[일천물] 2. 반물질 - b

<지난 이야기>

 

때는 바야흐로 25XX년.. 

'물질' 가문과 서로 반목하던 '반물질' 가문.

 

원수는 외나무다리에서 만난다고 했던가.

서로 물러설 곳 없는 곳에서 마주친 둘.

오랜 숙원을 피로 씻으려는 듯 서로에게 격돌하게 되는데.. !

 

（지난글 진짜 이런 내용이었음 ㅇㅇ）

 

 

 

 

 

 

이전 글을 잘 기억한다면, 위 이야기의 결말을 자연스럽게 예측할 수 있을 것이다.

물질과 반물질이 만난 자리에는?

 

물질과 반물질 모두 사라지고（쌍소멸）,

'빛' 만이 존재하게 된다.

 

또한, 반대로 빛에서부터 물질과 반물질 쌍이 탄생（쌍생성）하는 것도 가능했었다.

 

 

 

여기서 반물질이란?

 

"물질과 모든 물리량이 전부 같고 '전하' 하나만 다른 것이요~"

 

훌륭한 기억력이다 ^.^

 

 

 

 

 

하나 더 이야기하자면,

물질vs반물질은 '전하' 에 대해서만 홀라당 뒤집은 관계이다.

 

이것을 '전하에 대해 대칭적이다' 라고 표현한다.

혹은 전하는 영어로 charge이므로 간단히 C대칭이라고 부른다.

 

 

 

 

그런데 우리 자연에는,

C대칭 말고도 또 다른 대칭들이 더 있다.

그림 1 - C대칭, P대칭, T대칭.（시계원본 #antimatter.at）

이렇게 적어놓으니 무슨 보드게임 말판 같다 ㅋㅋㅋ

 

 

 

 

 

 

조금 복잡할 수 있는 이야기인데 차근차근 잘 읽어보자.

 

 

 

 

 

여기에 검은색 시계가 있다. 이것이 원본, 오리지널 시계이다.

또한 이 원본 시계는 '시계방향' 으로 틱톡틱톡 움직이고 있다.

 

 

이 시계를 변환 하는 법 세 가지!!

 

 

첫번째, T（time） 대칭 이란, 시간의 방향을 바꾸는 것이다. 거꾸로!

그러므로 시계는 '반시계방향' 으로 움직일 것이다. 

 

 

 

 

두번째, P（parity） 대칭 이란, 3차원（x, y, z） 공간좌표 전부를 정반대로 바꾸는 것이다.

 

쉽게 생각해서 주사위 앞면에 시계가 있을 때,

주사위를 가로 방향으로 한번（x축）, 세로 방향으로 한번（y축）,

마지막으로 앞면에 있는 것을 뒷면으로（z축） 보내버리면 된다.

 

바로 이렇게.

그림 2 - P대칭 

 

 

 

 

 

이렇게 P대칭을 거친 시계는 바늘의 모양이 바뀌었다.

또한 움직이는 방향은 본래와 동일한 '시계방향' 이다.

 

 

 

 

마지막으로 세번째, C（charge） 대칭은?

시계가 '전하' 를 가지고 있을리는 없기에

검정색 시계 - 흰색 시계 색깔 변화로 표현하였다. 

물론 움직이는 방향이나 바늘 모양은 동일하다.

 

 

 

 

자, 이렇게 우리는 가지고 있는 시계를 교환하는 세 가지 방법（C, P, T 대칭）을 배운 것이다.

 

이 대칭성은 하나씩 뿐만 아니라 CP대칭 이라거나, CPT대칭 이라거나 하는 식으로 

두개, 세개씩 한번에도 가능하다. 

 

 

 

갑자기 이 이야기를 왜 했냐고?

 

 

과학자들은,

'우리 우주는 대칭성이 있다' 고 생각한다.

 

이것은 멀리 갈 것이 아니라 자연에서도 찾아볼 수 있다.

그림 3 - 눈 결정과 이름 모를 꽃...（#deviantart）

 

 

 

인류는 오랜 역사를 겪으면서 자연의 여러 산물들을 바라보며 살아왔다.

 

바라보는 것에서 끝나는 것이 아닌, '관찰' 을 행했던 때가

우리가 지금 이야기하는 '과학' 이라는 학문이 태동했었던 순간이지 않았을까.

 

 

 

왜냐하면 '과학' 이란 자연을 관찰하고 진리를 찾는 것이니까!

 

과학의 세월 동안, 인류가 깨달은 바로는 우리 '자연' 은 대칭성이 있으므로 아름답다! 라는 것이다.

