반물질

프랭크 클로우스 지음 | 강석기 옮김

MID 2015년 08월 25일 출간 종이책 : 2013년 11월 25일 출간

작품소개

책소개

『반물질』은 CERN의 커뮤니케이션/대중교육 책임자를 지낸 옥스퍼드대 물리학 교수 프랭크 클로우스 박사가 반물질에 대한 현대 물리학의 여러 부분을 종합하여 인물과 시간의 흐름에 따라 쉽게 풀어낸 책이다. 물질과 반물질의 관계는 상대성 이론과 양자물리학의 접점에서 등장한 이론적인 개념이다.

목차

지은이 서문

제1장 반물질: 사실일까 허구일까?
반물질이 지구에 부딪쳤나?
반물질의 위력
반물질의 비밀
자연 속에 있는 반물질

제2장 물질로 이루어진 세계
물질과 반물질
스펙트럼과 양자 전자
팽이처럼 도는 전자
E는 아인슈타인을 뜻하고 E = mc2이다

제3장 석판
폴 디랙
일석이조
무한한 바다
양전하인 전자의 실체는 뭘까?

제4장 우주에서 찾다
양전자 발견
블래킷과 창조
지구에 있는 양전자

제5장 소멸
물질도 반물질도 아닌
더 많은 반입자들
쿼크와 반쿼크
쿼크가 반쿼크를 만날 때

제6장 반물질 저장하기
모든 걸 파괴하는 물질
반양성자 저장
페닝 트랩
트랩에 갇힌 반양성자
반수소와 반물질 공장
LEP

제7장 거울 우주
시간을 거스른다?
이상한 입자의 이상한 행동
외계인과 악수를 하면 안 돼

제8장 도대체 왜 물질이 있는 걸까??
사라진 반물질의 미스터리
빅뱅 재현
뉴트리노
진짜 파국은 아니다

제9장 반물질의 진실
반물질에 대한 허구와 얘깃거리
반물질의 파괴력
대량의 반물질
공상: 반물질 폭탄
반물질: 과감히 나가다
반물질: 사실이 된 허구
반물질 공장(사실 이야기)?

부록
1?: 반물질을 만드는 비용
2?: 디랙 코드

역자후기

출판사 서평

사라진 반물질을 찾아 나서는 ‘지적(知的) 우주여행’ 가이드

태초에 물질과 반물질이 똑같이 생겼는데, 현재의 우주는 왜 물질로만 이뤄져 있을까? 이 책은 세상에서 가장 비싼 물질이자, 단 1그램만 있어도 도시 하나를 통째로 날려 버릴 폭탄의 재료로 알려진 반물질에 대한 흔한 오해와 몰이해를 차근차근 깨우쳐주며, 그를 통해 우주의 놀라운 신비를 깨닫게 해 주는 책이다.

CERN의 커뮤니케이션/대중교육 책임자를 지낸 옥스퍼드대 물리학 교수 프랭크 클로우스 박사가 반물질에 대한 현대 물리학의 여러 부분을 종합하여, 인물과 시간의 흐름에 따라 독자가 알기 쉽도록 잘 풀어 설명해주어 과학과 과학소설을 좋아하는 독자라면 꼭 읽어봐야 할 책이다. 물리학 서적에 익숙한 독자들조차 저자의 간결하고 맛깔스런 문장과 근사한 서술에 경외감을 느끼게 될 것이다.

상대성 이론과 양자물리학의 접점에서 주요한 주제 중의 하나인, 물질과 반물질의 관계를 밝혀내며 양자물리학의 토대를 닦은 폴 디랙의 천재적인 아이디어, 그리고 불과 이듬해에 반물질의 존재를 실제로 발견한 칼 앤더슨의 집념어린 노력은 1933년과 1936년 각각 노벨물리학상 수상으로 이어진 바 있다.

