힉스, 신의 입자 속으로

짐 배것 지음 | 박병철 옮김

김영사 2017년 01월 13일 출간 종이책 : 2016년 12월 29일 출간

작품소개

책소개

힉스의 발견, 우주 만물의 비밀을 밝혀내다!

21세기 최대 과학혁명인 힉스의 발견이 우주 만물의 비밀을 밝혀냈다. 프랑스, 네덜란드, 스웨덴, 일본, 중국 등 전 세계에 번역되어 힉스 발견과 발명의 가치와 의미를 짚어준 교양과학 필독서『힉스, 신의 입자 속으로』. 2012년 7월 4일, 스위스의 제네바에 있는 유럽원자핵공동연구소 CERN으로부터 가설 속에 존재하던 입자 힉스가 수조 원의 막대한 비용을 들인 끝에 48년 만에 마침내 발견되었다는 뉴스가 보도 되었다. 왜 이렇게 야단법석인가? 힉스는 대체 무엇이며, 왜 그렇게 중요하게 취급되는 것인가? 힉스가 발명되고 발견되기까지의 과정과 그 순간순간들 뒤에 숨은 전 세계 물리학 지성들의 위대한 지적탐험기가 흥미진진하게 펼쳐진다.

이 책은 인류의 수수께끼로 남을 뻔했던 '힉스입자'의 발명과 발견의 연대기를 담았다. 저자 짐 배것은 이 책에서 우리가 왜 힉스 발견에 주목해야 하는지, 수많은 과학자들이 힉스의 궁금증을 해결하기 위해 얼마나 노력해왔는지 소설처럼 쉽게 풀어냈다. 아인슈타인, 볼프강 파울리, 리처드 파인만 등 19세기 물리학자들과 현대의 물리학자들까지 시공간을 초월한 수많은 과학자들이 세상 모든 물질을 구성하는 최소단위가 무엇인지 실허을 계속 해왔다. 오랜 세월 힉스의 과학적 증명을 위해 노력했고 2013년 힉스입자의 발견을 공식적으로 선포하게 된다. 이 책은 저자의 식견과 넘치는 스토리텔링은 물리학의 또다른 재미와 물리학의 발전을 한눈에 살펴볼 수 있을 것이다.

목차

책머리에
서문
프롤로그 : 형태와 본질
PART 1 발명
1. 논리적 사고
- 독일의 수학자 에미 뇌터, 자연의 대칭과 보존법칙 사이의 심오한 관계를 발견하다

2. 궁색한 변명
- 전닝 양과 로버트 밀스가 강한 핵력을 서술하는 양자장이론을 구축하여 볼프강 파울리의 심기를 불편하게 만들다.

3. 아무도 이해하지 못한 이론
- 머리 겔만이 기묘도와 팔정도를 발견하고 셸던 글래쇼가 양-밀스 장이론을 약한 핵력에 적용했으나 학계의 관심을 끌지 못하다.

4. 옳은 아이디어를 틀린 문제에 적용하다
- 머리 겔만과 조지 츠바이크가 쿼크의 개념을 도입하고, 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 힉스 메커니즘을 이용하여 W입자와 Z입자에 질량을 부여하다.

5. 제가 할 수 있습니다
- 헤라르뒤스 토프트가 양-밀스 장이론의 재규격화 가능성을 증명하고, 머리 겔만과 하랄트 프리치가 쿼크의 색에 기초한 강력이론을 개발하다.

PART 2 발견
6. 교류중성흐름
- 양성자와 중성자의 내부구조가 밝혀지고, 약전자기이론에서 예견되었던 약중성흐름이 발견된 직후 취소되었다가 다시 극적으로 발견되다.

7. 그건 W입자가 확실해!
- 양자색역학이 체계를 갖추고 이론에서 예견된 W입자와 Z입자, 그리고 맵시쿼크가 발견되다.

8. 완전한 몰입
- 로널드 레이건 대통령이 초전도 초충돌기 제작에 힘을 실어주었으나, 6년 후 미국의회가 프로젝트를 철회하다. 그 결과 텍사스주에는 커다란 구멍만 남게 되다.

