물리학의 미해결 문제를 탐구하는 방법

제임스 비컴은 물리학에서 가장 중요한 질문에 답하기 위하여 역사상 가장 큰 규모의 실험장비인 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자충돌기를 이용합니다. 과학의 시작을 이야기하는 이 유쾌하고 이해하기 쉬운 강연에서 비컴은 발견되지 않은 기본 입자와 중력의 신비를 알아내기 위한 여행에 우리들을 이끌어 줍니다.

물리학과 관련해서

제가 어릴 때부터 정말
궁금했던 것이 있습니다.

바로 그 문제에 대해서

과학자들이 거의 100년을 연구했지만

해답은 찾지 못했죠.

자연계에서 가장 작은 물질인

양자 세계의 입자가

자연계의 가장 커다란 물질과
어떻게 연결이 되는지

어떻게 행성, 별, 은하가 중력에 의해
서로 묶여있는지에 대한 것이죠.

어렸던 저는 이런 질문에
정말 생각이 많았습니다.

저는 현미경과 전자석을
만지작거리며 놀았고

작은 입자에 작용하는 힘이나
양자 역학에 관한 책도 읽었죠.

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그리고 관찰 결과가 이론과
너무나 잘 맞아떨어지는 것에

감탄하기도 했습니다.

저는 별을 관찰하기도 하고

중력에 대해 우리가 얼마나 잘
알고 있는지에 대한 책도 읽었죠.

두 시스템을 연결하는 무언가
고상한 방법이 분명히 있을 거라는

확신을 갖게 되었습니다.

그런데 아니었습니다.

그 책에 의하면

우리는 두 영역을 분리해서는
너무나 잘 이해하고 있었지만

그들을 수학적으로 연결하고자 하면

모든 게 부서지고 맙니다

지난 100년간

이런 기본적인 물리학적 대란의
해결 방법에 대한 개념을

뒷받침할 근거는 전혀 없었습니다.

그리고 조금 나이가 들고나서

호기심과 의심이 많은 제게는

이런 대답은 아주 불만족스러웠죠.

저는 여전히 회의적인 어린 아이입니다

2015년 12월인 지금으로 돌아와서

물리학 세계의 중심에 서 있는

완전히 달라진 저 자신을 발견합니다.

유럽입자물리연구소(CERN)에서 뭔가
흥미로운 것을 발견하면서부터였죠.

새로운 입자에 대한 징후.

그 문제에 대한 의외의 해답을
찾을 가능성을 발견하게 것입니다.

저는 여전히 의심이 많은 어린 아이지만

이제는 입자 사냥꾼이기도 합니다.

저는 CERN의 강입자충돌기를
다루는 물리학자입니다.

역대 가장 큰 규모의
과학 실험장비죠.

이 장비는 프랑스와 스위스
국경에 있는 27 km의 터널로서

지하 100 m 깊이에 있습니다.

그리고 이 터널 안에

바깥보다 낮은 온도로
초전도 자기장을 일으킵니다.

양자를 빛의 속도에 가깝게
가속시키기 위해서죠.

그리고 그 양자들을 초당
수백만 번 충돌시킵니다.

이 충돌의 파편들을 모아

발견되지 않은 새로운
기본 입자들을 찾아냅니다.

이 실험 시설을 설계하고
건설하기까지 수십 년이 걸렸고

전세계 수천 명의
물리학자들이 참여했습니다.

그리고 2015년 여름까지

우리는 강입자충돌기(LHC)의
가동을 위해 쉼없이 일해왔습니다.

지금까지의 충돌 실험 중에서 가장 높은
에너지 상태의 충돌을 위해서였죠.

충돌 에너지를 높이는
것은 매우 중요합니다.

에너지와 입자의 질량 사이에는

평형이 존재하기 때문이죠.

질량은 자연적으로 갖게
되는 숫자에 불과합니다.

새로운 입자를 발견하려면

우리는 더 큰 숫자에 도달해야 합니다.

이를 위해서 더 크고 높은
에너지 충돌기를 만들어야 하죠.

세계에서 가장 크고 가장
높은 에너지 충돌기가 바로

강입자충돌기(LHC)입니다.

이걸로 우리는 1000조 회의
양자 충돌시험을 실시했습니다.

그리고 수개월 동안 매우 천천히
자료들을 수집했습니다.

그리고 충돌로 인해
새로운 입자가 나타나면

예측대로 약간의 편차를 보이게 되죠.

곡선을 벗어나는 계측점들이
나타나는 것입니다.

예를 들어, 이 폭발에서는

2012년에 몇 달 동안
수집한 자료로부터

새로운 힉스 입자가 발견되었습니다.

힉스 보손이라고도 하죠.

그리고 그 존재를 확인함으로써
노벨상을 수상했습니다.

