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[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] 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

카오스재단카오스강연

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

천사와 악마에 등장한 그 연구소! CERN은 대체 어떤 연구소일까?

유럽입자물리연구소(CERN)는 세계 최대 규모의 대형 강입자 충돌기(LHC)를 보유한 인류 최대의 입자 물리학 연구 시설입니다. 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이의 제안으로 설립된 이 연구소는 여러 국가의 협력을 통해 거대 과학의 위엄을 보여주고 있습니다. 싱크로사이클로트론을 시작으로 슈퍼 양성자 싱크로트론(SPS), 대형 전자 양전자 충돌기(LEP) 등을 거치며 인류는 미지의 영역이었던 미시 세계를 탐험해 왔습니다. 한국 역시 2006년부터 공식적으로 국제협력 연구에 참여하며 현대 물리학의 발전에 기여하고 있습니다. 오늘날 인류의 삶을 완전히 바꾸어 놓은 월드 와이드 웹(WWW)은 사실 CERN의 방대한 실험 데이터를 효율적으로 공유하기 위해 탄생했습니다. 1989년 팀 버너스 리는 전 세계에 흩어진 물리학자들이 운영체제의 제한 없이 논문과 그래픽 이미지를 빠르게 교류할 수 있는 문서 소통 툴을 기획했습니다. 놀랍게도 그는 이 혁신적인 기술에 대한 특허권을 포기하고 누구나 무료로 사용할 수 있도록 공개했습니다. 이 선한 영향력 덕분에 웹은 과학계를 넘어 전 인류를 하나로 연결하는 거대한 매개체로 성장할 수 있었습니다. CERN이 이룩한 수많은 물리적 업적 중에서도 표준모형의 핵심인 W 보손과 Z 보손의 발견은 역사적으로 가장 눈부신 성과로 꼽힙니다. 우주의 기본 힘 중 하나인 약한 상호작용을 매개하는 이 입자들의 존재는 1930년대 엔리코 페르미의 예측을 시작으로 스티븐 와인버그 등의 이론적 연구를 통해 예견되었습니다. 이론적 예측이 실험보다 훨씬 앞서가던 시기에 과학자들은 이 미지의 입자들을 실제로 검증하기 위해 거대한 가속기를 건설하고 에너지를 극한으로 끌어올리는 도전을 시작했습니다. W와 Z 보손을 발견하기 위해 슈퍼 양성자 싱크로트론(SPS) 가속기를 개조해야 한다는 물리학자 카를로 루비아의 파격적인 제안은 처음에는 많은 반대에 부딪혔습니다. 하지만 자신의 주장에 강한 확신을 가졌던 그는 연구소 측을 끈질기게 설득하여 결국 양성자와 반양성자를 충돌시키는 혁신적인 실험 장치인 Sp̄pS를 가동하는 데 성공했습니다. 1981년 개조된 가속기가 작동하기 시작하면서, 연구진은 마침내 W 보손이 붕괴하며 만들어내는 에너지 신호를 포착하여 입자의 존재를 세상에 증명해 보였습니다. 검출기 내부의 와이어 챔버는 자기장 속에서 전기를 띤 입자들의 궤도를 정밀하게 추적하는 결정적 역할을 했습니다. 아르곤과 헬륨 가스로 가득 찬 공간을 통과하는 입자들이 만들어내는 신호를 분석하여 Z 보손과 W 보손의 질량을 통계적으로 규명해낸 것입니다. 이 과정에서 반양성자 빔을 정밀하게 제어하는 '스토캐스틱 쿨링' 기술을 개발한 시몬 반 데르 메어와 카를로 루비아는 그 공로를 인정받아 공동으로 노벨 물리학상을 수상하며 입자 물리학의 역사에 큰 획을 그었습니다.

과학쿠키과학쿠키 - 입자물리학 편

물리학

대체 원자보다도 더 작은 세계를, 어떻게 알게 되었을까?

