현대물리와 힉스입자

이 책은 머리말까지도 필자가 CERN(유럽입자물리연구소)에 있을 때 틈틈이 집필한 것이다. 그것을 강의를 하면서 발견된 학생들의 취약점을 잘 반영하여 최근에 한번 더 새롭게 검토를 해서 출판하였다. 이 책에는 필자가 CERN에서 11년 동안 힉스입자 연구를 하면서 실제로 겪은 사실도 상세하게 서술되어있다. 필자는 대학에서 대학물리학 뿐만아니라 현대물리학도 다년간 강의를 하면서 이 책의 내용을 그대로 슬라이드 강의록으로 제작을 하여 사용하였다. 단, 이 책은 일반 독자를 대상으로 한 것이기 때문에 강의록과는 달리 수식이 없이 순전히 개념만으로 쓰여져 있고 강의 같은 딱딱한 형식을 지양하고 질문을 하고 답하는 이야기 형식으로 서술하였다.

그리고 현대물리를 이해하기 위해서는 대학물리의 이해도 필요하므로 자체적으로 완전한 책이 되어 누구나 이해할 수 있도록 이 책에는 대학물리의 개념들도 수식이 없이 자세하게 서술되어 있다. 물리학 강의의 목적은 학생들에게 물리적개념을 이해시키는 것이다. 물리적개념, 이것이 과학적사고와 나아가 창의력의 원천이기 떄문이다. 이 책은 개념적으로는 오히려 대학물리보다 더 근본적으로 설명이 되어있다. 그래서 학생들로부터 대학물리보다 더 쉽다는 말을 듣기도 하였다. 또한 수식을 전혀 사용하지 않으므로 개념에 강한 인문사회계통의 학생들이 좋은 성적을 받은 경우가 많이 있었다. 따라서, 이 책은 물리학의 개념적 완성판이라고 할 수 있다.

이 책은 자연의 네 가지 기본력인 중력, 전자기력, 약력 그리고 강력을 중심으로 구성되어있다. 즉 이 책의 주제는 “힘” 이란 한마디로 요약할 수 있다. “힘”, 이것이야말로 우주만물을 생성시키고 변천․소멸하게 하는 것이다. 힘을 아는 것이 과학의 전부라 해도 과언이 아니다. 어떤 물질적인 현상도 이 네 가지 힘들 중의 하나로 귀착된다. 그래서 이런 기본력을 “근원적 힘(Fundamental Force)”이라고 한다. 현재 이 네 가지 힘들은 상대론적 양자론과 더불어 거의 완벽하게 이해되고 있다. 서로가 아주 달라 보이는 이런 힘들은 하나의 개념으로 이해할 수 있는 표준모형으로 통합까지 되었다.

그런데, 이런 현대물리적 개념을 애써 외면하고 있는 사람들도 있다. 표준모형이니 쿼크니 하면 그건 먼 나라에서나 일어나는 먼 장래의 일처럼 생각을 한다. 그러나 이런 것들이 현대물리학의 기반이자 개념이다. 표준모형으로 이르는 과정에서 수십 명이 노벨물리학상을 받았다. 모든 현대과학적 개념의 근원이 여기에 있다. 원자핵이나 현재 과학이 몰두하고 있는 방향인원자수준에서의 물질현상의 기술은 부정확하고 근사적이며 우주를 이루는 가장 근원적인 입자의 수준에서 기술해야만 상대론적 양자론이 빛을 발하고 물질에 대한 진정한 이해가 얻어질 수 있다. 그러나 현대물리적 개념을 포괄적으로 잘 해설한 책이나 인터넷에서도 찾아보기가 쉽지 않을 것이다. 거기다 어려운 수식이 포함되어있어 일반사람들은 현대물리적 개념을 접할 수조차 없다. 그래서 이 책은 현대물리를 수식 없이 포괄적으로 해설하였다. 따라서 이 책의 내용만 개념적으로 잘 이해를 한다면 현대과학의 어떠한 문제도 자신 나름대로의 논리를 가지고 원리적으로 이해를 할 수 있을 것이다.

더구나, 현대물리적인 개념이 없이는 현대과학적인 창의력도 나올 수 없다. 자신의 전공영역에 갇혀 있어서는 창의력이 생기지 않는다. 겉으로는 아주 달라 보이는 각 전공분야들도 근원적으로 한 발짝 깊이 들어가면 서로가 통한다. 현대물리적인 개념이 바탕이 되어 전공영역들을 뛰어넘는 발상이 있어야 창의력이 생긴다. 4차 산업혁명 시대에 요구되는 것은 바로 이런 창의력이다. 이런 창의력이 있어야 인류에게 목전에 닥친 최대 위협인 지구온난화 문제도 해결하려면 할 수도 있을 것이다. 이런 것이 바로 융복합연구이다. 융복합이란 말같이 그렇게 쉽게 이루어지지 않는다.

끝으로, 현대물리의 하이라이트는 힉스입자이다. LHC 가속기 건설이 시작된 지 20여년 만에 힉스입자 시그널이 포착이 되었고 필자도 제네바 근교에 있는 CERN 가까운 곳에 11년 동안 거주하면서 CERN에 살다시피 하여 힉스입자 시그널을 봤는데, 일 년에 한두 번 CERN을 방문하여 “잘되고 있지” 하는 식의 연구를 하면서도 언론에는 힉스입자 운운하고들 있다. 이 책과 같이 대학물리로부터 현대물리까지 체계적인 물리적개념의 이해가 없이는 힉스입자가 진정 무엇인지도 이해할 수 없다.