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[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.

[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.