2015년에는 에너지를 더 올려

새로운 입자를 발견하는 인류가 될

가장 좋은 기회를 얻었습니다.

오래 지속되어 온 질문에 대한
새로운 대답을 얻을 것입니다.

힉스 보손을 발견할 떄 사용한 에너지의

거의 두 배에 달하기 때문이죠.

수많은 저의 동료들은 이 순간을
위해 헌신적으로 일해왔습니다.

그리고 솔직히, 호기심이 많은 저도

이 순간을 평생 기다려왔습니다.

그래서 2015년에 시작할 때가 되었고

2015년 6월에

LHC를 다시 가동시켰습니다.

제 동료들과 저는 숨을 멈추고
손톱을 물어 뜯고 있었죠.

그리고 마침내 첫번째
양자 충돌이 일어났습니다.

지금까지 가장 높은 에너지였죠.

박수치며 샴페인과 축하가 이어졌습니다.

이는 과학계의 획기적인 사건이었습니다.

그리고 이 새로운 자료에서 무엇을
찾을 수 있을지 알 수 없었죠.

그리고 몇 주 후, 폭발을 발견했습니다.

아주 큰 폭발은 아니었지만

충분히 놀랄만한 규모였죠.

놀라움의 정도를 1부터
10까지라고 한다면

그러니까 10이 새로운
입자의 발견을 의미한다면

이 놀라움은 4쯤 되겠군요.

(웃음)

저는 비공개 회의에 수없이
많은 시간을 투자했습니다.

저의 동료들과 이 작은
폭발에 대해 논쟁하며

실험 막대로 사정없이 찔러 보듯이

정밀조사 단계를 거쳤습니다.

그렇게 열정적으로 일한 몇 달 동안은

집 대신에 사무실에서 잠을 잤고

저녁을 초코바로 때우고

커피만 엄청 많이 마셨죠.

물리학자는 커피로
도표를 만드는 기계거든요.

(웃음)

이 작은 폭발은 그리 멀리 가지 않습니다

그래서 몇 달 후

우리는 매우 분명한 설명을 덧붙여
이 작은 폭팔을 세상에 공개했습니다.

이 작은 폭발은 흥미롭지만
확정적인 것은 아니라는 거였죠.

일단은 이것에 주목하고 더 많은
자료를 살펴봐야 한다는 거였습니다.

우리도 이 사실을 인정하려 애썼죠.

세계의 반응은 이러했습니다.

뉴스는 이를 매우 흥미롭게 여겼죠.

사람들은 이것이 이전의 작은
폭발을 상기시킨다고 말했습니다.

힉스 보손을 발견할 때에
나타났던 그 폭발 말이죠.

그리고 그보다 제 이론가 동료들은

정말 사랑스럽게도

이 작은 폭발에 관해 500편의
논문을 발표했습니다.

(웃음)

입자 물리학의 세계는
완전히 뒤바뀌었습니다.

그런데 수천 명의 물리학자들이 열광한

이 독특한 폭발은 무엇이었을까요?

이 작은 폭발은 독특합니다.

이 폭발은

우리가 예상하지 못한
커다란 충돌을 의미합니다.

그 파편은 오직 두 개의
광자로 구성됩니다.

즉, 두 개의 빛의 입자죠.

이건 매우 드뭅니다.

입자 충돌은 자동차 충돌과는 다릅니다.

다른 규칙을 따르죠.

두 입자가 거의 광속으로 충돌할 때는

양자의 세계가 지배하게 됩니다.

그리고 이 양자의 세계에서는

이 두 입자가 간단히
새로운 입자를 만들어내죠.

그 입자는 1초의 아주
짧은 순간만 존재합니다.

다른 입자로 쪼개져서 감지기에
도달하기 전까지만 존재하죠.

자동차 충돌을 상상해보세요.

두 대의 차가 충격의 여파로 사라지고
그 자리에 자전거가 나타나는 거죠.

(웃음)

그리고 자전거가 폭발해서
두 개의 스케이트보드가 되고

감지기에 도달하는 겁니다.

(웃음)

말하자면 그렇다는 거죠.

그들은 매우 비싸요.

오직 두 광자만 검출되는
경우는 매우 드뭅니다.

광자의 특별한 양자 특성 때문에

새로운 입자가 탄생할
가능성은 매우 적습니다.

신비의 자전가있어야

오직 두 광자가 탄생할 수 있죠.

그러나 선택지는 매우 다양하고

오랜 문제를 고려해야 합니다.

어린 시절에 저를 힘들게 했던

중력에 관한 문제죠.

중력을 굉장히 큰 힘으로 생각하시겠지만

사실은 자연계의 다른 힘과
비교하면 너무나 약한 힘입니다.

단순히 뛰는 것만으로
중력을 쉽게 이길 수 있죠.

