우주 기원 메커니즘 50년 만에 확인
기초과학 성과 보여준 최상의 사례

노자는 ‘도덕경’에서 “도에서 일이 생기고(道生一), 일에서 이가 생기고(一生二), 이에서 삼이 생기고(二生三), 삼에서 만물이 생겼다(三生萬物)”라고 했다. 현대 과학의 눈으로 보면 빅뱅의 순간에 우주적 원리, 즉 도로부터 에너지가 생기고, 아주 초기의 빅뱅 우주에서 에너지는 빛과 물질로 바뀌고, 빛과 물질은 상호 변환을 하면서 양성자·중성자·전자를 만들고, 나중에 양성자·중성자·전자가 조합을 이뤄 자연에 존재하는 수소·탄소·산소·철·우라늄 등 약 100가지 화학원소와 나아가서는 만물을 만든다고 볼 수 있다. 물론 노자가 과학의 관점에서 한 말은 아니겠지만 기막힌 대비라고 하지 않을 수 없다.

김희준 광주과학기술원 석좌교수·화학

일(一)은 우주의 모든 것을 포괄하는 것이어야 하기 때문에 에너지일 수밖에 없다. 에너지는 총량이 보존되면서 모든 것으로 바뀔 수 있는 가능성을 내포하는 유일한 것이기 때문이다. 따라서 138억 년 전, 빅뱅의 순간에 우주에 주어진 것은 에너지인 셈이다. 그런데 현재 우주에는 질량이 있는 물질이라는 형태의 에너지가 있고, 또 질량이 없는 빛이라는 형태의 에너지가 있다. 물론 아직 정체가 밝혀지지 않은 우주 전체 에너지의 70% 정도를 차지하는 암흑에너지가 있지만 우리 주위의 만물을 만드는 에너지는 물질과 빛이라고 봐도 좋을 것이다.

빅뱅의 에너지는 물질도 빛도 아닌 순수한 에너지이다. 그렇다면 어떻게 순수한 에너지가 질량을 가진 물질 입자가 될 수 있었는지가 궁금하고 중요한 문제일 수밖에 없다. 우리 몸을 이루는 원자와 분자, 그리고 원자를 구성하는 양성자·중성자·전자, 또 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크들 모두 질량을 가진 물질이기 때문에 입자가 질량을 가지게 된 순간은 우리 자신의 궁극적 기원에 해당하는 순간이다. 그리고 입자가 질량을 가지는 메커니즘을 밝히는 것은 우주의 가장 심오한 비밀 중 하나를 푸는 것이다.

1964년 영국의 물리학자 힉스는 물질에 질량을 부여하는 새로운 종류의 입자를 제안했다. 그리고 올해 3월14일에 유럽입자물리연구소(CERN)는 힉스 입자라고 불리는 이 입자의 발견을 발표했다. 이론적으로 제안된 지 거의 50년 만에 강입자가속기 실험을 통해 확인된 것이다. 그동안 이 일에 참여한 수많은 과학자와 투여된 막대한 예산 덕분이다. 이 입자를 힉스 입자로 명명한 것은 이휘소 박사라고 알려졌는데, 한편 리언 레더먼은 힉스 입자를 ‘신의 입자’라고 불렀다. 힉스 입자가 있어야 쿼크, 전자 등이 질량을 가지고 태어나서 현재 우주를 만들 수 있을 테니 신의 입자라 할 만하다. 그런데 한편 이 입자의 검출이 너무나 어렵다 보니 레더먼은 신의 입자는 ‘망할 놈의 입자(The God Damn Particle)’라는 익살도 부렸다.

힉스 입자가 제안된 지 50년 만에, 그리고 확인된 지 7개월 만에 힉스, 또 독립적으로 힉스 메커니즘의 이론적 토대를 연구한 벨기에의 앙글레르에게 2013년 노벨 물리학상이 돌아갔다. 기초과학이 어떤 성취를 이룰 수 있는지, 또 인간이 어디까지 도에 접근할 수 있는지 보여주는 최상의 사례라고 할 만하다. 흥미롭게도 힉스 입자는 빅뱅의 순간에 다른 입자에 질량을 부여하고는 자신은 우주에서 사라졌다고 한다. 힉스 입자를 통해 양성자·중성자·전자가 태어나고 138억년 후에 이들로 구성된 힉스와 입자가속기와 또 수많은 과학자의 땀을 통해 힉스 입자가 다시 만들어지고 확인됐다면, 원래의 힉스 입자는 사라졌지만 자신이 배출한 만물을 통해 스스로를 드러낸 셈이니 노자도 무릎을 칠 일이다. 만물이 되돌아가서 일생이(一生二)의 비밀을 풀어낸 셈이니 말이다.

김희준 광주과학기술원 석좌교수·화학