일 이론의 강력한 후보로 부상했습니다. 초끈 이론의 수학적 정합성을 유지하기 위해서는 우리가 경험하는 4차원을 넘어 10차원 혹은 11차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 여분 차원들은 아주 작은 영역에 숨어 있으며, 이들의 기하학적 형태가 우리 우주의 물리 법칙을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 과거에는 서로 다른 다섯 가지 초끈 이론이 존재한다고 믿었으나, 에드워드 위튼은 이들이 사실 'M-이론'이라는 하나의 거대한 실체의 서로 다른 단면임을 밝혀냈습니다. 이는 우주를 설명하는 단 하나의 근본 원리에 다가가는 중요한 이정표가 되었습니다. 최근 양자 중력 연구의 핵심으로 떠오른 홀로그래피 원리는 우리 우주의 중력 현상이 사실 더 낮은 차원의 경계면에서 일어나는 양자 정보의 투영일 수 있다는 놀라운 통찰을 제공합니다. 이는 3차원 영상의 실체가 2차원 평면에 저장된 홀로그램과 같다는 비유로 설명되며, 중력의 본질을 정보와 양자 얽힘의 관점에서 재해석하게 만듭니다. 비록 초끈 이론이 실험적 검증이라는 거대한 과제를 안고 있지만, 시공간과 물질에 대한 우리의 인식을 근본적으로 뒤바꾸며 우주의 비밀을 푸는 가장 정교한 지도로 기능하고 있습니다.

이성재

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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

[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

[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

[강연] 우주는 어떻게 시작되었는가?-빅뱅 _ by김형도｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 2강 | 2강