하지만 제 손에서 양자를
떼어낼 수는 없습니다.

중력을 자연계의 다른 힘과 비교해볼까요?

10의 -39승 정도 수준입니다.

소수점 아래 0이 39개나 있죠.

설상가상으로

자연계의 다른 알려진 모든
힘은 완벽히 설명이 됩니다.

표준 모형이라는 것을
이용하면 가능하죠.

자연계의 아주 작은 힘까지
완벽하게 설명할 수 있습니다.

솔직히 말해서

인간의 가장 성공적인
업적 중 하나입니다.

그런데 표준 모형에는
중력이 빠져있습니다.

말도 안되죠.

여기서는 중력 대부분이
사라진 것으로 봅니다.

우리는 중력을 느끼지만

다른 것들은요?

아무도 모르죠.

그런데 어느 이론적 설명이
급진적인 해법을 제시합니다.

여러분과 저는

심지어 뒤에 계신 분도요.

우리는 모두 3차원 공간에 살고 있죠.

다들 여기에는 이견이 없기를 바랍니다.

(웃음)

알려진 모든 입자들 또한
3차원 공간에 존재합니다.

사실 입자는 다른 이름은

3차원 공간에서의 여기작용인데요.

공간에서의 국부적 진동을 말합니다.

더 중요한 점은, 우리가
사용하는 모든 수학에서는

3차원 공간만 존재한다고 가정합니다.

그러나 수학은 수학이고, 우리는
우리 마음대로 수학을 다루죠.

그래서 사람들은 또 다른 차원의
공간을 가지고 놀았습니다.

꽤 오랫동안 그래왔죠.

그러나 이건 추상적인 수학 개념입니다.

말하자면, 주위를 한 번 보세요.

확실히 3차원 공간이잖아요.

그러나 만약 그렇지 않다면요?

만약 사라진 중력이 추가적인 공간의
차원으로 새고 있는 거라면요?

여러분과 저의 눈에 띄지 않고 말이죠.

만약 이 추가적인 공간의
차원에서 보았을 때

중력이 다른 힘보다 강력하다면요?

우리는 중력의 아주 작은
일부만 느끼고 있어서

단지 약해 보이는 거라면 어떨까요?

만약 정말 그렇다면

입자의 표준 모형을
확장시켜야 할 겁니다.

추가적인 입자, 즉 초월 차원의
중력 입자를 포함시켜야 하죠.

추가적인 공간 차원에
존재하는 특별한 중력입니다.

여러분을 보고 있자니

이런 질문을 하려는 것 같네요.

"이런 정신나간 공상과학 이론을
어떻게 실험하겠다는거지?

우리는 3차원 공간에 갇혀있잖아!"

우리가 늘 하는 방법이 있죠.

두 개의 양자를 서로
부딪혀보는 겁니다.

(웃음)

입자를 충분히 세게 충돌시켜

존재할지 모르는 추가적 공간의
차원을 울리게 만드는 겁니다.

순간적으로 이 초월 차원의
중력을 만들어내는 거죠.

그리고 3차원의 LHC로 돌아와서

그리고 두 개의 광자를 뱉어냅니다.

두 개의 빛의 입자를 뱉어내죠.

그리고 이 가상의 초월 차원의 중력이

바로 유일한 가상의 새로운 입자입니다.

특별한 양자 특성을 가지며

두 광자의 작은 폭발을 일으켜 줄 입자죠.

그래서 중력의 비밀을 설명할 수 있고

또다른 차원의 공간을 발견할 가능성은

다들 눈치채셨겠지만

수천 명의 물리학자들이 열광한

이 작은 두 양자의 충돌에서 찾을 수 있습니다.

이것을 발견하기만 하면
교과서를 새로 써야 할 겁니다.

그런데 기억해두세요.

현재 이런 작업을 하고 있는 우리들
연구자들의 메세지는 매우 분명합니다.

우리는 더 많은 자료가 필요합니다.

더 많은 자료를 얻게 되면

작은 폭발이 아주 근사하고
따끈따끈한 노벨상으로 바뀌겠죠.

(웃음)

아니면 그 폭발 주변의 공간을
추가적인 자료가 채워주겠죠.

그러면 근사하고 부드러운
곡선으로 바뀔 겁니다.

그래서 우리는 더 많은
자료를 모았습니다.

그리고 수 개월 후,
자료가 5배로 늘었고

우리의 작은 폭발은

부드러운 곡선으로 바뀌었습니다.

뉴스는 "커다란 실망" 또는
"사라진 희망"으로 보도했죠.

그리고 입자 물리학자들은 우울했습니다.

이런 보도가 쇄도하면

다들 우리가 LHC 가동을 중단하고
집에 갔을 거라 생각하겠죠.

(웃음)

그러나 우리는 그러지 않았습니다.