 

（갑자기 급 오글오글 해졌는데, 이 분야에 대해 이야기 할때는 누구나 그렇게 된다 ㅋ 

이 이야기 끝나면 손발 다시 펴드림）

 

 

 

 

 

이 대칭성이란 말은 비단 그림 3 과 같은 자연 구조물, 생명체 뿐만 아니라

여러 물리법칙들에서도 찾아볼 수 있었기에,

 

인류는 '캬~ 역시 우리 뷰티풀 마더 네이쳐 완벽해★' 하고 감탄해왔었다.

 

 

 

 

그러나! （여기서 끝나면 과학자들이 심심해한다）

 

여러 현상들에서 C대칭성이 깨진다거나,

CP 동시에 변환하는 대칭성이 깨진다거나 하는 등등

 

우리 마더 네이쳐님께서 과학자들에게

 "ㅋ 이건 어때? 이래도 나 이쁘냐?" 하면서 던져주는 반례들이 발견되었다.

 

 

 

하지만,

현재의 인류는 자연의 이런 투정（?）에도 끝까지 신념을 지켰다.

 

현재까지의 과학이론으로 내린 인류의 (잠정적인)결론은 다음과 같다.

 

 

 

C, P, T 각각 혹은 두 개씩 짝지은 대칭성은 깨질 수도 있지만,

CPT대칭성이 동시에 깨지는 것은 절대로 불가능하다.

 

 

 

마치 얼핏 사소한 일 한 두개는 틱틱 거리면서 튕기는 여자사람친구이지만,

본질인 마음속으로는 우리를 아주 많이 좋아하고 있다는 사례처럼 ^.^

（아, 사례가 아니라 판타지인가）

 

 

 

 

하지만 과학자들이란 호기심으로 똘똘 뭉친 사람들 아닌가!

 

"크~ 우리 마더 네이쳐 CPT대칭성 안깨지고 완벽함." 이라고 이야기 하면서도,

 

혹시나! 해서 어떤 호기심 많은 과학자가 

만약 우리 우주가 CPT대칭성이 동시에 깨진다면

어떠한 현상들이 일어날지 연구해보았다.

 

 

 

 

 

 

그 결론은?

 

 

 

 

CPT대칭성이 무너진 우주는 특수상대성 이론에 의한 '인과율' 이 깨져버린다.

그림 4 - 눈싸움을 너무 많이 해서[원인] 감기에 걸렸다[결과].（#gnedu）

 

 

 

 

 

 

"과거의 원인이 미래의 결과에 영향을 미친다."

 

이것이 인과율이며 누구나 생각해도 당연한 자연의 진리이며 법칙이다.

 

 

그러나 CPT대칭성이 깨진다는 것은, 시간여행 소설이나 영화의 흔한 소재처럼

미래의 무엇（사람이던, 물건이던）인가가 과거에 영향을 미칠 수 있다는 것과 동일하다는 소리이다!

 

 

앞서 1편에서 시간여행은 불가능하다 - 라고 단정 지은 것 처럼,

CPT대칭성이 깨진다 - 라는 말이 지니는 무게가 그만큼 크다.

 

 

아무리 과학의 역사가 새로운 법칙들이 발견되면서 

기존의 고전적인 법칙들을 뒤집어 엎으며 진행되었다고는 하지만,

 

이 CPT대칭 붕괴는 현재 인류에게는 정말 터무니없는 이야기일지도 모른다.

 

（아마 CPT대칭성이 깨졌다는 연구결과가 발표된다면,

의자에 앉아있다가 굴러 떨어지는 글쓴이를 보게 될지도 모른다）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

반물질 이야기를 하다보니 어느새 인과율이라는 다소 철학적인 이야기까지 넘어와버렸다.

 

사실 과학을 깊이 파고들다보면, 자연철학으로 자연스럽게 넘어가게 되는 것은 당연한 수순이다.

（자연스럽게 넘어가서 자연철학임 ㅇㅇ 캬 자연스러운 개드립）

 

 

 

 

그러면 이쯤에서 앞 글에서 제시했던 거대한 의문에 대해 다시 생각해보자.

 

 

 

 

왜 우리 우주는 물질들 뿐일까?

그림 5 - 우주 거대 구조 시뮬레이션.（#UCL）

우리 우주의 모든 '것' 들은 물질이다. 밝은 점들은 은하들 수백개가 모인 초은하단에 해당된다. 

 

 

 

 

 

우주의 시작은 '빅뱅' 이다.

 

모든 '것' 들이 한 점에 뭉쳐 있다가 순식간에 팽창하면서 현재의 우주가 된 것인데,

 

태초의 에너지가 큰 빛들이 쌍생성하여 물질과 반물질들을 만들었다면

다시 쌍소멸이 일어나 빛이 생겨나며 끊임없이 반복하게 된다.

 

그런데 이 이야기대로라면 현재 우리가 볼 수 있는 별, 은하, 행성 등등의 구조를 만들 시간이 없다!

