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신은 신의 입자를 어떻게 생각할까?


노벨 물리학상 수상자는 일반적으로 대부분의 사람들에게 정신적인 흐릿함을 유발한다. 왜냐하면 아무도 고급 수학에 대한 훈련 없이는 물리학의 현재 상태를 이해할 수 없기 때문이다. 올해는 별명 덕분에 다소 달랐다.


세계가 10월 3일에 알게 된 것처럼, 영국의 물리학자 피터 힉스와 벨기에의 물리학자 프랑수아 엥글레트가 노벨상을 공유했고, 학계는 기대감에 들떴다. 이 상은 소위 입자물리학의 표준모형에 빠진 입자를 포함하는 이론에 주어졌다. 힉스 입자는 1993년 페르미 연구소의 디렉터를 역임한 또 다른 노벨상 수상자인 레온 레더만이 쓴 책에서 "신의 입자"로 더 널리 알려지게 되었다.


지난해 스위스 CERN에서 힉스 입자를 발견한 것은 표준 모형 이론의 승리였다. 힉스와 엥글러트는 로버트 브루트, 제럴드 구랄니크, C. R. 헤이건, 톰 키블과 함께 우주의 진공 전체를 채우는 자기장이 존재한다는 가설을 세웠다. 만약 그것이 신의 입자로 불리지 않았다면, 물리학자들은 당황스럽고 귀에 쏙 들어오는 이름을 붙이지 않았을 것이다. 처음에는 농담이었만, 그 영속적인 이름은 어떤 면에서 과학이 궁극적인 목적지에 도달했음을 암시한다. 창조는 신이 없더라도 최후의 비밀을 포기했다. 하지만 실제로는 입자 물리학은 계속 앞으로 나아가고 있고, 힉스 입자를 발견한 기념식이 끝난 후에는 새로운 영역이 열릴 것이다. 한편, 신의 입자에 대해 질문을 받는 모든 물리학자는 힉스 본인을 포함하여 해당 명칭과 거리를 두기 위해 고심한다.

그러나 이제 논의에서 신이 발동되었으니 양자물리학의 난관을 넘어 중요한 방식으로 그/그녀를 이해하는 데 우리가 더 가까워지고 있는지 물어볼 가치가 있다.


확실히 우주의 가장 훌륭한 구조에 대한 우리의 이해에 한 걸음을 내디뎠다. 기술 언어에서, 유비쿼터스 힉스 장은 우주의 모든 입자들이 당밀을 통해 움직이는 물질 덩어리와 유사한 드래그 효과(기본 입자는 당밀과 힉스 장이 당밀과 동등함)를 통해 우주와 상호작용을 통해 질량을 얻을 수 있도록 한다. CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서의 고에너지 양성자 충돌은 이해하기 어려운 힉스 입자를 드러냈다. 힉스는 보손이기도 한 광자와는 달리 질량이 있으며, 양성자 질량의 약 125배(또는 그 이상)일 것으로 예상된다. 보손은 양자 이론에서 힘을 전달하는 입자이다 - 예를 들어, 광자는 전자기력의 운반체이다. 그것들은 무제한으로 함께 포장될 수 있다. 힉스 입자는 매우 불안정하여 생성 후 양자장 이론에 의해 규정된 다른 입자로 즉시 붕괴한다.

또한 분명한 것은 입자물리학자들이 이 잃어버린 연결고리에 대한 증거를 제공하기 위해 거의 모든 수단을 동원할 용의가 있었다는 것이다. 거대한 LHC CERN 가속기에서 수십억 개의 충돌 양성자가 필요했고, 전 세계의 수많은 컴퓨터들이 이 데이터를 열심히 분석하기 위해 백업되었다. 신 입자의 발견이 실제처럼 보이기까지. 현재 대부분의 물리학자들은 비록 조심스럽지만, 힉스입자의 어떤 형태가 실제로 지난 여름에 관측되었다고 믿는다. 그리고 노벨상의 신속한 수상은 일반적으로 받아들여지고 있는 믿음의 증거입니다. 힉스 입자는 처음 존재가 제안됐던 1964년부터 이런 입자가 실제로 존재하는지 확인하기 위해 지난 3월까지 걸릴 정도로 신비롭고 덧없다는 사실이 이 성과에 대한 어려움을 부각시켰다.