역자 후기

역자는 우연한 일을 계기로 이 책 『Antimatter(반물질)』을 번역하게 됐는데, 나름 흥미로운 에피소드였기에 이를 소재로 에세이를 쓰기도 했습니다. 에세이는 2012년 6월 5일 인터넷 과학신문 《더사이언스》에 실렸고 2013년 5월 출간된 에세이집 『사이언스 소믈리에』에 수록하면서 업데이트 한 바 있습니다. 역자의 에세이로 서평을 대신합니다. - 편집자 주.

세상에서 가장 비싼 물질 이야기

《프리미어》라는 잡지에서 여배우 카메론 디아즈의 인터뷰 기사를 읽은 적이 있다. 기자는 인터뷰를 끝내면서, 디아즈에게 궁금한 것이 있으면 물어보라고 말했다. 디아즈의 대답은 이랬다. “글쎄요, E = mc2이 도대체 무슨 뜻이죠?” 그리고는 둘 다 웃음을 터뜨렸다. 디아즈는 “농담이 아닌데…”라며 말끝을 흐렸다.
- 데이비드 보더니스, 『E = mc2』에서

1998년 작품 《메리에겐 뭔가 특별한 것이 있다》로 백치미의 진수를 보여준 여배우 카메론 디아즈가 진심으로 E = mc2의 의미를 알고 싶어 했다는 위의 에피소드를 읽으면서 약간 감동했다. 결코 과학에 관심을 가질 것 같지 않은 사람도 사실은 내심 과학에 대해 알고 싶어 하는 마음이 있다는 걸 보여주고 있다. 아무튼 그 뒤 디아즈의 얘기가 나오면 이 에피소드가 마치 그 장면을 본 것처럼 떠올라 미소를 짓게 된다.

1그램에 7경 원!
그런데 얼마 전 비슷한 일이 있었다. 식품업계 관계자분들과 점심을 하고 있었는데 잠시 대화가 끊긴 사이 한 분이 말을 꺼냈다.
“세상에서 가장 비싼 물질 얘기 들으셨어요?”
“인터넷에서 본 것 같은데요….”
“2등이 다이아몬드던데(사실은 3등) 1등은 반물질이더라고요.”
“예.”
“그런데 반물질이 뭐예요?”
“예?”
과학기자를 만났으니 궁금증이 해결되겠거니 하고 기대에 찬 눈빛으로 대답을 기다리는 모습에 정신을 수습하고 설명을 하려다 보니 어디서부터 얘기해야 할지 모르겠다.
“반물질이라는 게 복잡한 개념이라 사실 저도 본질적으로는 이해하지 못합니다만….”
두서없이 말하다보니 빅뱅 얘기도 나오고 지금 우주가 물질로만 이뤄진 게 미스터리란 얘기도 나왔지만 질문한 분의 기대에는 한참 못 미쳤다.
“어려운 얘기네요. 그런데….”
옆에서 듣던 분이 다시 식품 쪽으로 대화를 돌렸다.
사무실로 돌아오면서 이 순간을 생각하던 필자는 문득 앞에 소개한 디아즈의 에피소드가 떠올랐던 것이다. 인터넷에서 기사를 검색해 읽어보니 외신을 소개한 건데 반물질은 1그램에 7경 원(62조 5,000억 달러)으로 2위인 캘리포늄의 307억 원보다 200만 배 이상 더 비싸다. 다이아몬드는 3위로 1그램에 ‘불과’ 6,200만 원.
그런데 기사들은 하나같이 반물질이 “우주선 연료나 미래의 에너지로 각광받고 있다”며 “반물질 1그램이면 한 나라를 날려버릴 수 있는 에너지가 나온다”고 소개하고 있다. 과연 그럴까.

