중성미자 진동(neutrino oscillation)이
노벨물리학상을 받은 까닭(1)
중성미자들은 빛의 속도로 이동하는 아주 작은 입자들이며, 전하가 중성이어서 원자들과 상호 작용하지 않아 지구 내부를 아무 저항도 받지 않고 통과하는 특성이 있다고 합니다. 지금까지 알려진 중성미자들은 ‘전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자’입니다. 그런데 이 3종류의 중성미자들이 이동하는 과정에 상호 전환하는 현상이 실험들을 통해 입증되었습니다. 즉, 전자 중성미자는 뮤온 중성미자로, 뮤온 중성미자는 타우 중성미자로, 타우 중성미자는 전자 중성미자로 상호 전환되는 주기성이 있다는 것입니다.
이 현상이 중성미자 진동(neutrino oscillation)입니다.
중성미자 진동은 중성미자들이 질량을 갖고 있다는 사실을 뜻합니다. 매우 적은 양이지만, 지금까지는 질량이 없다는 이론이 현대물리학을 지배하고 있었으므로, 질량을 갖고 있다는 사실이 인정된 것은 중대한 사건입니다. 이것은 중성미자들이 에너지와 질량을 함께 갖고 있다는 뜻입니다. 그렇다 아주 작은 입자들인 중성미자들은 매우 적은 에너지와 질량을 갖고 이동하며 그 과정에 어떻게 서로 돌아가며 전환될 수 있을까요?
기존의 과학철학으로는 설명할 수 없는 현상입니다. 이제 이 새로운 사실의 발견은 기존의 과학철학을 수정한 새로운 과학철학에 기초한 새로운 물리학이 시작되었음을 알리는 신호입니다.
그래서 이 현상을 발견한 과학자들에게 2015년 노벨물리학상이 수여되었습니다.
“물리학의 문제이므로 나와는 상관이 없다.” 이렇게 생각한다면, 어떤 분야에서건 한발 늦습니다. 새로운 물리학의 시작은 새로운 과학철학의 시작이고, 새로운 과학철학은 새로운 패러다임의 시작이므로, 학문의 모든 분야는 새로운 패러다임의 영향을 받게 되기 때문입니다. 그래서 새로운 물리학은 물리학자들만의 영역이 아니고 미래를 향한 모두의 관심 대상이 될 수 있습니다.
새로운 물리학은 어떤 것일까?
이론물리학자들도 새로운 물리학이 어떤 것인지 알지 못하고 있는 캄캄한 상황입니다. 그러나 분명한 것은 “새로운 물리학은 현대물리학이 밝혀낸 사실들에 기초해야 하고, 현대물리학이 해결하지 못하고 있는 기존의 문제들을 해결할 수 있어야 하고, 미래를 위한 새로운 분야를 개척할 수 있는 방법을 제시할 수 있어야 한다.”는 것입니다.
그러므로 새로운 물리학은 현대물리학의 바탕을 견고하게 다지고 리모델링하는 것입니다.
이렇게 경험을 통해 기존의 과학철학을 조금씩 수정하며 발전하는 것이 과학이지만, 이번에는 물리학을 지탱하는 기존의 과학철학을 바꾸지 않을 수 없는 사실들이 밝혀졌으므로 새로운 물리학의 탄생이라고 주장하는 것입니다.
기존의 과학철학은 무엇이 문제일까?
기존의 과학철학은 “에너지와 질량은 분리되어 있다.”라고 주장합니다. 즉, 에너지와 질량은 서로 다른 존재들이므로 독립적으로 따로 존재할 수 있다는 것입니다. 그래서 에너지 입자인 양자는 질량이 없는 존재로 취급되고 있습니다.
그러나 에너지와 질량의 분리는 자연에 대한 정보가 부족했던 과거에 이루어진 것입니다. 분리되어 있다는 것을 입증할 증거가 없지만, 자연 현상들을 수학적으로 설명하기 위해서는 분리하지 않을 수 없었기 때문입니다. 이것은 현대물리학이 지금도 에너지와 질량의 분리를 고수하고 있는 이유입니다.
그러나 분명한 것은 기존의 과학철학에서는, 현대물리학이 자연에 관한 많은 정보들을 그 동안 밝혀냈지만, 자연에 대한 새로운 사실이 밝혀질 때마다 해결해야 할 새로운 문제가 되고 있어, 해결해야 할 기본 문제들이 증가하고 있다는 것입니다.
