과학/기술/공학
현대물리와 힉스입자
힉스입자 발견의 전말

현대물리와 힉스입자

지은이 : 노상률
출간일 : 2018-11-02
판매가 : 10,000원
포멧 : PDF
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책소개

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.

목차

제 1부 물질적 존재의 본질 @ 호기심 , 파생력, 붕괴, 힘과 기(氣)
제 2부 경외의 대상 중력 @ 질량, 힘, 물체의 운동, 상대속도, 시간의 지연, 시공4차원, 등가원리, 공간의 굴곡, 암흑물질, 핵합성, 행성과 위성체계
제 3부 만물의 주인 전자기력 @ 전자기장, 물질파, 흑체복사, 에너지의 양자화, 빛의 스펙트럼, 물질입자의 파동성, 에너지준위, 화학결합, 생명체
제 4부 현상의 근원 강력 @ 물질의 근원, 원자론, 물질의 심층적 구조, 제5의 힘
제 5부 물질의 변천과 소멸의 신 약력 @ 상호작용, 입자의 붕괴, 물질의 변천 그리고 소멸
제 6부 물질세계의 형성, 변천 그리고 소멸 @ 힘의 통합, 힉스입자 에피소드, 표준모형, 힘들의 수렴
제 7부 미래과학을 향한 창 @ 힉스, 초대칭, 우주탐사

책리뷰

하늘은 청색거성, 적색거성, 백색왜성, 블랙홀 그리고 태양 같은 별들이 속한 우주로 뻗어 있고 땅은 원자, 분자, 원자핵, 양성자나 중성자, 파이온 그리고 궁극적으로 전자나 쿼크 같은 미세한 입자들로 구성되어있다. 땅속 미세한 입자들의 상호작용으로 생겨난 각종 물질 또는 모든 물체는 그 구성입자들이 매개입자들의 교환에 의한 상호작용으로 시·공 4차원상의 구불구불한 경로를 따라 과거에서 현재를 거쳐 미래를 향해 끊임없이 변천을 거듭하다가 결국에는 우주로 돌아간다.
-표지해설-

이상을 종합해보면 만물을 형성하는 힘들은 거시적인 세계에서부터 중력의 파생력과 중심적 중력, 전자기력의 파생력과 중심적 전자기력 그리고 강력의 파생력과 직접적인 강력의 순으로 물질의 내부로 들어가면서 각각 두 단계씩 점프하면서 점점 더 세어지는 경향을 보이고 있다. 전자기력의 중심력은 중력의 중심력보다 10^20배나 강하며 직접적인 강력은 전자기력의 그것보다 약 1000배나 세다. 여기서 우리는 자연현상의 단순성과 규칙성을 엿볼 수 있다. 세 가지의 힘이라는 것이 그 단순성이요 각기 두 단계씩 점프 한다는 것이 그 규칙성이다. 이런 단순성과 규칙성이 과학의 생명이다. 자연은 결코 혼돈하지 않으며 정연한 질서 내지는 규칙이 있다. 그것이 법칙으로 승화할 수 있는 것이다.
p.15

이것이 힉스입자연구과 관련한 서린의 연구단 축출의 진상이다. 그 일로 서린은 그해 한 해 동안 내내 엄청난 시련을 겪어야했다. 이 에피소드는 현재 세계적인 이목이 집중된 CERN의 LHC실험에서 발견만 된다면 과학사에 한 획을 그을만한 힉스입자연구에 관하여 장장 10여년에 걸쳐있는 것으로 아직 못다 한 얘기가 부지기수이고 이를 영화화하면 세계를 깜짝 놀라게 할 만한 한 기가 막힌 대하드라마가 될 것이다. CERN은 힉스입자 발견을 공식화 하고 있지만 노벨상을 받지 못했다. 힉스입자의 발견은 과학사에 있어서 어떤 발견에 못지 않는 중요한 의미를 갖지만 노벨상을 수상하지 못한 것이다. 이는 중력파가 발견되자마자 작년에 노벨물리학상을 수상한 것과 대조된다. 과학적인 발견에는 한 점의 오점도 용납되어서는 안될 것이다. 이상으로 힉스입자 에피소드를 마치고 지금까지 해오던 얘기로 돌아가도록 하자.
p.134

저자소개

저자: 노상률(魯相律)

프로필
.1989년∽1992년 미국 코넬대학 CLEO실험: 세계최초로 Bs입자 발견 [박사학위논문(실험입자물리학)]
.1993년∽2000년: CERN L3실험 및 일본 KEK BELLE실험 등에서 연구활동
.2001∽2012년 CERN 연구과학자: LHC실험에서 힉스입자발견에 핵심적 역할
.2014-2018년 홍익대학교 교수