햇빛 10%는 반물질이 기원
마침 이 일이 있기 전날 필자는 해외에 주문한 책을 받았다. 과학저널 《네이처》의 책소개란에서 새로 나온 페이퍼백 책들을 보다 『Neutrino』란 책을 주문했던 것. 2011년 연말 뉴트리노(중성미자)가 빛보다 빠르다는 해프닝도 있었고 얼마 전 서울대 김수봉 교수의 뉴트리노 변환상수 측정 얘기도 있고 해서 이참에 뉴트리노를 제대로 알고 싶어서였다.
영국 옥스퍼드대 물리학과 프랭크 클로우스 교수가 쓴 책으로 2010년 출간됐고 이번에 페이퍼백이 나온 것이다. 영미권에서는 하드커버로 신간이 먼저 나오고 1, 2년 뒤 페이퍼백이 나온다. 몇 페이지 읽어보니 너무 잘 썼다. 감탄을 거듭飴玖보다가 저자가 2009년에는 『Antimatter(반물질)』라는 책을 냈다는 걸 알고 이 책을 다 읽고 나서 주문하려고 했다.
그런데 이날 점심 에피소드가 있은 뒤 바로 주문했다. 그리고 책이 도착하자마자 반쯤 읽던 『Neutrino』를 접고 『Antimatter』를 읽기 시작했다. 사실 순서상으로도 이게 맞다. 『Neutrino』를 제대로 읽으려면 반물질 개념을 알고 있어야 하기 때문이다. 이 자리에서 반물질의 개념에 대해 자세히 얘기할 수는 없지만 책에서 알게 된 한두 가지 흥미로운 사실을 소개한다.
먼저 지구에 도달하는 햇빛의 10%는 반물질에서 비롯된다고 한다. 무슨 말인가 하면 태양 내부에서 일어나는 핵융합 반응에서 수소원자핵(양성자) 4개가 헬륨원자핵이 되는 과정에서 양전자(전자의 반물질)가 2개 나온다. 이 양전자는 나오자마자 주변의 전자를 만나 소멸되며 강력한 감마선을 낸다. 그런데 이 감마선이 반지름이 수십만 킬로미터인 태양의 내부를 빠져나오면서 에너지를 조금씩 잃어 결국은 표면에 나왔을 때는 가시광선이 돼 지구로 오는 것.
빛이 태양에서 지구까지 여행하는 데는 불과 8분 30초가 걸리지만 태양 중심에서 표면으로 빠져나오는 데는 끊임없는 충돌 때문에 무려 10만 년이 걸린다고 한다. 따라서 우리가 지금 느끼는 햇빛 가운데 10%는 10만 년 전 핵융합으로 만들어진 양전자가 그 출발점인 셈이다. 반면 핵융합 과정에서 함께 나오는 뉴트리노는 물질과 상호작용을 하지 않기 때문에 바로 태양내부를 통과해 거의 광속으로 지구에 도달한다.
책 말미에는 ‘반물질의 비용’이라는 제목의 부록이 실려 있는데 앞에 소개한 반물질 가격 기사와 관련해 소개한다. 먼저 물질로 이뤄진 우리 세상에서 반물질을 1그램이나 모을 수 있느냐가 문제다. 1그램이면 적은 양 같지만 반수소일 경우 아보가르도 숫자(6?×?1023)만큼 있어야 한다.
그런데 책 부록에 따르면 현재 유럽입자물리연구소CERN에서 만들 수 있는 반양성자(반수소 원자핵) 개수는 1년에 약 10조 개(1013) 정도다. 이런 ‘생산성’이라면 지금 우주의 나이만큼 더 지난 뒤에도 1그램을 만들지 못한다.
게다가 반물질은 물질과 만나면 소멸하기 때문에 만들어진 반물질을 격리해야 하는데 이것도 큰 문제다. 반물질 격리는 1984년 독일의 물리학자 한스 데멜트가 처음 성공했다. 그는 양전자 하나를 엄지손가락 절반 크기의 작은 실린더(페닝 트랩이라고 부른다) 안에 포획해 3개월 간 살려뒀다. 내부에 전자기장을 교묘하게 걸어 안의 반물질이 뱅뱅 돌면서 벽에는 부딪치지 않게 한 것이다. 그는 이 업적으로 1989년 노벨물리학상을 받았다.
한편 2011년 CERN의 알파ALPHA 프로젝트로 불리는 반수소연구그룹은 반수소를 만들어 1,000초 동안 살려두는데 성공했다(반수소는 전하가 0이라 잡아두기가 훨씬 더 어렵다). 따라서 설사 반수소 1그램이 있다고 해도 온전하게 보존할 방법이 없는 게 현실이다. 따라서 반물질이 “우주선 연료나 미래의 에너지로 각광받고 있다”는 기사는 말이 안 된다.
한편 “반물질 1그램이면 한 나라를 날려버릴 수 있는 에너지가 나온다”는 말도 엉터리다. 물론 반물질이 폭발력이 엄청난 건 맞다. 질량이 온전하게 에너지로 바뀌기 때문이다. 그러나 책을 보면 반물질 0.5그램(+물질 0.5그램)이 히로시마에 터진 핵폭탄 하나와 맞먹는 파괴력이 있다고 한다. E = mc2으로 계산해보면 답이 나온다. 따라서 반물질 1그램이면 한 도시를 파괴할 수 있는 정도다. 댄 브라운의 소설 『천사와 악마』에서 나오는 반물질 폭탄의 모습은 작가의 상상(imagination)일 뿐인데 언론조차 이를 진짜로 착각하는 것 같다.
반물질의 개념은 영국의 천재 물리학자 폴 디랙이 양자역학에 특수상대성이론을 적용해 얻은 식(디랙 방정식)을 해석하는 과정에서 나왔다. 디랙은 1928년 전자의 에너지를 구하는 식을 얻은 뒤 해를 구했는데 음의 에너지 값도 나왔던 것. 3년 간 그 의미를 고민하던 디랙은 마침내 놀라운 통찰력으로 에너지 값은 양으로 두고 거꾸로 전자의 전하를 음에서 양으로 바꿔 이 해의 의미를 찾아냈다. 즉 반전자의 존재를 예언한 것이다. 그리고 이듬해 미국의 실험물리학자 칼 앤더슨이 우주선에서 반전자의 궤적을 찾았다고 보고했다. 2012년은 반물질의 존재가 확인된 지 80주년 되는 해다.
영국 런던 웨스트민스터 사원에 있는 폴 디랙의 무덤은 물리학의 거성 아이작 뉴턴의 무덤 옆에 나란히 놓여 있다고 한다. 그의 묘비에는 이름, 직업, 생몰 연도와 함께 반물질의 개념이 들어있는 유명한 디랙 방정식이 새겨져 있다. 아인슈타인의 E = mc2 과 달리 무덤을 찾는 사람들 대다수는 디랙 방정식의 의미는 물론 그 기호가 뭘 뜻하는지조차 알지 못한다고 하지만.
클로우스 교수의 『Antimatter』는 160쪽으로 부담스럽지 않은 분량에 내용도 쉽고 재