이렇게 되고 있는 근본 원인은 기존의 과학철학이 “에너지와 질량은 분리되어 있다.”라고 주장하기 때문입니다. 이렇게 단언할 수 있는 근거가 있습니다.
새로운 과학철학은 ‘에너지와 질량의 공존’에 기초한다.
“에너지는 양자화되어 있다.”
“에너지와 질량은 상호 전환된다.”
“힉스 입자가 발생하는 현상의 발견”
“중성미자들이 진동하는 현상의 발견”
이것들은 현대물리학이 밝혀낸 부정할 수 없는 진리입니다. 이것들은 상호 연관되어 있는 자연 현상들이므로, 이것들을 종합하면, 에너지 입자인 양자는 질량도 갖고 있다고 정의하지 않을 수 없습니다. 즉, “에너지와 질량은 공존한다.”라는 새로운 과학철학을 자연의 본질로 수용하지 않을 수 없게 됩니다.
이 새로운 과학철학을 활용하면, 현대물리학이 해결하지 못하고 있는 다음과 같은 기본 문제들이 한꺼번에 해결됩니다. 이것은 기존의 과학철학에 잘못이 있다는 뜻입니다.
과학은 기존의 과학철학을 수정하는 새로운 과학철학에 기초하여 발전합니다. 그러므로 새로운 물리학은 새로운 과학철학을 수용하는 것이 필수입니다.
1) 3종류 중성미자들은 어떻게 진동할 수 있을까?
2) 힉스 입자는 어떤 존재일까?
3) 중력은 우주 공간에서 어떻게 전달될까?
4) 빛은 어떻게 입자와 파동의 이중성을 가질까?
5) 자기장에서 운동에너지가 전기에너지로 바뀌는 원인은 무엇일까?
6) 암흑물질과 암흑에너지의 실체는 무엇일까?
7) 우리의 우주는 수축하고 있을까 팽창하고 있을까?
8) 수학은 자연 현상들을 완전하게 설명할 수 있을까?
이 문제들을 해결하기 위해서는 ‘양자’에 대한 새로운 정의가 필요하다.
에너지는 양자화되어 있다는 사실을 알고도, 현대물리학은 양자를 에너지 입자로만 취급하고 있습니다. 이것은 기존 과학철학이 에너지와 질량을 분리될 수 있는 존재로 취급한 결과입니다.
에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 특성이 있어, 우주 공간에 에너지가 없는 절대영도인 곳은 없으므로, 우주 공간은 에너지로 가득 차 있습니다. 에너지는 양자화되어 있고, 양자는 하나하나 셀 수 있는 존재들이므로, 우주 공간은 에너지 입자들인 양자들로 가득 차 있습니다. 에너지와 질량은 상호 전환될 수 있으므로, 양자가 갖고 있는 에너지는 질량으로 전환될 수 있습니다. 따라서 “양자는 에너지와 질량을 갖고 있다.”라고 정의할 수 있습니다. 그러므로 “우주 공간에는 에너지와 질량을 갖고 있는 양자들로 가득 차 있다.”는 정의가 가능합니다.
그러므로 양자는 에너지와 질량을 갖고 있고 확인되는 가장 작은 존재이므로, 어떤 벽도 통과할 수 있으므로 인위적인 진공 속에도 가득 차 있다고 정의할 수 있습니다.
“우주 공간과 인위적 진공에는 에너지와 질량을 갖고 있는 양자들이 가득 차 있다.” 이것을 실험적으로 입증한 것이 2013년에 노벨물리학상을 받은 ‘힉스 입자의 발견’과 2015년에 노벨물리학상을 받은 ‘중성미자 진동의 발견’입니다.
유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC) 속에서 빛의 속도로 이동하는 양성자 덩어리들이 서로 정면충돌하면 힉스 입자로 전환되어 큰 폭발이 발생하는 현상이 발견되었습니다. 큰 폭발이 발생하는 까닭은 양성자들이 진공 속을 이동하는 과정에 공간에 있는 양자들과 충돌하며 결합하여 질량이 증가하기 때문입니다. 그러므로 힉스장에는 에너지와 질량을 갖고 있는 양자들이 가득 차 있다고 정의할 수 있습니다.