현대 물리학의 금자탑이라 불리는 표준모형은 이 세상을 구성하는 17개의 기본 입자와 그들 사이의 상호작용을 체계적으로 설명합니다. 이는 결코 한 사람의 천재적인 영감에 의해 하루아침에 완성된 업적이 아니며, 20세기를 대표하는 수많은 물리학자가 머리를 맞대고 일구어낸 역사적 산물입니다. 고대 데모크리토스에서 시작된 미시 세계에 대한 호기심은 한때 아리스토텔레스에 의해 가려지기도 했으나, 근대 화학의 아버지 돌턴의 원자설을 통해 화려하게 부활했습니다. 이후 불꽃 반응이나 방사성 붕괴 같은 특이 현상이 발견되면서 인류는 원자보다 더 작은 존재가 있음을 깨닫고 이를 규명하기 위한 긴 여정을 시작하게 되었습니다. 1920년대 원자의 내부 구조를 밝히기 위한 실험적 노력은 찰스 윌슨의 안개 상자 발명으로 큰 전환점을 맞이합니다. 본래 기상 현상을 연구하기 위해 고안된 이 장치는 알파 입자와 전자 같은 방사선 입자가 지나갈 때 그 궤적이 순간적으로 응결되도록 하여, 보이지 않는 미시 입자의 존재를 시각적으로 증명해 냈습니다. 이와 동시에 어니스트 러더퍼드와 그의 제자 제임스 채드윅은 원자핵의 비밀을 파헤치는 데 집중했습니다. 특히 채드윅의 중성자 발견은 전기적 반발력을 극복하고 원자핵에 접근할 수 있는 강력한 도구를 제공했습니다. 이는 단순히 새로운 입자의 발견을 넘어, 인류가 핵에너지에 접근하고 원자핵 내부를 심층적으로 탐구할 수 있는 결정적인 배경이 되었습니다. 양성자들이 원자핵이라는 좁은 공간에 뭉쳐 있을 수 있는 원리는 하이젠베르크와 조지 가모프의 이론을 통해 구체화되었습니다. 하이젠베르크는 핵 내부에 입자들을 풀처럼 단단하게 붙들고 있는 미지의 물질이 존재한다고 추측했으며, 가모프는 원자핵의 속박을 뚫고 나오는 입자들의 움직임을 양자역학적 확률로 설명했습니다. 이를 오늘날 우리는 양자 터널링 효과라고 부릅니다. 이 현상에 따르면 입자는 고전적인 퍼텐셜 장벽을 넘을 수 있는 충분한 에너지가 없더라도, 확률적으로 장벽 너머에서 발견될 가능성을 지닙니다. 즉, 강하게 속박된 상태에서도 입자가 핵 밖으로 튀어나갈 수 있다는 사실은 미시 세계를 지배하는 독특한 물리 법칙이 존재함을 시사하며 현대 핵물리학의 근간이 되었습니다. 제2차 세계대전의 발발은 핵물리학이 비약적으로 발전하는 동시에 과학의 사회적 책임과 비극을 동시에 보여준 사건이었습니다. 아인슈타인의 건의로 시작된 맨해튼 프로젝트에는 당대 최고의 지성들이 투입되었고, 전쟁 중 이루어진 막대한 자본과 인력의 집중은 수많은 새로운 소립자의 발견으로 이어졌습니다. 이 과정에서 전자 중성미자, 중간자, 반물질 등의 존재가 규명되었으며, 특히 유카와 히데키가 예언한 중간자는 핵자들을 강하게 결합하는 실제 물질임이 밝혀졌습니다. 폴 디랙 역시 상대성이론과 양자역학을 결합하여 모든 입자에는 그에 대응하는 반입자가 존재한다는 사실을 예언했고, 이는 실험적 증명을 통해 현대 물리학의 정설로 자리 잡으며 입자 물리학의 지평을 넓혔습니다. 실험 기술의 발달로 수백 종류에 달하는 소립자들이 발견되자 물리학자들은 이를 체계적으로 분류할 더 근본적인 구조를 찾기 시작했습니다. 미국의 물리학자 머레이 겔만은 복잡한 입자 군집 속에 숨겨진 기본 단위인 쿼크의 개념을 도입하고 이를 '팔정도' 이론으로 정리하여 혼란을 잠재웠습니다. 겔만은 소설 속 문구에서 영감을 얻어 쿼크라 이름 붙였으며, 그의 추측은 이후 거대 가속기를 통한 실험을 거쳐 실제 사실로 입증되었습니다. 이제 인류는 탁자 위 실험 수준을 넘어 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 인류 역사상 가장 거대한 실험 장치를 통해 우주의 기원과 만물의 근원을 탐구하고 있습니다. 이러한 거대 과학의 여정은 앞으로도 계속될 것입니다.

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