9. 환상적인 순간
- 힉스보존의 물리학적 의미를 영국 정치인들이 알아들을 수 있는 언어로 설명하다. CERN에서는 힉스입자의 흔적이 발견되고, LHC가 드디어 가동에 들어갔다가 심각한 고장을 일으키다.

10. 셰익스피어의 질문
- LHC가 모든 사람들(린던 에번스는 제외!)의 기대 이상으로 막강한 위력을 발휘하여 1년 치 데이터를 몇 달 만에 만들어내고, 힉스입자는 숨을 자리를 잃다.

에필로그 : 질량의 해석
맺음말
옮긴이의 글
미주
용어해설
참고문헌
찾아보기

책 속으로

새로운 입자들이 줄줄이 발견되면서 물리학자들은 새 이름을 붙이는 데에도 적지 않은 애를 먹었다. 메존은 나중에 뮤메존으로 바뀌었다가 뮤온이라는 이름으로 정착되었고, 새로 발견된 입자에는 파이메존이라는 이름이 붙여졌다. 그 후 우주선 입자를 감지하는 기술이 개선됨에 따라 새로운 입자가 봇물 터지듯 쏟아져 나왔다. (…) 연일 쏟아지는 입자목록에 물리학자들은 암기력의 한계를 느낄 정도였다. 언젠가 페르미는 강의 도중에 한 학생이 입자의 종류에 대해 묻자 이렇게 대답했다고 한다. “이봐, 학생. 내가 그 긴 목록을 다 외울 수 있다면 물리학자가 아니라 식물학자가 되었을 걸세.
_<3장 아무도 이해하지 못한 이론> p. 93 중에서

물론 힉스 메커니즘이 처음부터 쉽게 수용된 것은 아니다. 피터 힉스는 자신의 논문을 1964년 7월에 <피직스 레터스>라는 학술지에 제출했다가 심사위원에게서 게재불가 판정을 받았다. 그로부터 몇 년 후, 힉스는 당시의 일을 회상하며 다음과 같이 적어놓았다. “당시 나는 입자물리학에서 매우 중요한 사실을 발견했다고 자부하고 있었기에, 심사위원에게서 게재불가 판정을 받고 몹시 분개했다. 1964년 8월 한 달 동안 CERN을 방문했던 나의 동료 스콰이어스는 심사위원들이 내 이론의 핵심을 제대로 이해하지 못했을 것이라며 위로해주었지만 분노는 쉽게 가라앉지 않았다.”
_<4장 옳은 아이디어를 틀린 문제에 적용하다> p.116 중에서

2,000명이 넘는 물리학자들이 SSC에 자신의 미래를 걸었다. 이들은 휴직을 하거나 다니던 직장을 아예 그만두고 프로젝트에 합류하기 위해 웍서해치 주변으로 속속 모여들었다. SSC를 잘 모르는 외부 사람들에게는 이 모든 것이 위험한 도박처럼 보였을 것이다. 연구실은 공사 중이고 지하에서는 가속기는커녕 굴착기가 이제 막 터널을 뚫고 있는데 사람들은 구름 떼처럼 모여들고 있었다. 그런데 공사를 시작한 지 얼마 지나지 않아 불길한 징조가 나타나기 시작했다. (…) 거대과학을 에워싼 잡음들이 곳곳에서 들려오기 시작했다.
_<8장 완전한 몰입> p. 194~195 중에서

월드그레이브는 영국물리학회의 연례회의에 참석하여 청중 앞에서 선언했다. “힉스보존이 대체 뭐길래 그 야단인가? 얼마나 대단한 놈이길래 수십 억 달러를 들여 찾겠다는 것인가? 우리 무식한 정치가들에게 힉스보존을 찾아야 하는 이유를 이해시켜보라. 당신들이 성공한다면, 재정을 확보하는 데 최선을 다해보겠다!” (…) 정치인들이 힉스 메커니즘을 알아듣도록 설명하려면 일상적인 비유를 드는 것이 최선이다. 가장 적절한 비유를 든 사람은 영국 유니버시티칼리지런던의 입자물리학 교수인 데이비드 밀러였다. 그는 초기에 떠오른 아이디어를 몇 차례 수정하여 정치인 월드그레이브에게 딱 맞아떨어지는 비유를 완성했다.
_<9장 환상적인 순간> p. 200~201 중에서