우주는 우리가 상상할 수 없을 만큼 거대하며, 그 크기를 이해하는 핵심은 빛의 속도에 있습니다. 빛은 1초에 약 30만 킬로미터를 이동하지만, 우주의 광활한 거리 앞에서는 이 속도조차 유한하게 느껴집니다. 예를 들어 7천 광년 떨어진 '창조의 기둥' 성운을 관측한다는 것은, 사실 구석기나 신석기 시대에 출발한 빛을 지금 이 순간 마주하는 것과 같습니다. 이처럼 우주를 바라보는 행위는 필연적으로 과거의 시간을 탐험하는 과정이 됩니다. 우리가 밤하늘에서 보는 별빛은 현재의 모습이 아니라, 수만 년 혹은 수십억 년 전 우주가 우리에게 보내온 오래된 편지와도 같습니다. 빅뱅 직후의 초기 우주는 지금과는 비교할 수 없을 정도로 뜨겁고 밀도가 높은 상태였습니다. 당시 우주는 전하를 띤 입자들이 뒤섞인 플라스마 상태였기에 빛조차 자유롭게 움직이지 못하는 불투명한 공간이었습니다. 그러나 우주가 팽창하며 점차 식어갔고, 빅뱅 후 약 38만 년이 지났을 때 비로소 중성 원자가 형성되며 빛이 직진할 수 있게 되었습니다. 이때 우주 전역으로 퍼져 나간 빛이 바로 '우주 배경 복사'입니다. 오늘날 우리가 관측하는 이 희미한 전파는 우주가 투명해지던 결정적인 순간을 기록한 가장 오래된 사진이며, 빅뱅 이론을 뒷받침하는 가장 강력한 증거 중 하나로 남아 있습니다. 빅뱅 이론은 우주의 기원을 잘 설명하지만, 지평선 문제와 평평함 문제라는 두 가지 거대한 난관에 봉착했습니다. 우주의 양 끝단이 서로 소통할 시간이 없었음에도 온도가 균일하다는 점과 우주가 극도로 평평하다는 사실은 단순한 폭발만으로는 설명하기 어려웠습니다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 '급팽창 이론'입니다. 우주가 탄생 직후 아주 짧은 찰나에 탁구공보다 작은 크기에서 현재의 관측 가능한 우주 규모로 지수함수적으로 팽창했다는 가설입니다. 이 급격한 팽창은 우주의 굴곡을 평평하게 펴주었으며, 우주 전체의 온도를 균일하게 맞추는 결정적인 역할을 했습니다. 우주를 구성하는 미시 세계의 법칙은 현대 물리학의 정수인 '표준 모형'으로 집약됩니다. 세상의 모든 물질은 쿼크와 경입자로 이루어져 있으며, 이들은 네 가지 근본적인 힘을 통해 상호작용합니다. 특히 2012년에 발견된 '힉스 입자'는 이 표준 모형의 마지막 퍼즐 조각과도 같았습니다. 힉스 장은 우주 전체에 퍼져 있으며, 기본 입자들이 이 장과 상호작용하는 정도에 따라 각기 다른 질량을 얻게 됩니다. 전자가 가벼운 이유는 힉스 장과 약하게 반응하기 때문이며, 무거운 입자들은 강하게 반응한 결과입니다. 이처럼 보이지 않는 장의 존재는 우주의 물질들이 지금의 형태를 갖추게 한 근간이 됩니다. 우리가 표준 모형으로 설명할 수 있는 일반적인 물질은 우주 전체 구성의 고작 4%에 불과합니다. 나머지 96%는 정체를 알 수 없는 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 암흑 물질은 빛을 내지 않아 보이지 않지만, 강력한 중력을 통해 은하가 흩어지지 않게 붙잡아두는 보이지 않는 접착제 역할을 합니다. 반면 우주의 약 68%를 차지하는 암흑 에너지는 중력에 반하여 우주를 더욱 빠르게 밀어내는 척력으로 작용합니다. 최근 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어 가속 팽창하고 있다는 사실이 밝혀지면서, 암흑 에너지의 정체를 밝히는 것은 현대 물리학의 가장 거대한 과제가 되었습니다. 우주의 물리 상수들이 생명체가 탄생하기에 너무나 정교하게 맞춰져 있다는 사실은 '인류 원리'라는 독특한 관점을 낳았습니다. 만약 우주 상수가 조금만 더 컸다면 별과 은하가 만들어지기도 전에 우주가 찢겨 나갔을 것이고, 중력이 조금만 달랐어도 생명은 존재할 수 없었을 것입니다. 이러한 미세 조정 문제를 해결하는 한 가지 가설이 바로 '다중 우주'입니다. 우리 우주 외에도 서로 다른 물리 법칙과 상수를 가진 수많은 우주가 존재하며, 우리는 그중 우연히 생명이 살 수 있는 조건을 갖춘 우주에 살고 있다는 생각입니다. 이는 우리의 존재를 필연이 아닌, 무한한 가능성 속에서 피어난 특별한 우연으로 바라보게 합니다. 가속 팽창하는 우주의 미래는 결국 모든 것이 멀어지고 식어버리는 '열적 죽음'으로 향할 가능성이 큽니다. 암흑 에너지의 영향력이 계속된다면 은하 사이의 거리는 무한히 멀어질 것이며, 밤하늘에서 다른 은하의 빛조차 볼 수 없는 고립된 시대가 올지도 모릅니다. 그러나 우주의 시작이었던 급팽창이 다시 한번 일어날 가능성이나, 우리가 아직 알지 못하는 새로운 물리 법칙이 우주의 운명을 바꿀 시나리오도 여전히 존재합니다. 우주의 기원을 탐구하는 여정은 결국 인간이 어디서 왔으며 어디로 가는지에 대한 근원적인 질문에 답하는 과정입니다. 비록 우주는 거대하고 우리는 작지만, 그 비밀을 풀어가는 지적 탐구는 계속될 것입니다.

김형도

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

[강연] 우주론의 기원 _ by박창범｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 1강 | 1강