별명에 짜증이 난다고 해서 과학이 어떻게든 현실의 근본적인 본질을 이해하는 데 매우, 매우 가까워지고 있다는 널리 퍼진 믿음을 불식시키지는 못한다. 일부는 앞길을 낙관적으로 바라본다. 힉스장이 일반 상대성 이론과 양자 이론을 통합하는 데 도움이 될 수 있다는 희망이 있다. 현재 우주론자들은 암흑에너지가 우주에 스며들어 일반상대론에 따라 진화한다고 믿고 있으며, 우주의 가속 팽창에 책임이 있다. 표준 힉스 입자는 암흑 에너지에 대해 거의 말하지 않지만, 더 이국적인 버전은 암흑 에너지에 대한 이론적 이해를 제공할 수 있다. 과학자들은 힉스가 높은 에너지 충돌에서 생성된 후 어떻게 다른 입자로 붕괴하는지에 대한 LHC 결과를 살펴봐야 할 것이다. 우주의 "어두운" 측면은 새로운 개척지이자 걸림돌이다. 우주론자들은 우주의 모든 발광 물질이 존재하는 것의 4%만을 구성한다는 것에 동의하는 것 같다. 수천억 개의 별들로 구성된 모든 수천억 개의 은하는 모든 것의 4%만을 구성한다. 나머지는 암흑 물질과 더 이국적인(그러나 알려지지 않은) 암흑 에너지의 형태일 수 있다. 따라서 CERN에서 발견된 "힉스 같은" 입자가 더 이국적인 형태로 밝혀지면 암흑 에너지를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.


LHC 프로젝트의 책임자인 롤프-디터 호이어는 2011년 강연에서 "힉스는 물질도 힘도 아니다. 힉스는 다를 뿐이다." 우리는 여기서 힉스가 종류가 아니라 소위 스칼라 입자의 전체 부류에 대한 오프닝 쐐기라고 가정할 이유가 있다는 것을 제외하고는 차이에 대해 설명하지 않을 것이다. 지금까지 관찰된 결과에 대한 한 낙관적인 견해는 이 발견이 입자 물리학의 새로운 발전을 이끌 것이라고 주장한다. 이것들은 양자 영역의 더 미세한 수준을 열어서 물리학을 그것의 성배인 만물론, 거대하고 입자 기반의 우주관에 더 가깝게 만들 것이다.


더 비관적인 개요는 LHC 결과가 초대칭 이론이라고 불리는 다음 이론적 발전에 힉스를 넘어 물리학에 대한 우리의 이해를 계속하는 데 필요한 다른 입자의 존재에 대한 증거를 제공하지 않았다고 말한다. 이와 같이, 궁극적으로 만물론을 개발하려는 시도에는 큰 장애가 있다. 물리학 이론과 관련된 주장을 제쳐두더라도, 그러한 이론은, 상상했던 것처럼, 아무 말도 하지 않고, 사실 생명, 진화, 그리고 마음과 인식의 현상에 대해 아무 말도 할 수 없다. 일반 상대성이론에 의해 묘사된 자연의 네 가지 힘 중 마지막 힘인 중력이 표준 모델에 어떻게 들어맞을지는 명확하지 않다.


과학과 기술, 그리고 인간과 경험의 두 세계관이 충돌하거나 수렴하는 것은 피할 수 없다. 즉, 우주는 우리를 탄생시킨 창조를 조사하기 위해 인간이 어떻게 진화했는지에 대한 여지를 만들어야 한다. 입자 물리학이 압도적으로 시도하듯이 인간 차원을 배제하는 모든 것의 이론은 목표에 도달할 수 없다. 우리 모두가 매일 경험하는 세계에서 볼 때 힉스 입자는 단순히 난해한 것이 아니다. 수렴보다는 세계관의 충돌로 이어진다. 우리는 다음 게시물에서 이것이 무엇을 의미하는지 토론할 것이다.


