20. 물질의 근원을 찾아라

20. 물질의 근원을 찾아라.

한 때 세상은 과학이 하나님의 비밀을 드러내고 모든 진실을 말갛게 밝힘으로써 하나님이 존재하지 않는다는 것을 증명할 것이라고 믿은 적이 있다. 과학이 모든 것을 밝혀 줄 것이라는 믿음으로 과학신봉자들은 물질세계를 파헤치고 생명체를 헤집었지만, 그러나 과학이 더 발달하고 발견이 많아질수록 과학이 모든 것을 밝혀낼 것이라는 믿음은 더욱 한계에 부딪히는 것 같다.

물질은 무엇으로 이루어져 있는가?
분자구조를 밝혀내고 원자구조를 알아낸 인간들은 물질의 근본을 곧 알아낼 수 있을 것이라 기대하였지만 그 탐구는 점점 미궁으로 빠져들고 있는 것이 오늘의 현실이다.

수소(H) 원자는 양자(양성자라고도 한다) 한 개, 중성자 한 개로 이루어진 원자핵을 전자 한 개가 돌고 있는 구조를 가지고 있다.
양자와 중성자는 렙톤이라고 불리는 중간미자들로 결합되어 있다.
헬륨(He)은 양자 두 개, 중성자 두 개로 이루어진 원자핵을 전자 두 개가 돌고 있는 것이다.
산소(O)는 여덟 개의 양자, 여덟 개의 중성자로 이루어진 원자핵을 여덟 개의 전자가 돌고 있는 것이다.
철(Fe)은 26 개의 양자, 26개의 중성자, 26개의 전자로 구성되어 있다.  
모든 물질은 결국 원자를 이루고 있는 양자, 중성자의 수, 전자의 수로 무엇이냐가 결정되고 그 원자들이 결합하여 분자들로 만물을 이루는 것이다.
자연계에는 110 종류 정도의 물질들이 존재하고 있다.

양자의 숫자를 원자번호라고 한다.
수소(H)는 원자번호 1이다.
헬륨(He)은 원자번호 2다.
탄소(C)는 원자번호 6이고 산소(O)는 원자번호 8이다.
철(Fe)은 원자번호 26이고 금(Au)은 원자번호 79이다.
우라늄(U)은 원자번호 92이고 납(Pb)은 원자번호 82다.
우라늄은 무려 92개 씩이나 되는 양자와 중성자들이 뭉쳐진 원자핵의 주위를 92개의 전자들이 돌고 있는 무거운 원소이다.

우라늄이 핵분열을 일으키고 나면 플로토늄으로 바뀌고 플로토늄이 핵분열을 일으키거나 방사능활동을 끝내면 결국 납(Pb)로 변한다.
이 핵분열을 발견한 인간들은 핵폭탄을 만들었고 원자력발전소를 건설했으며 더욱 강력한 수소폭탄을 만들어내고 수소핵융합반응으로 획기적인 에너지원을 만들기 위하여 연구를 계속하고 있다.

원자번호에 따라 물질이 정해진다.
다시 말한다면 모든 물질은 원자번호만 다른, 결국 똑같은 재료로 이루어져 있다는 이야기가 된다.

옳거니! 그렇다면 원자핵을 이루고 있는 양자와 중성자는 무엇으로 이루어져 있는가?
과학자들은 물질의 근본재료가 무엇인지를 알아내기 위하여 온갖 이론과 학설을 만들어내며 실험을 하고 계산을 하며 안간힘을 쓰기 시작하였다.
전자가 무엇으로 이루어져 있는가는 일단 제쳐두고서.......

양자와 중성자를 이루고 있는 재료.......
그것을 과학자들은 쿼크로 이름 붙였다.
양자와 중성자는 여섯 종류의의 쿼크로 이루어져 있다는 것이다.
그리고 그것들을 결합하는 것이 무엇인가 하는 문제를 해결하기 위하여 약력, 강력, 혹은 초끈이론 같은 온갖 이론들이 등장한다.
눈에 보이지도 않는, 나노미터 크기에서 또 나노미터로 다시 들어가는 미시의 세계를 과학자들은 그렇게 집요하게 파헤쳐온 것이다. 그렇게 하면 마침내 하나님이 손들기라도 할 듯이.......

그리고 과학자들은 마침내 입자가속기를 만들어내었고 양자, 중성자 입자들을 고속으로 충돌시켜 깨뜨리는 실험을 시작하게 된다.
그리하여 탄생한 거대 강(强)입자 가속기(Large Hadron Collider, LHC)....... 유럽입자물리연구소(CERN)가 물경 80억 달러를 투입하여 스위스 제네바 인근 프랑스 접경지역에 원둘레 27 킬로미터에 달하는 사상초유의 거대한 입자가속기를 2009년에 설치하였다.  