인류는 아주 오래전부터 밤하늘을 바라보며 우리가 사는 세상이 어디서 시작되었는지에 대한 궁극적인 질문을 던져왔습니다. 현대 과학의 관점에서 우주론이란 단순히 별의 위치를 파악하는 것을 넘어, 우주가 과거에 어떻게 태어나 어떤 변화를 거쳐 현재의 모습이 되었는지, 그리고 미래에는 어떻게 변해갈 것인지를 체계적으로 설명하는 하나의 거대한 시나리오라고 할 수 있습니다. 이는 시공간의 본질과 그 안에 담긴 에너지의 흐름을 이해하려는 인간의 지적 여정이며, 우리가 발을 딛고 있는 이 세계의 근원을 찾아가는 과정입니다. 현재 과학계에서 가장 널리 인정받는 표준 우주 모형에 따르면, 우리가 사는 우주의 공간은 무한하게 펼쳐져 있으며 기하학적으로 평탄한 특성을 지닙니다. 시간의 관점에서 볼 때 우주는 약 138억 년 전이라는 유한한 과거의 한 시점에서 시작되었지만, 미래를 향해서는 끝없이 펼쳐져 있는 비대칭적인 구조를 가지고 있습니다. 이러한 무한한 시공간 속에서 우주는 모든 지점이 서로 멀어지는 균일한 팽창을 지속하고 있으며, 이는 우주에 특별한 중심이나 경계가 존재하지 않는다는 현대 과학의 핵심적인 우주상을 보여줍니다. 우주를 구성하는 성분 중 우리가 흔히 보고 만질 수 있는 원자 형태의 물질인 중입자는 전체의 단 4% 정도에 불과합니다. 나머지 대부분은 그 정체가 명확히 밝혀지지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지로 가득 채워져 있습니다. 암흑 물질은 보이지 않는 중력을 통해 은하들을 하나로 묶어주는 접착제 역할을 하며, 암흑 에너지는 우주의 팽창 속도를 시간이 갈수록 점점 더 빠르게 만드는 가속 팽창의 원동력이 됩니다. 이들은 현대 천문학이 직면한 가장 거대한 미스터리이자, 우주의 탄생과 진화 그리고 종말을 결정짓는 결정적인 요소들입니다. 우주의 기원에 대해서는 여러 과학적 가설이 존재하며, 이는 인간의 상상력과 수학적 엄밀함이 만나는 지점입니다. 시간과 공간조차 존재하지 않았던 '절대 무'의 상태에서 양자 요동을 통해 시공간이 태어났다는 가설부터, 수많은 우주가 거품처럼 존재하는 다중 우주론까지 다양한 논의가 이어지고 있습니다. 중요한 사실은 우주 초기에 발생한 아주 미세한 물질의 불균일성이 수십억 년의 세월 동안 중력에 의해 성장하여, 오늘날 우리가 목격하는 거대한 은하와 별, 그리고 생명체가 탄생할 수 있는 물리적 토대가 되었다는 점입니다. 우주는 생명체가 탄생하고 진화하기에 놀라울 정도로 정교하게 조정되어 있는 것처럼 보입니다. 예를 들어 양성자와 중성자의 미세한 질량 차이는 별이 수십억 년 동안 안정적으로 빛을 내며 주변 행성에 에너지를 공급할 수 있게 만들었습니다. 만약 이러한 물리 상수가 아주 조금만 달랐더라도 별은 너무 빨리 타버려 사라졌거나 아예 형성되지 못했을 것이며, 결국 인류와 같은 지적 생명체가 우주의 기원을 논하는 일도 불가능했을 것입니다. 이러한 미세 조정의 신비는 우주가 단순한 물질의 집합이 아닌, 생명을 품을 수 있는 특별한 장소임을 시사합니다. 현대 우주론의 역사는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 발표된 1917년 이후 약 100년 동안 비약적인 발전을 이루어 왔습니다. 아인슈타인이 제시한 시공간의 기하학적 개념 위에 허블과 르메트르가 발견한 우주 팽창의 증거들이 더해지면서, 정적인 우주관은 역동적으로 변화하는 우주관으로 완전히 대체되었습니다. 과학자들은 관측 자료를 바탕으로 확률적 검증을 거치고, '오컴의 면도날' 원칙을 적용하여 가장 단순하면서도 현상을 잘 설명하는 표준 우주 모형을 정립해 왔습니다. 이는 불확실한 가설을 확실한 지식으로 바꾸어온 인류 지성의 승리입니다. 표준 우주 모형이 예측하는 우주의 미래는 영원한 팽창과 점진적인 소멸로 요약됩니다. 수백조 년이 흐르면 별을 만들 재료가 고갈되어 우주의 모든 불이 꺼지게 되고, 결국 블랙홀마저 증발하여 아무런 사건도 일어나지 않는 '열적 죽음'의 상태에 이르게 될 것입니다. 그러나 이러한 허무해 보이는 결말에도 불구하고, 자신의 한계를 뛰어넘어 무한한 우주를 이해하려는 인간의 지적 탐구는 그 자체로 숭고한 가치를 지닙니다. 밤하늘을 바라보며 던지는 질문들은 우리가 우주의 일부임을 깨닫게 하며, 유한한 존재가 무한을 꿈꾸게 하는 힘이 됩니다.