Part 2

"신의 입자"는 우리와 함께 잘 있고 진실하게 있는 것 같다. 10월 3일 힉스입자에 초점을 맞춘 노벨 물리학상의 수상은 수십억 달러의 비용이 든 수십 년 동안의 연구를 마무리했다. 첫 번째 게시물에서 우리는 왜 이해하기 어렵고 일시적인 힉스 입자의 발견이 양날인지에 대해 논의했다. 그것은 인간의 호기심과 우주를 이해하려는 우리의 추진력에 대한 승리를 나타낸다. 그러나 동시에 큰 걸림돌은 극복되지 못하고 있다. 사실, 힉스 입자는 창조물(신이 존재하든 존재하지 않든)이 점점 더 신비로워지고 있음을 나타낼 수 있다.


스위스 CERN의 매머드 충돌기는 힉스 입자를 보이지 않는 양자장 밖으로 날려보냈는데, 힉스 입자를 가장 희미한 측정 수준에서 관측한 다음 귀중한 밀리초 동안만 관측할 수 있었다. 그러나 이것은 지금까지 진짜라고 알려진 아원자 영역의 가장 훌륭한 수준을 드러내기에 충분했다. 이렇게 창조의 근원에 가까이 다가가면서 생기는 문제는 공간, 시간, 중력, 물질, 에너지가 마치 양자 혁명이 이미 그 부서에서 충분히 하지 못한 것처럼 점점 더 모호해졌다는 것이다. 소위 "어두운" 물질과 에너지가 우주의 96%를 차지할 확률과 함께 - 또 다른 확률과 함께, "어두운" 물질이 가시적인 물질과 에너지와 같은 법칙을 따르지 않을 확률로 - 창조의 그림은 급진적인 수정을 겪고 있다.


스티븐 호킹은 그의 마지막 책인 "The Grand Design"에서, 기본적으로 모든 것에 대한 이론을 포기하고 각각 하나의 위대한 디자인으로 합성되지 않은 채 창조된 뚜렷한 영역과 관련된 단편적인 패치워크나 이론의 모자이크에 정착하고 있는 사람들의 편을 들어 모호성을 더했다. 신이 존재한다면 신은 웃고 있을 것이다. 힉스 보손에 대한 하이파이브와 호들갑의 이면에는 우리가 현실의 본질을 이해하는 데 거의 근접했다는 의구심이 커지고 있습니다. 이러한 의심은 두 가지 주요 출처에서 비롯된다.


첫째, 과학이 현실을 처음부터 포괄적으로 묘사하지 않는다는 데 광범위한 동의가 있다. 1세기 이상 전에 양자 이론의 선구자들은 세계가 단단하고, 견고하며, 유형적인 것으로 구성되어 있다는 상식적인 개념을 해체했다. 이러한 선구자들 중 가장 위대한 사람 중 한 명인 베르너 하이젠베르크는 "원자나 소립자 자체는 실재가 아니다; 그것들은 사물이나 사실들 중 하나라기보다는 가능성이나 가능성의 세계를 형성한다."라고 언급했다. 아무도 이 주장을 반박하지 않았고, 양자 물체는 특정 장소에 나타날 확률(입자가 실제로 측정 가능한 위치에 안착한 후에만)에 의해서만 위치할 수 있다는 불확실성 원리를 혼합물에 추가하면 견고하고 유형적인 세계가 근본적으로 훼손된다.


그 결과는 과학에서 풀리지 않는 가장 큰 미스터리 중 하나이다. 그림자처럼 보이지 않는 양자 영역은 어떻게 우리가 오감을 통해 인지하는 친숙하고 안심할 수 있는 세계로 전환되는가? 거의 상상할 수 없는 일이 일어나고 있고, 이 미스터리와 병행하기 위해, 두 번째 미스터리가 있다. 어떻게 원자와 분자가 사고하는 두뇌에 생겨났을까? 여러분의 뇌를 먹이는 포도당은 설탕 입방체의 수크로스와 크게 다르지 않다. 하지만 설탕 입방체는 이 문장을 읽을 수 없지만, 여러분의 뇌는 읽을 수 있다. 이 두 가지 미스터리를 푸는 출발점은 영국의 저명한 신경학자 존 에클스 경에 의해 깔끔하게 요약되었다: "나는 여러분이 자연계에 색깔도 소리도 존재하지 않는다는 것을 깨달았으면 한다 – 이런 종류의 것은 없습니다; 질감, 패턴, 아름다움, 향기도 없다."