중성미자들이 이동하는 과정에 진동하는 까닭도 공간에 에너지와 질량을 갖고 있는 양자들이 가득 차 있기 때문입니다. 텅 빈 공간에서는 이런 현상들이 발생할 수 없습니다. 그러므로 중성미자들은 공간에 가득 차 있는 양자들과 충돌하며 결합하여 질량이 증가하기 때문에 서로 탈바꿈하는 현상이 발생하는 것입니다.
우리 상식은 중성미자들이 영원히 끊임없이 계속 이동한다고 보기가 어렵습니다. 중성미자들은 갖고 있는 에너지와 질량을 우주 공간에 서서히 방출하게 되어 결국엔 정지하게 됩니다. 그러므로 “우주 공간에는 힘을 잃은 중성미자들이 정지하여 가득 차 있다.”라고 정의할 수 있습니다.
빛들도 결국엔 이동을 정지하여 우주 공간에 가득 차 있게 됩니다. 빛은 에너지를 갖고 있어 양자들의 결합체이므로, 정지한 빛의 양자들도 우주 공간에 가득 차 있습니다.
중성미자들과 빛들이 갖고 있는 각각의 에너지와 질량의 차이는 양자들 수의 차이이므로, 정지한 각각의 양자들은, 모두가 확인되는 가장 작은 존재들이므로, 비슷한 에너지와 질량을 갖고 있다고 정의할 수 있습니다. 그러므로 우주 공간에 가득 차 있는 양자들은 중성미자들과 빛들에서 유래되었다고 정의할 수 있습니다.
양자의 특성
빛의 속도로 이동하는 양성자들이 공간의 양자들과 충돌하며 결합하여 질량이 증가한다는 것은 양자들이 다음과 같은 특성을 갖고 있다는 뜻입니다.
1) 양자는 수축과 팽창을 반복할 수 있는 구조를 갖고 있다.
양자들이 수축되지 않는다면, 양성자들은 양자들과 결합하여 이동할 수 없고, 수축할 수 있다는 것은 역으로 팽창할 수 있다는 뜻이기 때문입니다.
2) 양자는 수축하면 인력이 증가하고, 팽창하면 척력이 증가한다.
결합하며 수축하여 질량이 증가한다는 것은 양자들은 수축하면 인력이 증가한다는 뜻입니다. 그러므로 팽창한다는 것은 인력에 대립되는 척력이 있다는 뜻입니다.
수축하면 질량이 증가하여 인력이 증가하고, 팽창하면 에너지가 증가하여 척력이 증가하므로, 양자들 하나하나 속에는 질량의 인력과 에너지의 척력이 있다고 정의할 수 있습니다.
팽창한 양자들이 척력을 갖고 서로 밀기 때문에 팽창이 한계에 도달하게 되므로, 우주 공간에는 팽창한 양자들이 완전히 가득 차 있다고 정의할 수 있습니다.
수축한 양자들이 인력을 갖고 서로 끌어당기기 때문에 수축한 양자들이 결합하여 물체를 이룬다고 정의할 수 있습니다.
3) 양자는 기본 4힘을 갖고 있다.
3종류 중성미자들이 이동하며 서로 탈바꿈하는 현상을 인력과 척력만으로 설명할 수 없습니다. 인력이 증가하여 수축되는 양자를 팽창시키기 위해서는, 척력이 스스로 증가한다면 인력과 척력이 평형을 이루어 운동이 정지하게 되므로, 수축하는 과정에 척력을 증가시키는 힘이 축적되어야 합니다. 마찬가지로, 척력이 증가하여 팽창되는 양자를 수축시키기 위해서는 팽창하는 과정에 수축을 증가시키는 힘이 축적되어야 합니다.
하나의 양자 속에 이 4힘 이외에 다른 힘이 더 있는지, 4힘이면 필요 충분한지, 이것들이 어떤 힘들인지, 어떤 형태로 존재하는지 등을 입증할 수 있는 실험적 증거는 있을 수 없습니다. 이것을 해결하는 것은 연역적 방법만이 가능합니다.
그러므로 에너지와 질량의 공존에 기초한 새로운 과학철학은 “양자는 기본 4힘을 갖고 있다.”라고 정의하지 않을 수 없습니다. 이렇게 정의하는 까닭은, 기본 힘들이 4보다 적을 수는 없고, 4보다 더 많다면 수축과 팽창을 설명하기 어렵기 때문입니다. 그러므로 기본 힘들이 4보다 더 많다면 새로운 과학철학은 거짓이 됩니다.
한국순환학회 ( http://www.soon.or.kr/ ) 자료 중에서......
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