왜 그랬을까요?

제가 만약 입자를 발견하지 못했다면--
실제로 못했죠.

입자를 발견하지 못했으면서도
왜 이 자리에 서 있는 걸까요?

왜 부끄러움에 고개를 떨구고

집에 가지 않았을까요?

입자 물리학자들은 탐험가들입니다.

우리가 하는 일의 대부분은
지도를 만드는 일입니다.

이렇게 말해보죠.
LHC는 잠시 접어두고요.

여러분이 우주 탐험가로서 가까운
행성에 도착했다고 상상해보세요.

외계인을 찾아다니면서요.

여러분의 첫 임무가 뭘까요?

즉시 행성을 주위를 돌다가
착륙해서 주변을 살펴보겠죠.

뭔가 생명체에 대한 중요하고
분명한 증거를 찾을 겁니다.

그리고 본부에도 보고해야겠죠.

우리는 바로 그 단계에 있습니다.

우리는 LHC를 조사합니다.

무언가 새롭고 중요하고
분명한 입자를 찾기 위해서죠.

그리고 아무것도 없음을
보고할 수 있습니다.

우리는 아주 먼 산에서
이상한 폭발을 보았습니다.

그러나 가까이 다가갔을 때
그것이 돌이라는 걸 알았죠.

그러면 다음에 할 일은 뭐죠?
포기하고 날아가 버릴까요?

당연히 아닙니다.

만약 그랬다면 우리는
형편없는 과학자들이겠죠.

아닙니다. 우리는 그 뒤 20년간
연구에 착수했습니다

그 지역의 지도를 그리고

아주 훌륭한 도구로 모래를 걸러내고

돌 하나하나를 들어보고

표면을 뚫어보기도 했습니다.

즉시 새로운 입자들이

크고 분명한 폭발로 바로 나타나거나

아니면 수년간 자료를 수집한
뒤에야 드러날지도 모릅니다.

인류는 크고 높은 에너지의 LHC로
이제 막 탐구를 시작했습니다.

그리고 아직도 찾을 것이 많아요.

그런데 10년이나 20년 후에도
새 입자를 찾지 못하면 어떡하죠?

우리는 더 큰 기계를 만들 겁니다.

(웃음)

우리는 더 높은 에너지를 찾을 거고요.

보다 더 높은 에너지를 찾을 겁니다.

100km 길이의 터널이
이미 계획되어 있습니다.

LHC의 10배 에너지로
입자를 충돌시킬 수 있습니다.

자연이 어디에 새 입자를
두었는지 우리는 모릅니다.

우리는 그저 탐사를 계속할 뿐이죠.

그러나 만약 100 km 터널 이후에도

혹은 500km의 터널 이후에도

혹은 10,000km 충돌기를

지구와 달 사이의 우주에 띄운 뒤에도

새 입자를 찾지 못하면 어떡할까요?

그러면 아마도 입자 물리학을
잘못 이해하고 있는 거겠죠.

(웃음)

어쩌면 우리는 생각을
바꿔야 할 겁니다.

더 많은 비용, 기술,
전문지식이 필요할 겁니다.

지금보다 더 많이요.

우리는 이미 인공지능과
머신러닝 기술을 사용합니다.

LHC에 일부 적용되었죠.

그러나 입자 물리학 실험 계획을
설계한다고 상상해보세요.

이런 정교한 알고리즘을 사용해서

초과 차원의 중력을 발견하도록
스스로 학습할 수 있습니다.

그런데 만약에요.

최종적인 질문입니다.

만약 인공지능으로도 우리 질문에
대한 답을 찾지 못한다면요?

만약 수백년 동안 논의된 질문이

장래에도 여전히 해결되지
않을 운명이라면 어떡하죠?

어릴 때부터 저를 괴롭혔던 문제들이

제가 사는 동안 해결되지 않을
운명이라면 어떡할까요?

그렇다면

훨씬 더 매력적입니다.

우리는 완전히 새로운
방식으로 생각해야 합니다.

처음 가정했던 이론으로 다시 돌아가서

어딘가 결함이 있는지
확인해봐야 할 겁니다.

과학 연구에 더 많은 사람들이
동참하도록 격려해야 할 거예요.

세기에 걸친 이런 문제에는
참신한 눈이 필요하거든요.

저는 답을 가지고 있지 않아요.
여전히 그것을 찾을 뿐이죠.

그러나 누군가, 어쩌면 지금
학교에 있을지도 모르고

어쩌면 아직 태어나지도
않았을 그 누군가가

물리학은 보는 완전히 새로운 길로
우리를 안내할지도 모릅니다.

그리고 우리 질문이 틀렸다고
지적할지도 모르죠.

그렇게 되면 물리학의 끝이 아닌

새로운 시작이 될 겁니다.

감사합니다.

(박수)