박창범

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

[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

[강연] 물리 어벤져스 | 강연자 토론 _고재현, 김범준, 김상욱 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리'

현대 물리학의 궁극적인 지향점 중 하나는 자연계에 존재하는 네 가지 힘을 하나의 원리로 설명하는 '모든 것의 이론(TOE)'을 완성하는 것입니다. 하지만 물리학자들이 이 이론을 손에 넣는다고 해서 세상의 모든 현상을 즉각적으로 이해할 수 있는 것은 아닙니다. 우주를 구성하는 기본 입자와 그들 사이의 규칙을 아는 것은 문학 작품을 구성하는 알파벳과 문법을 익히는 것과 같습니다. 문법을 안다고 해서 셰익스피어의 희곡을 저절로 쓸 수 없듯이, 기초 법칙만으로 생명이나 사회 현상 같은 복잡한 층위의 의미를 다 설명하기에는 근본적인 한계가 존재합니다. 양자 컴퓨터는 최근 과학계와 산업계에서 가장 뜨거운 화두 중 하나이지만, 현재의 기대감에는 다소 거품이 섞여 있다는 냉철한 시각도 필요합니다. 이론적으로 양자 알고리즘은 특정 작업에서 기존 컴퓨터를 압도하는 성능을 보여줄 수 있으나, 이를 실제로 구현하는 과정에는 극저온과 진공 상태 유지라는 가혹한 기술적 장벽이 존재합니다. 현재는 범용 컴퓨터로서의 상용화보다는 기본적인 연산이 가능한 큐비트 칩을 개발하고 검증하는 초기 단계에 머물러 있습니다. 따라서 기술적 가능성에 대한 낙관과 함께 현실적인 한계를 직시하는 균형 잡힌 시각이 중요합니다. 한국의 주력 산업인 디스플레이와 반도체 분야에서 물리학은 기술 격차를 유지하는 핵심적인 역할을 수행합니다. LCD 시장이 이미 포화 상태에 이른 상황에서 OLED와 마이크로 LED 같은 차세대 기술은 빛의 스펙트럼을 정교하게 제어하는 물리학적 원리에 기반하고 있습니다. 특히 색의 순도를 높여 선명한 화질을 구현하는 퀀텀닷 기술은 나노 세계의 물리 법칙을 산업에 응용한 대표적인 사례입니다. 메모리 반도체의 집적도를 높이는 공정 기술 역시 물리학적 이해가 필수적이며, 이는 국가 경쟁력을 좌우하는 중요한 먹거리 산업의 토대가 됩니다. 물리학자를 꿈꾸는 학생들에게 가장 필요한 덕목은 세상에 대한 호기심과 이를 끝까지 파고드는 근성입니다. 교과서에 담긴 지식은 수백 년간의 탐구 결과물일 뿐이며, 진정한 과학적 사고는 일상의 사소한 현상에서도 '왜'라는 질문을 던지는 것에서 시작됩니다. 물리학의 언어인 수학은 도구로서 중요하지만, 고등학교 수준의 기초를 탄탄히 다지는 것만으로도 충분합니다. 중요한 것은 정해진 답을 찾는 선행 학습이 아니라, 실험적 장벽이나 이론적 난관에 부딪혔을 때 엉덩이가 짓무를 정도로 앉아 고민할 수 있는 끈기 있는 태도입니다. 과학에서 이론과 법칙은 신뢰도의 차이라기보다 자연을 묘사하는 틀의 성격에 가깝습니다. 뉴턴의 운동 법칙이 상대성 이론에 의해 보완되었듯이, 물리학의 법칙은 100% 완결된 진리라기보다 현재의 기술로 검증 가능한 최선의 설명입니다. 물리학자들은 실험적 증거가 쌓일수록 이론의 신뢰도를 99.9%에서 99.99%로 높여가는 과정을 반복합니다. 이러한 혹독한 검증 과정을 거치며 이론은 더욱 견고해지며, 때로는 기존의 틀을 깨는 새로운 발견을 통해 우주에 대한 우리의 이해는 한 층 더 깊어지게 됩니다. 물리학에서 정의하는 정보는 일상적인 의미와 달리 확률 분포를 정량화한 매우 건조한 개념입니다. 이는 엔트로피와 밀접하게 연결되어 있으며, 시스템의 무지나 복잡성을 나타내는 척도로 사용됩니다. 하지만 양자역학적 관점에서 정보는 측정 주체와 대상 사이의 상호 관계를 의미하기도 합니다. 우리가 대상을 측정하여 정보를 얻는 행위는 두 시스템 사이에 관계가 형성되는 과정이며, 이는 우주의 본질이 개별적인 입자들의 집합이 아니라 그들 사이의 얽힘과 상호작용으로 이루어져 있음을 시사합니다. 암흑 물질과 암흑 에너지, 비평형 통계역학처럼 물리학에는 여전히 인류가 답하지 못한 거대한 미제들이 산적해 있습니다. 이러한 미지의 영역은 다음 세대 과학자들이 도전해야 할 과제이며, 이를 위해 기초 과학에 대한 사회적 관심과 안정적인 연구 환경 조성이 필수적입니다. 물리학은 단순히 물질의 법칙을 찾는 학문을 넘어, 세상을 객관적이고 합리적으로 바라보는 사고방식을 제공합니다. 모든 시민이 물리학자가 될 필요는 없지만, 과학적 사고를 통해 사회 문제를 논리적으로 판단하는 힘을 기르는 것은 성숙한 민주주의를 위한 밑거름이 됩니다.