뭐 물질이던 반물질이던 자기들끼리 모여서 만들고 싶어도

곧바로 쌍소멸되고 빛으로 변할텐데 말이다.

 

 

따라서 우리 주변에 '물질' 이 존재하는 이유,

아니 우리가 존재하는 이유는 어떤 원인이든간에 이 '쌍생성-쌍소멸 균형이 깨졌다' 는 뜻이 된다.

 

 

이것이 바로 대표적인 CP대칭성 깨짐의 예시이다.

 

CP대칭성이 깨지면 쌍생성 과정에서 물질-반물질이 쌍으로 생겨나는 것이 아니라,

물질만 두 개 생겨난다거나 반물질만 두 개 생겨나는 현상이 발생한다.

 

 

이를 토대로 현재 인류가 알고 있는 우리 우주의 "물질만세-시나리오" 는 이렇다.

 

 

 

1. 빅뱅으로 우주 탄생 뿅!

2. 어느 시점인지, 왜 그런지는 모르겠지만 CP대칭성이 깨져부림

3. 물질만 두 개 생겨난다거나, 반물질만 두 개 생겨나는 일이 발생함.

4. 물질의 양이 반물질보다 아~주 조금 더 많아져부림.

5. 쌍소멸 하더라도 원래 물질이 더 많았음. 따라서 지금의 물질우주가 되었다. 짜잔!

 

 

 

 

정말 허술한 시나리오 라는 평이 나올 수 밖에 없지만 어쩔수 없다!

 

왜 CP대칭성이 깨졌는지, 언제 깨졌는지는 우주의 역사에서 지독한 미스테리이다!

 

 

 

이에 대해 합리적인 이론모델을 제시하는 사람에게는

100% 노벨물리학상이 수여된다고 글쓴이가 보장한다.

（밝혀냈는데도 노벨물리학상 못받은 사람은 글쓴이 찾아와라 책임짐 ^.^）

 

 

 

 

 

참고로 물질과 반물질 이야기임에도 불구하고 이 글의 제목이 '반물질' 인 까닭은

우리 우주에서 도태되어 멸종된 반물질을 추모하는（?） 글쓴이의 마음이 담겨있다고 한다.

 

（글 제목에서만이라도 주인공 해먹어라 반물질아.. 흙흙）

그림 6 - 물질 우주와 반물질 우주.

 

 

 

 

정리하자면 우리 우주는 정말 '우연히' 물질의 양이 약간 더 많아서 지금의 우주가 된 것에 불과하다.

CP대칭성 깨짐에서 반물질이 약간 더 많았다면 우리는 반물질우주의 길로 들어섰을 지도 모른다.

 

 

물질과 반물질은 전하를 제외하고는 완벽히 동일하다.

우주에서 가장 간단한 원소인 수소는 - 부호를 띠고 있는 전자와

+ 부호를 띠고 있는 양성자 한개씩으로 이루어져 있다.

 

반면, + 부호를 띠고 있는 양전자와

- 부호를 띠고 있는 반양성자도 짝을 이루어 반수소（수소 반물질 암소 아님;;）를 만들수 있다!

 

 

 

이 반수소는 물질과 만나면 빛을 발하면서 소멸한다는 것만 빼면

그냥 물질 수소와 완벽히 동일하다!

 

 

 

그러므로 반수소, 반헬륨, 반탄소, 반산소 등의 반물질 식구들도 충분히 생성될 수 있으며,

이러한 반물질로만 만들어진 반물질만세-우주도 우리 우주와 똑같이 만들 수 있다.

 

현재는 아무도 모르지만 만약 이러한 반물질 우주가 존재한다면, 

거기에 살고있는 반-단백질, 반-탄수화물, 반-지방으로 구성된 반-인간（?）도 있을 수 있고,

개중에는 자연에 대한 호기심으로 똘똘뭉친 반-과학자（?）도 있을 수 있다.

 

이 반-과학자는 물리법칙을 만들면서 당연히 본인의 우주를 기준으로 삼을테고,

따라서 우리입장에서는 반물질이지만 본인의 우주를 이루고 있는 것을 '무울질' 이라 정의하면서

왜 자신들의 우주는 '무울질' 들 밖에 없는지, 어딘가에 있을 '반-무울질' 우주를 상상하고 있을지도 모른다!

（이게뭔소리래 - 하는 사람은 아래 그림을 보자）

그림 7 - 결코 만날 수 없는 우때인 우주와 반-우때인 우주.

 

 

 

와우! 마치 '거울 속의 또 다른 세상' 이야기다!

이 거울 속 세상은 서로서로 자신들의 세상이 '기준' 이라고 생각하게 된다.

 

 

물론 물질과 반물질은 결코 공존할 수 없는 존재이기에,

만약 반물질 우주가 존재한다고 하더라도

우리는 그 우주와 어떠한 접촉도 할 수 없다는 것이 맹점이지만 말이다.