페르미연구소와 CERN에 근무하는 수천 명의 과학자들에게는 매일매일이 긴장과 흥분의 연속이었다. 지난 10년 동안 새로 발견된 입자는 단 하나도 없었고, LEP에서 힉스입자의 희미한 흔적이 발견된 지도 벌써 11년이 지났다. 이제 새로운 물리학이 등장할 때가 된 것이다. 과연 얼마나 더 기다려야 할까? 6개월? 1년? 2년? 고에너지물리학자들은 아인슈타인이 말했던 ‘1시간 같은 1분’을 온몸으로 체험하고 있었다.
_<10장 셰익스피어의 질문> p. 227 중에서

출판사 서평

“우리는 과연 신의 뜻을 알 수 있을까?”
21세기 최대 과학혁명인 신의 입자, 힉스 속으로

《힉스, 신의 입자 속으로》는 인류의 영원한 수수께끼로 남을 뻔했던 ‘힉스입자’의 발명과 발견의 연대기를 담은 역작이다. 과학 커뮤니케이터란 독특한 이력으로 과학을 일반인에게 쉽고 재미있게 전달하며 과학의 대중화에 앞장서온 저자 짐 배것은 이 책에서 우리가 왜 힉스의 발견에 주목해야 하는지, 힉스는 왜 발견되어야만 했는지, 수많은 과학자들과 실험가들이 힉스에 대한 궁금증을 해결하기 위해 얼마나 피나는 노력을 해왔는지 등의 이야기를 한편의 소설처럼 쉽고 재미있게 풀어냈다. 무엇보다 물리학 전반에 대한 저자의 폭넓은 식견과 재치 넘치는 스토리텔링은 물리학이 어렵고 따분하다고 생각했던 일반 독자들에게 물리학의 발전 과정을 한눈에 들여다보는 재미를 느끼게 해줄 것이다. 짐 배것의 탁월한 통찰과 과학에 대한 학문적 열정이 빛나는 이 책은 힉스가 발명되고 발견되기까지의 과정과 그 순간순간들 뒤에 숨은 과학 이야기 속으로 우리를 안내한다.

“신의 입자, 힉스는 정말 존재하는 것인가?”
힉스의 발견과 입증, 미지의 영역에 도전한 과학자들

이 세상은 무엇으로 어떻게 만들어졌을까? 우리 인간은 언제부터 이 질문에 궁금증을 가져왔던 것일까? 인류가 논리적 사고를 시작한 후로, 이런 식의 질문은 우리의 지성을 끊임없이 자극해왔다. 기원전 5세기경, 시칠리아의 철학자 엠페도클레스는 모든 물질이 4개의 기본요소로 이루어져 있다고 주장했다. 이와 비슷한 시기에 레우키포스는 이 세상이 눈에 보이지 않을 정도로 작으면서 절대 파괴되지 않는 입자, 즉 원자와 빈 공간으로 이루어져 있다고 주장했고, 한 세기 후 플라톤은 4가지 기본원소들이 원자로 이루어져 있다는 새로운 이론을 제시했다.
이런 인간의 호기심은 2,500년이 넘는 시간 동안 해결되지 못한 채 이어져왔다. 아인슈타인, 볼프강 파울리, 리처드 파인만 등 19세기 물리학자들과 프랑수와 앙글레르, 피터 힉스를 비롯한 현대의 물리학자들까지, 시공간을 초월한 수많은 과학자들이 세상의 모든 물질을 구성하는 최소단위가 무엇인지, 자연의 근본원리를 밝혀내기 위해 추측하고 실험하는 과정을 끊임없이 반복했다. 그렇다면 인류는 과연 질문에 대한 해답을 얻었을까? 오랜 세월 힉스의 과학적 증명을 기다려왔던 과학계는 마침내 환호했고, 2013년 피터 힉스는 프랑수아 앙글레르와 함께 힉스의 존재를 예견하고, 힉스 메커니즘을 개발한 공으로 노벨물리학상을 수상하였다.