고재현, 김범준, 김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학

[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

[카오스 술술과학] 모든 것의 이론

현대 물리학의 역사는 거대한 통합의 과정이라 해도 과언이 아닙니다. 마치 분단된 국가가 통일을 꿈꾸듯, 물리학자들은 우주를 지배하는 근본적인 원리를 하나로 묶어내고자 끊임없이 노력해 왔습니다. 이러한 열망의 종착지는 바로 '모든 것의 이론'입니다. 이는 우주의 복잡한 현상들을 관통하는 단 하나의 원리를 찾아내어 세상의 설계도를 완성하려는 물리학계의 가장 원대한 도전이자 숙원 사업이라고 할 수 있습니다. 현재 물리학은 여러 기본 힘을 통합하는 '대통일 이론'을 표준 모형을 통해 정립해 나가고 있습니다. 이제 남은 마지막 과제는 거시 세계의 질서를 담당하는 중력을 이 체계 안으로 완벽하게 끌어들이는 일입니다. 미시 세계를 설명하는 양자역학과 거시 세계를 다루는 상대성 이론이 하나의 틀 안에서 모순 없이 융합될 때, 비로소 인류는 우주를 설명하는 최종적인 물리 법칙에 도달하게 될 것입니다. 그러나 물리 법칙의 완성이 곧 세상 모든 것에 대한 해답을 의미하는지에 대해서는 여전히 의문이 남습니다. 우리 삶을 구성하는 생명의 신비나 인간의 정신, 그리고 도덕적 가치와 의미 같은 요소들은 단순한 수치나 물리량으로 환산하기 어렵기 때문입니다. 모든 현상을 물리 법칙으로만 환원하려는 시도는 자칫 복잡한 세상의 본질을 놓칠 위험이 있습니다. 그래서 많은 이들은 '모든 것의 이론'이라는 명칭이 가진 한계를 지적하며 과학이 다루지 못하는 영역에 대해 진지한 고민을 던지곤 합니다.

카오스재단술술과학

물리학
융합

[카오스 술술과학] 42 vs 17 (2018 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 주제영상)

현대 사회에서 구글은 모든 질문에 즉각적인 답을 제공하는 전지전능한 존재처럼 여겨지기도 합니다. 하지만 삶과 우주, 그리고 모든 것에 관한 궁극적인 질문을 던졌을 때 돌아오는 '42'라는 답변은 우리를 깊은 사색에 잠기게 합니다. 이는 소설 '은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서'에 등장하는 슈퍼컴퓨터 '딥 소트'가 750만 년이라는 유구한 시간 동안 계산한 끝에 내놓은 결과입니다. '딥 소트'는 이 황당한 숫자가 도출된 이유가 애당초 질문 자체가 잘못되었기 때문이라고 지적하며, 진정한 해답을 얻기 위해서는 먼저 올바른 질문을 찾아야 함을 시사합니다. 딥 소트가 올바른 질문을 찾기 위해 설계한 거대 컴퓨터는 바로 우리가 살고 있는 지구입니다. 지구는 지난 46억 년 동안 우주의 신비를 풀기 위한 정교한 연산을 이어온 하나의 거대한 시스템과 같습니다. 이러한 관점에서 본다면 인류는 지구라는 거대 컴퓨터를 구성하는 개별적인 칩이며, 우리의 삶 또한 우주의 진리를 탐구하는 거대한 과정의 일부가 됩니다. 우리는 존재 그 자체로 우주의 근본적인 목적을 수행하고 있는 셈이며, 지금 이 순간에도 보이지 않는 곳에서 진리를 향한 계산은 쉼 없이 계속되고 있습니다. 현재까지 지구라는 컴퓨터가 찾아낸 가장 과학적이고 유력한 답변은 우주를 구성하는 기본 입자의 개수인 '17'입니다. 최근 힉스 입자의 발견으로 표준 모형은 더욱 견고해졌지만, 이것이 우주의 모든 현상을 완벽히 설명하기에는 여전히 한계가 존재합니다. 우리는 아직 중력의 본질이나 암흑 물질, 그리고 암흑 에너지의 정체를 명확히 규명하지 못했기 때문입니다. 어쩌면 미래에 발견될 새로운 지식들이 더해져 '17'이라는 숫자가 '42'라는 상징적 숫자로 완성될지도 모릅니다. 우리는 여전히 불완전한 대답 속에서 진정한 해답을 향한 여정을 멈추지 않고 있습니다.