 

 

 

우주 초기에 CP대칭성 깨짐이 왜 일어났는지,

따라서 왜 우리가 '존재' 하는지도 모르는 현재의 인류에게는

아직은 너무나 꿈같은 이야기이다.

그림 8 - 인류 최대의 입자가속기 CERN의 지상과 지하 모습（#CERN）

 

 

 

 

 

 

 

간혹, 순수과학에 대해 이런 의견을 제시하는 사람들이 있다.

 

 

"아니~ 그거 공학이나 기술처럼 실생활에 도움도 안될꺼 뭔 돈낭비여 대체~"

 

 

 

 

실생활에 도움이 될 기술, 공학의 기본 근간이 바로 순수과학이다!! - 라는 당연한 반박도 있겠지만,

 

글쓴이는 여기서 또 다른 할 수 있는 이야기를 하려 한다.

 

 

 

모든 물리, 화학, 생명과학, 지구과학, 천문학 등의 순수과학은 흩어지고 세분화된 분야이지만

하나로 모은다면, 조금 과장하자면 결국 '우주 태초' 로 귀결된다.

 

즉, "우리가 왜 존재하는가?" 에 대한 다소 철학적인 질문의 해답을 찾는 것이다. 

 

이 자연 속에, 우주 속에 던져진 지적 생명체인 우리는 

자연스럽게 자신의 존재증명에 의문을 품게 되었고,

 

그것에 대한 해답을 찾는 과정이 바로 과학이라는 것이다.

 

 

 

 

가장 단적인 예로 이전 편에서 이야기했던 인류 최대의 입자가속기 CERN을 이야기 할 수 있다.

과학자들은 CERN 뿐만 아니라 이것보다 더 규모가 큰 입자가속기도 계획중이다.

 

왜? 지금으로도 충분한데?

 

입자가속기의 규모가 커지면, 입자를 더 빠르게 가속시킬 수 있고,

그렇게 되면 충돌했을때의 '에너지' 도 증가한다.

 

시계를 거꾸로 돌려 빅뱅으로 갈 수록 한 점에 몰려있는 에너지가 증가하게 되므로

입자가속기의 규모를 키우는 것은 우주에서 더 과거의 시점을 '재현' 하는 것과 마찬가지인 셈이 된다!

그림 9 - 현재 인류가 알고 있는 우주의 역사（영문원본 #NASA） 

우주 급팽창 이전 시기의 우주는 인류가 자세히 모른다.

 

 

 

 

 

 

자연에 존재하는 모든 힘 들은 네가지 기본 힘의 변형이다.

중력, 전자기력, 강력, 약력.

 

 

그 외 수많은 힘들（마찰력, 부력, 양력, 탄성력 등）은 기본 네가지 힘에 전부 합쳐질 수 있다.

 

 

 

여기에 과학자들은 더 생각을 나아가,

'이 기본 힘들마저도 우주 초창기에는 합쳐져 있지 않았을까?' 하는 생각을 하였다.

 

왜냐면 우주의 시작은 단 하나의 점인 빅뱅이었으니까!!

 

 

 

 

 

우리 자연의 대칭성과도 연관이 있는 이 이야기는,

모든 과학자들의 궁극적인 지향점이다.

 

실제로 중력을 제외한 전자기력, 강력, 약력은 불완전하지만 통합 가능성을 확인하였다.

그림 10 - 자연의 네 가지 힘.（#ElegantUniverse）

중력（G）, 강력（S）, 약력（W）, 전자기력（EM）

 

 

 

현재 유일하게 통합되지 않고 홀로 남은 것이 바로 '중력' 인데,

 

나머지 세 힘의 통합이론을 완성하는데만도 인류역사의 300년 넘게 소모된데다가

마지막 남은 친구가 가장 난이도 높은 '중력' 임을 미루어보면 얼마나 걸릴지 감이 잡히지도 않는다.

（중력이 가장 약한 힘이기에 가장 난이도가 높다）

 

 

홀로 남아있는 중력을 포함한 자연의 기본힘 네 가지를 통합시키는 이 이론은,

아마도 인류가 아직 풀지 못한 역대 최고, 최대의 자연의 미스테리일지도 모를 이론이기도 하고,

그 천재적인 아인슈타인 센-세가 죽기 직전까지 연구노트에 끄적이던 

 

 

이 이론을,

 

과학자들은 이렇게 이름 지었다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

모든 것에 대한 이론,

Theory Of Everything.

 

（약자로 하면 TOE. 손발 할때 그 '발' 이다 ㅋㅋㅋㅋㅋ）

(2020. 5. 23 수정)

*적은지 7년 된 글의 조금 오래된(?) 표현들을 고쳐보았습니다.