대한민국에서는 왜 노벨 물리학상 수상자가 나오지 않는가. 인재가 없는 것도 아니고, 실력이 뒤떨어진 것도 아닌데 매번 발표 때마다 한국인의 이름은 보이지 않는다. 그 이유는 한가지다. 정형화된 틀에서 벗어나지 못하고 있다는 것이다. 대부분의 조직들이 나름대로의 성역이 구축되면 이를 깨려는 창조적 인물들은 반드시 터부시 당한다. 이것이 가장 큰 문제며 노벨 물리학상을 가로막는 장애물이 되고 있다. 선진 외국의 사례를 보면 노벨상 수상자들의 면면에는 남다른 생각, 남다른 연구, 남다른 열정이 보인다. 그리고 정부의 적극적인 뒷받침이 있었다.

따라서 우리나라도 자기 영역을 지키려는 밥그릇 싸움에서 벗어나 다양한 이론과 생각들이 표출되는 환경이 과학계에도 만들어져야 한다. 이어 그만한 이유가 있다면 정부가 이를 적극 지원함으로써 세계적인 작품을 만들어 내야 하는 것이다. 본지는 국내 수많은 과학자 중 한사람을 신년특집 인물로 선정했다. 어찌 보면 괴짜 학자 같지만 그는 누구보다 열정으로 자신의 학문을 완성시키는데 오랜 시간을 보냈다.

우리는 그를 보면서 10년 후 대한민국에도 노벨 물리학상 수상자가 나올 수 있다는 확신을 얻었다. 바로 명지대학교 임성빈 명예교수가 주장하는 남다른 생각과 학문에 대한 열정이다. 1인10역을 할 정도로 그는 보기 드문 ‘프로 삶꾼’이다.

자신의 연구열정 때문인지 궁금한 건 못 참는다. 물리학과 철학, 정신과학과 잡기, 심지어는 국악, 침술, 기공, 무예, 명상 등 세상의 모든 취미를 두루 섭렵했다. 스쳐 지나는 취미가 아니다. 전문가 수준의 실력을 겸비했다. 교수 시절에도 남다른 두각을 나타냈다.

한국과학기술한림원 정회원을 지낸 그는 사단법인 한국교통문제연구원장, 국무총리실 정책평가 자문위원과 대통령비서실 사회간접자본투자기획단 자문위원 등을 맡은 저명학자로 이름 나 있다. 명지대 안에서는 공과대학장, 교통관광대학원장, 문화예술대학원장, 법인기획위원장 등을 지냈다. 그는 말한다. “우주의 본질은 공존과 조화며 머지않아 세계의 차원이 바뀐다”고 강조한다.

본지는 임 교수가 그동안 연구해 온 새로운 학설과 주장들을 신년특집을 시발점으로 장기 연재함으로써 약 10년 후 대한민국 1호 노벨 물리학상 수상자가 나오는데 그의 노력을 더하고자 한다.<편집자주>

“현재의 표준모형 근본적 수정 필요 할 때”

20세기에 이룩해 놓은 현대물리학의 발전은 실로 괄목할만한 것이었다. 그들은 우리 우주가 약 137억 년 전 빅뱅(Big Bang, 대폭발)이라고 부르는 사건에 의해 시작되었으며 초 후 모습을 드러낸 우주의 크기는 cm, 온도는 °K였을 것이라고 한다.

그리고 10-11초가 경과한 당시의 온도는 1,000조(1016)°K였고 우주는 광자, 전자, 중력자(아직은 발견되지 않았음), 쿼크와 반 쿼크, 중성미자와 반중성미자, 글루온 등과 같은 각종 원시입자로 구성된 플라즈마 상태였으며 그 이후에 어떤 일이 일어났는지도 상세히 밝혀 놓았다.

그런데 현대물리학의 근간이 되는 표준모형에서는 빅뱅만이 유일한 특이점으로서 우주에 존재하고 있는 모든 물질을 이루는 각종 입자들은 모두 빅뱅 때 생겨났다. 그 이후에는 더 이상 물질이 만들어지지 않았고 또 질량불변의 법칙이 엄격히 지켜져야 한다는 것을 전제로 하고 있는 것 같다.

그래서 한 때는 빅뱅 당시의 우주밀도가 g/㎤일 것이라는 가설이 등장하기도 했다. 그러나 아무리 특이점이라 하더라도 이러한 밀도가 존재한다는 것은 불가능하므로 빅뱅 초기에는 기본입자들이 질량을 가지지 않다가 힉스입자에 의해 질량이 주어진다는 가설과 함께 이때 생긴 물질과 같은 양의 반(反)물질이 만들어져 어딘가에 존재한다는 반물질우주론도 제기됐다.