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물리학
수학

[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

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물리학

[강연] 히치토론쇼 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 4부 | 4부

노벨상과 필즈상은 인류 지성의 정점을 상징하는 두 축입니다. 100년 넘는 역사를 지닌 노벨상이 인류 보편의 가치와 실용적 공헌을 중시한다면, 필즈상은 만 40세 이하라는 엄격한 나이 제한을 통해 수학적 잠재력과 순수한 학문적 성취를 기립니다. 두 상은 상금의 규모나 수여 주기에서 큰 차이를 보이지만, 인류가 우주의 비밀을 풀기 위해 걸어온 고귀한 여정을 증명한다는 점에서는 그 궤를 같이합니다. 학문적 권위의 우열을 가리기보다 각 상이 지닌 고유한 철학을 이해하는 것이 중요합니다. 산업혁명의 역사는 곧 기초과학 발전의 역사이기도 합니다. 증기기관이 이끈 1차 혁명은 열역학이, 전기를 활용한 2차 혁명은 전자기학이 그 토대가 되었습니다. 또한 컴퓨터와 인터넷이 주도한 3차 디지털 혁명의 이면에는 반도체 기술의 핵심인 양자역학이라는 현대 물리학의 정수가 자리 잡고 있습니다. 이처럼 새로운 과학적 발견은 단순한 기술적 진보를 넘어 사회 구조 전체를 뒤흔드는 거대한 변혁의 물결을 만들어왔으며, 우리는 그 혁명의 연쇄 속에서 살아가고 있습니다. 최근 화두가 되고 있는 4차 산업혁명에 대해서는 학계에서도 다양한 시각이 존재합니다. 인공지능과 빅데이터가 가져올 변화를 혁명으로 받아들이는 입장도 있지만, 이를 뒷받침할 새로운 기초과학적 토대가 아직 미진하다는 신중론도 만만치 않습니다. 진정한 의미의 혁명이 되기 위해서는 기술적 현상을 넘어 우주와 생명을 바라보는 근본적인 과학적 패러다임의 전환이 동반되어야 하기 때문입니다. 과학적 토대 없는 기술의 발전은 사상누각에 불과할 수 있다는 경고의 목소리에 귀를 기울여야 합니다. 자연이라는 거대한 책은 수학이라는 언어로 쓰여 있습니다. 물리학자들에게 수학은 우주와 대화하기 위한 필수적인 문법이며, 수학자들에게 과학은 그 문법을 통해 서술되는 경이로운 내용입니다. 수학이 실제 자연에 존재하지 않는 허수나 무리수를 다룸에도 불구하고 현실 세계를 이토록 완벽하게 설명해낸다는 사실은, 인간의 지성과 우주의 구조 사이에 깊은 연결고리가 있음을 암시합니다. 수학적 논리는 단순한 지적 유희를 넘어 자연의 본질을 꿰뚫는 가장 강력한 도구입니다. 수학적 구조가 우주의 본질인지, 아니면 인간의 두뇌가 우주를 이해하기 위해 만들어낸 도구인지에 대한 논쟁은 여전히 흥미롭습니다. 어떤 이들은 수학이 관찰과 실험을 넘어선 추상적 영역이라고 비판하기도 하지만, 역사적으로 수학적 아름다움을 쫓던 발견들이 훗날 물리적 실체로 증명된 사례는 수없이 많습니다. 결국 수학과 과학은 서로를 비추는 거울처럼 인류의 인식을 확장하는 상호보완적 관계에 있습니다. 이러한 융합적 사고는 우리가 직면한 복잡한 문제들을 해결하는 열쇠가 됩니다. 현대 물리학의 궁극적인 꿈은 자연계의 네 가지 힘을 하나로 통합하는 '모든 것의 이론'을 완성하는 것입니다. 전자기력과 약력, 강력은 표준모형을 통해 어느 정도 통합의 길을 찾았으나, 시공간의 휘어짐을 다루는 중력은 여전히 양자역학과의 결합을 거부하고 있습니다. 이 거대한 수수께끼를 풀기 위한 노력은 우주의 기원과 종말, 그리고 우리가 존재하는 이유에 대한 근원적인 해답을 찾는 과정입니다. 비록 완벽한 방정식이 모든 삶의 의미를 설명해주지는 못할지라도, 그 탐구 자체로 가치가 있습니다. 과학의 진정한 가치는 정해진 답을 얻는 것보다 더 나은 질문을 던지는 데 있습니다. 우주는 고정된 상태로 멈춰 있지 않고 끊임없이 요동치며 변화하는 역동적인 실체입니다. 이러한 변화의 흐름 속에서 우리가 던지는 질문들은 인류의 지평을 넓히는 등불이 됩니다. 세상이 왜 이토록 수학적인지, 그리고 우리는 왜 이 재미있는 과학을 탐구하는지 끊임없이 묻는 행위 자체가 인류 진보의 원동력입니다. 호기심을 잃지 않고 자신만의 질문을 찾아가는 과정이 곧 과학하는 마음의 본질입니다.