아주 최근까지 우리가 기술한 두 가지 미스터리(아인슈타인의 우주 상수에 대한 논쟁과 같은 더 기술적인 것은 제외)는 본질적으로 일하는 물리학자들에 의해 무시되었다. 차를 몰고 양자 영역을 마치 별도의 현실인 것처럼 탐구하지만 그렇지 않다.


물리학이 창조를 이해하는 것과는 거리가 먼 두 번째 이유는 이제 수십 년이 지난 20세기 물리학에서 가장 위대한 업적인 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자 역학을 망치는 데 실패한 것으로 거슬러 올라갈 수 있다. 그러한 놀라운 지적 발견 두 가지가 서로 일치하지 않는다는 것은 매우 당혹스러운 일이다. 우리는 의견 불일치의 기술적 이유에 대해서는 언급하지 않을 것이다. 그것들을 맞물리게 하려고 노력한 것이 이론가들을 창조의 바로 직전, 시공간의 경계로 이끌었다고 말하기에 충분하다. 힉스입자를 기념하는 한 가지 이유는 힉스입자가 미리 만들어진 상태로 가는 작지만 중요한 단계를 나타낸다는 것이다.


그래서 우리가 큰 질문에 대한 큰 대답에 가깝다는 대중의 정서는 그들 자신의 이론에 대해 더 많이 알고 있는 많은 이론 물리학자들에 의해 거의 공유되지 않는다. 확실히 앞으로 나아가는 유일한 방법은 자연의 더 미세한 직물을 탐사하기 위해 더 강력한 입자 가속기를 만드는 것이라고 믿는 진영이 있는 반면, 다른 진영은 미리 만들어진 상태를 위한 가능한 수학적 모드를 제공하는 끈 이론을 통해 표준 모델과 초대칭 이론을 넘어 앞으로 나아가는 길을 보고 있다(수학이 t가 된다.시공간보다 앞선 양자진공을 상상하는 것은 정신적으로 불가능하기 때문에 그는 왼쪽만 안내한다).


우리 자신을 위해 말하자면, 우리는 작지만 멀리 내다보는 집단의 편에 서서, 의식에 대한 답을 찾고 있다: 현실은, 인간에 관한 한, 우리가 경험하는 것으로 구성되어 있다. 물리학자들의 가장 난해한 활동 - 그리고 힉스 입자는 극도로 난해한 - 경험이다; 수학도 그렇다 - 만약 수학의 법칙이 우리의 경험 밖에 존재한다면, 우리는 결코 그것을 알지 못하거나 그것을 증명할 수 없을 것이다. 수십 년 동안 의식은 "진짜" 과학자들에 의해 단순히 주어진 것으로 치부되어 왔다. 하지만 양자물리학의 창시자인 막스 플랑크는 여러분이 알 수 있는 한 진정한 과학자였다. 그는 이렇게 말했다. "나는 의식을 근본적인 것으로 간주한다. 우리는 의식에서 벗어날 수 없다. "


정신은 피할 수 없다는 믿음, 소위 "객관적인" 과학이 언젠가는 주관성과 씨름해야 한다는 믿음은 수많은 양자 개척자들에 의해 공유되었지만 물리학의 추력이 물리적 상태로 남아 있는 동안 선반 위에 놓였다. 대부분의 물리학자들은 계속 일을 하고 마치 마음이 방정식의 일부가 되어서는 안 되는 것처럼 생각한다. 그러한 믿음이 지속되는 한, 자기 모순에도 불구하고(마음이 정말로 마음을 무시할 수 있을까?), 값비싼 기계가 진공 상태에서 폭발할 수 있는 더 많은 소립자가 있을 것이다. 동시에 신은 창조의 가장 큰 신비가 밝혀지지 않은 것을 편안하게 쉴 것이다. 언젠가, 아마도 가까운 미래에, 과학은 마침내 마음이 연구하는 그림에서 마음을 빼놓을 수 없다는 것을 받아들일 것이고, 곧 상이 뒤따를 것이다.

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