입자가속기는 바로 물질의 가장 근본재료가 무엇인가 하는 과학자들의 탐구를 위한 것이다.
양성자를 엄청나게 빠른 속도, 초속 30만 킬로미터(지구 일곱 바퀴 반)의 빛의 속도로 충돌시켜서 박살나 쪼개질 때 거기서 무엇이 튀어나오는가를 관찰하자는 것이다.
즉 우주탄생 때의 빅뱅(Big Bang) 상태를 인위적으로 만들어서 우주탄생의 비밀을 엿보자는 것이다.
그리고 이 때 블랙홀이 만들어져서 주변의 모든 것을 삼켜버리고 지구마저 삼켜버릴지도 모른다는 괴담이 인터넷으로 떠돌기도 하였다.

그런데 양자를 광속으로 가속하는 것이 쉽지 않다. 그것은 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 광속에 가까울수록 질량이 무한대로 늘어나기 때문이다. 입자가속기는 전기자기력을 이용하여 양자 두 개를 반대방향으로 추진시켜 광속에 가까운 속도로 서로 충돌하도록 만들어진 것이다. 이를 위하여 엄청난 전기자기력이 동원된다.

보이지도 않는 작은 입자를 가속하기 위하여 가속기의 원통을 둘레 27 킬로미터라는 어마어마한 크기로 만들고 순간적으로 양극과 음극을 만들어 생기는 반발력과 흡인력으로 입자를 가속하는 것이다. 마치 좁쌀 한 개를 가속시키려고 제트비행기만큼의 추진력을 동원하여 활주로 위로 밀어붙이는 셈이다. 그런데 입자는 속도가 빨라져 광속에 가까울수록 엄청나게 질량이 늘어나서 쇠공같이 무거워지게 된다. 그래서 27킬로미터 길이의 엄청난 장치와 동력이 필요한 것이다.

지금 유럽입자물리연구소(CERN)가 80억 달러를 투입하여 스위스 제네바 인근 프랑스 접경지역에 설치한 둘레 27 킬로미터의 강입자가속기(LHC)는 양성자 입자의 속도를 광속의 99.999991%까지 가속할 수 있다고 한다. 둘레 27 킬로미터의 입자가속기 안에서 양성자를 가속시켜 충돌시키는 데 걸리는 시간은 1000분의 1초에 불과하다고 한다.

그런데 이 엄청난 속도로 입자를 충돌시키면 무슨 일이 일어날까? 그 작은 입자에 그 엄청난 에너지를 실어서 광속의 속도로 충돌시키면 엄청난 에너지와 양자가 깨어지면서 미지의 소립자들이 순간적으로 쏟아져 나올 것이고 그 순간이 태초의 빅뱅 때와 비슷한 조건이 될 것인데 이를 관찰함으로써 물질의 근원을 알아내는데 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것이라고 과학자들은 기대하는 것이다.
특히 물질의 질량의 근원이 되는 것으로 믿어지는 힉스(Higgs) 입자를 발견할 수 있을까 하는 것이 과학자들의 최대관심사이다.

힉스(Higgs) 입자는 무엇인가? 힉스 입자는 빅뱅 당시에 물질이 처음 탄생할 때 쿼크 같은 입자에게 질량을 부여하고는 사라져버린 입자라는 것이다.
무슨 이야기인가?
이쯤 되면 물리과학은 추리공상소설과 음양오행설이 등장하는 이상한 스토리로 전개되기 시작한다.

스티븐 호킹이 주장한 것처럼 태초에는 아무 것도 없었다는 것이다. 즉 무(無)의 상태였다는 것이다. 거기에서 플러스(+) 방향으로 물질(物質)이, 마이너스(-) 방향으로 반물질(反物質)이 생겨났다는 것이다. 제로상태에서 양편으로 갈라져 나뉘는 바람에 유(有)가 생겨나고 반(反)이 생겨났다는 일종의 음양설인 셈이다. 그리고는 물질만 남겨놓은 채 반물질은 사라져 버렸다는 것이다.  

2011년 6월초, 물리학자들은 입자가속기에서 입자를 충돌시켜 우주가 탄생할 때 물질과 함께 만들어졌다가 사라진 반물질을 만들어내었고 이것을 16분 동안 사라지지 않도록 붙잡아두는 데 성공하였다는 보도가 나왔다.

점입가경이다.
인간이 물질세계의 비밀을 어디까지 풀어내고 어디까지 들어갈 수 있을지 흥미진진한 구경거리가 아닐 수 없다.
그러나 아무리 깊이 파헤치고 들어간다 해도 끝이 없을 것이다.
설사 빅뱅이 그런 식으로 일어나고 물질이 그런 식으로 생겨났다 하여도 물질은 무엇이고 반물질은 무엇이냐는 질문에 대한 궁극적인 대답은 여전히 오리무중일 것이기 때문이다.
또한 무슨 힘이, 누가 그런 엄청난 역사를 일으켰는지에 대한 근본적인 대답은 여전히 오리무중일 것이며 물질을 아무리 쪼개고 쪼개어도 비밀은 끝없이 계속될 것이기 때문이다.

바라기는 이제 인간의 한계를 겸손하게 돌아볼 줄 아는 지혜를 얻었으면 좋겠다. 이 입자가속기 실험에서 과학자들이 만물이 영원하신 창조주 하나님의 능력과 그 말씀으로 이루어졌음을 발견하고 인정할 수 있었으면 더욱 좋겠다.