작가정보

저자(글) 프랭크 클로우스

저자 프랭크 클로우스(Frank Close)는 영국 옥스퍼드대학의 물리학 교수이자 엑시터칼리지의 선임연구원으로 대영제국4등훈장 수훈자(OBE)다. 영국과학진흥협회 부회장, 러더퍼드애플턴연구소 이론물리학분과 책임자, CERN의 커뮤니케이션?대중교육 책임자를 지냈다. 물리학 대중화에 기여한 공로로 1996년 물리학연구소가 수여하는 켈빈메달을 받았다. 2007년에는 영국 미디어에서 비전문가를 위한 탁월한 과학 글쓰기 공로로 신젠타상을 수상했다. 클로우스 교수는 책을 여러 권 집필했는데, 『Lucifer’s Legacy』(2000), 『The New Cosmic Onion』(2007), 『The Particle Odyssey』(2002), 『The Void』(2007), 『Neutrino』(2010), 『The Infinity Puzzle』(2011) 등이 있다.

번역 강석기

역자 강석기는 서울대학교에서 화학을, 동 대학원에서 분자생물학을 공부했다. LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했고, 2000년부터 2012년까지 《동아사이언스》 과학전문 기자로 일했다. 저서로 『과학 한잔 하실래요?』(2012)와 『사이언스 소믈리에』(2013)가 있다.