“이 세상은 무엇으로 이루어져 있는가?”
인류 최대 난제를 해결하기 위한 물리학 최고 지성들의 위대한 지적 탐험기

지구와 세계, 더 나아가 우주에 대한 인간의 끝없는 궁금증은 모든 입자와 그들 사이의 힘을 설명하기 위해 ‘표준모형’이라는 이론을 만들어냈다. 하지만 시간이 지나면서 과학자들은 입자물리학의 성전인 표준모형조차 결국엔 심각한 결함을 갖고 탄생한 이론임을 인지하게 되었다. 이 오류를 해결하는 방법은 오직 단 하나, 힉스입자를 직접 발견하는 것뿐이었다. 그러나 피터 힉스와 프랑수아 앙글레르 등 물리학자들이 힉스가 존재한다는 가설을 제안한 지 40년이 넘도록 힉스입자는 발견되지 않았다. 그 후 2012년 7월 4일에 개최된 학회에서 CERN의 물리학자들은 힉스입자에 ‘부합되는’ 입자가 발견되었음을 선언했고, 2013년 10월 4일 힉스입자의 발견을 공식적으로 선포하였다. 표준모형을 뛰어넘어 새로운 물리학의 세계로 인류를 인도한 것이다.
《힉스, 신의 입자 속으로》는 힉스가 무엇이고, 어떻게 발견되었는가를 단순히 나열하고 설명하는 책이 아니다. 저자는 힉스가 발견되기 전까지 막대한 시간과 비용에도 불구하고 이렇다 할 결과를 보여주지 못한 과학자들의 회의감, 입자물리학의 발전이 커다란 위기에 봉착하는 과정 등을 아주 자세히 서술함으로써, 오늘날 과학자들이 이룬 업적이라는 것이 거대한 전통 속에서 가장 최근에 내딛은 한 걸음에 불과하다는 사실을 알게 해줄 것이다.

작가정보

저자(글) 짐 배것

짐 배것은 본명은 제임스 에드워드 짐 배것(James Edward Jim Baggot). 과학 커뮤니케이터. 과학사 및 과학철학에 관한 글을 주로 쓰고 있다. 1957년 3월 영국의 사우샘프턴 출생. 1978년 맨체스터대학교를 졸업하고 옥스퍼드대학교에서 화학물리학 박사학위를 받았다. 동대학교와 스탠퍼드대학교에서 박사후과정을 이수하였으며, 영국의 레딩대학교에서 화학과 교수로 학생들을 가르쳤다. 이후 상업적 세계에서 경험을 쌓기 위해 정교수직을 포기하고 쉘사로 자리를 옮겨 비즈니스 컨설턴트와 교육 전문가로 11년간 일했다.
학계를 떠나서도 과학에 대한 끊임없는 관심과 열정을 보여온 그는 과학 발전에 큰 기여를 한 공으로 1989년 영국왕립화학회로부터 말로 메달을 받았다. <뉴 사이언티스트> <네이처> <인디펜던트> <타임스> 등에 꾸준히 기고하였으며, 1991년에는 ‘풀러렌의 발견’이란 특집기사로 영국과학작가협회상을 수상했다.
저서로 《퀀텀 이론의 의미(The Meaning of Quantum Theory)》《완벽한 대칭(Perfect Symmetry)》 《관측을 넘어서(Beyond Measure)》 《진실로 가는 초보 여행자를 위한 안내서(A Beginner's Guide to Reality)》《퀀텀스토리(The Quantum Story)》 등이 있다.

번역 박병철

역자 박병철은 서울에서 태어나 연세대학교와 동대학원 물리학과를 졸업하고 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공해 물리학 박사학위를 받았다. 30년 가까이 대학에서 학생들을 가르치다 지금은 번역 및 저술활동에 전념하고 있다. 2016년에 《마음의 미래》로 제34회 한국과학기술도서상 번역상, 2005년에《우주의 구조》로 제46회 한국출판문화상 번역상을 수상했다. 옮긴 책으로 《평행우주》 《미래의 물리학》 《불가능은 없다》 《멀티 유니버스》 《퀀텀스토리》 《엘러건트 유니버스》 《퀀텀 유니버스》 《파인만의 물리학 강의 I, II》 《페르마의 마지막 정리》 등이 있으며, 저서로는 어린이 과학동화 《라이카의 별》이 있다.