김민형, 박권, 송영조, 정하웅

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물리학
수학

[카오스 술술과학] 과학의 중간계, 다양성의 제왕!

우리가 마주하는 세상은 정교한 레고 작품보다 훨씬 복잡하고 아름다운 구조를 지니고 있습니다. 레고가 부품에서 곧장 완성품이 되는 것과 달리, 우리 세계는 세 단계의 정교한 과정을 거쳐 형성됩니다. 가장 먼저 기본 입자들이 모여 원자를 구성하고, 이 원자들이 다시 결합하여 분자를 만들며, 최종적으로 우리가 보는 만물이 탄생합니다. 이때 기본 입자의 설계도라 할 수 있는 표준 모형의 17종 기본 입자와 118종의 원소를 정리한 주기율표는 우주를 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 화학은 바로 이러한 원소들이 결합하여 만들어내는 무한한 분자의 세계를 다루는 학문이라 할 수 있습니다. 사물의 크기를 기준으로 세계를 탐험해 보면 놀라운 미시 세계가 펼쳐집니다. 인간이 맨눈으로 볼 수 있는 한계인 0.1mm 수준에는 머리카락 굵기나 유글레나 같은 세포 생물이 존재합니다. 현미경의 도움을 받아 더 깊이 들어가면 미세먼지와 세균이 활동하는 영역을 지나, 바이러스가 나타나는 나노미터 단위에 도달하게 됩니다. 여기서 더 작아지면 본격적인 분자와 원자의 세상이 시작되는데, 원자의 크기인 10⁻¹⁰m는 인간이 시각적으로 인지할 수 있는 최후의 보루와 같습니다. 그 너머에는 크기를 가늠하기 힘든 양성자와 점과 같은 전자, 쿼크의 영역이 자리 잡고 있습니다. 학문의 체계에서 화학은 단순함을 탐구하는 물리학과 복잡성을 다루는 생물학 사이의 가교 역할을 수행합니다. 매우 단순한 기본 입자로부터 어떻게 이토록 복잡한 생명 현상이 출현했는지는 인류 최대의 수수께끼 중 하나이며, 화학은 그 변화가 시작되는 핵심 지점에 위치합니다. 흥미롭다는 뜻의 영어 단어 '인터레스트(Interest)'가 '사이에 존재한다'는 라틴어 어원에서 유래했듯, 물질계와 생명계를 이어주는 화학의 위치는 그 자체로 매우 매력적입니다. 단순한 물리 법칙이 생명의 경이로움으로 변모하는 그 경계에서 화학은 우주의 신비를 푸는 중요한 단서를 제공하며 우리를 더 깊은 탐구의 세계로 안내합니다.

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[강연] 수학의 대통일 이론 랭랜즈 프로그램에 대하여 (4) _ by신석우 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 9강 | 9강 ④

회전판의 대칭성을 이용하면 정수론의 난제를 해결할 수 있는 실마리를 얻게 됩니다. 다섯 칸으로 나뉜 회전판을 두 가지 색으로 칠하는 경우의 수를 따져보면, 모든 칸이 같은 색인 경우를 제외한 나머지 조합들이 회전 대칭에 의해 5의 배수로 묶이는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 군의 대칭성은 페르마의 소정리를 증명하는 강력한 도구가 됩니다. 수학적 구조인 군을 통해 수의 성질을 파악하는 방식은 현대 수학의 중요한 흐름 중 하나로 자리 잡고 있습니다. 군론의 핵심 개념인 '작용'과 '표현'은 수학적 대상을 바라보는 시각을 획기적으로 확장합니다. 모든 대상을 변화와 함수로 이해하려는 시도가 작용이라면, 이를 행렬과 벡터의 언어로 구체화하여 분석하는 것이 표현론입니다. 특히 표현론은 선형대수학의 틀 안에서 대칭성을 연구하며 수학적 구조를 더욱 명확하게 드러냅니다. 벡터 공간이라는 무대 위에서 군의 성질을 표현함으로써, 우리는 추상적인 대칭성을 계산 가능한 형태로 변환하여 정밀하게 분석할 수 있게 됩니다. 앤드루 와일즈가 페르마의 마지막 정리를 증명할 때 결정적인 역할을 한 것도 바로 이 '표현'의 개념이었습니다. 타원 곡선과 모듈러 형식 사이의 관계를 증명하는 과정에서 연속 표현의 존재는 수학적 진실을 밝히는 핵심 열쇠가 되었습니다. 표현을 만들어낸다는 것은 대칭성을 이용해 복잡한 대상을 설명할 수 있는 기반을 마련하는 일과 같습니다. 이는 단순한 수치 계산을 넘어 서로 다른 수학적 세계를 잇는 가교 역할을 수행하며 정수론의 비약적인 발전을 이끌었습니다. 표현론은 현대 물리학의 표준 모형을 정립하는 데에도 필수적인 토대를 제공했습니다. 머리 겔만은 SU(3)라는 군의 표현을 연구하여 쿼크의 존재를 예측했고, 이는 소립자 물리학의 혁명으로 이어졌습니다. 전자기력, 약력, 강력은 각각 특정 군의 표현으로 설명되며, 현재 물리학자들은 중력까지 아우르는 '모든 것의 이론'을 꿈꾸며, 수학적 대칭성을 통해 우주의 근본 원리를 통합하려는 거대한 도전을 이어가고 있습니다. 랭랜즈 프로그램은 현대 수학의 '대통일 이론'이라 불리며 여러 분야를 하나로 묶는 거대한 지도의 역할을 수행합니다. 에를랑겐 프로그램의 정신을 계승하여 군의 표현론을 통해 정수론, 대수기하학, 해석학 사이의 깊은 연관성을 탐구하는 것이 이 프로그램의 핵심입니다. 이 거대한 추측들이 해결된다면 우리는 수학의 각 분야를 개별적으로 이해하는 것을 넘어, 하나의 통합된 체계 안에서 바라볼 수 있게 됩니다. 이는 수학적 지식의 지평을 근본적으로 확장하는 시도입니다. 현대 수학의 대양과 같은 랭랜즈 프로그램을 탐험하기 위해서는 다양한 분야의 전문 지식과 긴밀한 협업이 필수적입니다. 정수론, 표현론, 기하학 등 각기 다른 전공을 가진 수학자들이 서로의 지혜를 모아 공동 연구를 진행함으로써 새로운 진보를 이뤄내고 있습니다. 비록 가야 할 길이 멀고 험난할지라도, 이러한 학문적 융합은 수학을 발전시키는 강력한 원동력이 됩니다. 랭랜즈 프로그램은 단순한 연구의 종착역이 아니라, 더 넓은 진리를 향해 나아가는 새로운 시작점이라 할 수 있습니다. 수학적 추측이 때로는 한계에 부딪히거나 예상치 못한 방향으로 흐르더라도, 그 탐구 과정 자체가 인류 지성의 위대한 승리라는 점은 변하지 않습니다. 힐베르트 프로그램이 불완전성 정리에 의해 도전을 받았음에도 수학이 더욱 풍성해졌듯, 랭랜즈 프로그램 역시 우리에게 우주의 질서에 대한 깊은 통찰을 제공합니다. 인간이 지닌 이해의 한계를 확인하고 그 너머를 상상하는 도전은 멈추지 않을 것입니다. 이러한 끊임없는 탐구 정신이야말로 수학이 지닌 진정한 가치이자 아름다움입니다.

신석우, 정경훈

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수학

[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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