힉스입자를 발견하기 위해 세계에서 가장 먼저 실험을 계획한 것은 미국이었다. 미국 국립페르미가속기연구소는 1983년 둘레 6.28km에 달하는 ‘테바트론(Tevatron)’을 만들었다. 그러나 2008년 유럽입자물리연구소(CERN)가 약 100억 달러의 예산을 투입해 둘레 27km에 달하는 대형 강입자충돌형가속기(LHC)를 만들면서 테바트론의 입지는 위축되기 시작하다 미국의 재정난과 함께 2011년 9월 막을 내렸다. CERN은 LHC를 이용해 힉스로 추정되는 입자를 발견하였다고 2012년 7월 4일 발표했다.

당시 연구소 측은 아직 공식화하기는 이르며 충분한 실험을 통해 힉스의 존재 여부를 검증하겠다고 했다. 이후 8개월이 지난 2013년 3월 14일(현지시간) 연구소는 지난해 7월 발견된 소립자는 힉스입자로 판명되었다고 밝혔다. 이어 힉스입자가 물질의 표준모형에 적합한지를 규명하는 연구를 계속한 결과, 2013년 10월 4일 힉스입자의 존재를 확인했다고 언론을 통해 발표했다.

그런데 과연 힉스입자와 반물질우주는 존재해야 하는가? 우리는 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc²에 의하여 물질과 에너지의 상호변환이 가능하다는 것을 알고 있다. 실제로 높은 에너지의 빛, 즉 광자와 광자가 충돌하면 물질입자인 전자와 반물질입자인 양전자가 발생한다는 사실은 이미 잘 알려져 있다.

또 하버드대학의 조지아이(Howard Georgi)와 글래쇼(Sheldon Lee Glashow)가 세운 통일장이론에 의하면 우주 탄생 직후에 빛에서 X입자와 그 반(反)입자가 대량 만들어졌을 것이라고 한다. 그리고 존스(Tegid Wyn Jones)에 의하면 다운쿼크가 붕괴되어 X입자 한 개를 방출하고 양전자로 변하며 업쿼크는 X입자를 흡수하여 반업쿼크로 변환되며 중성미자를 방출한다. 또 에밀리아니(Cesare Emiliani)에 의하면 X입자는 쿼크나 양전자 및 반쿼크로 변환된다.

이러한 사실에서 X입자나 반X입자가 양전자와 결합하거나 작용하여 쿼크와 반쿼크를 생성한다는 추론이 가능할 것이다. 그리고 빅뱅 초기와 같은 상황에서는 초대칭성에 관계없이 높은 에너지의 빛 즉 광자가 X입자나 반X입자뿐만 아니라 중력의 매개입자인 중력자와 강력의 매개입자인 글루온, 매우 큰 질량을 가진 약력의 전달입자, W+입자와 W-입자 그리고 Z0입자 등으로 변환되는 것이 가능하다고 한다면 우주공간에 존재하는 모든 물질과 힘(상호작용)이 만들어지는 과정에 대해서 다음과 같은 시나리오가 가능해진다.

즉 빅뱅 당시에는 무지무지하게 작고 뜨거운 원시상태 속에 처음에는 에너지를 가지는 파동이자 질량이 없는 입자인 빛만이 존재했다. 그런데 빛, 즉 광자(光子)는 물질을 이루는 물질입자가 아니라 힘을 전달하는 매개입자이므로 당시에는 물질은 없고 힘 즉 에너지도 광자에 의해서 전달되는 한 가지로 통일된 힘(大統一力)만 있었던 것이다.

그러다가 빛과 빛이 부딪쳐 최초의 물질입자인 전자와 반(反)물질입자인 양전자(陽電子)가 만들어졌고 다시 이들 전자와 양전자가 충돌해 빛이 됐다. 이렇게 빛과 전자 및 양전자는 아주 짧은 순간이지만 서로 변환을 거듭했으며 그와 동시에 빛에서 X입자와 반(反)X입자도 만들어졌다.

초기 우주는 약 1019GeV의 에너지를 가지고 있었고 시간이 지남에 따라 온도가 떨어지면서 다시 수많은 광자가 중력 매개입자인 중력자(重力子)로 변신함으로서 중력이라는 힘이 다른 힘들과 분리되어 독립적으로 작용할 수 있게 됐다.

10-35초 후에는 우주의 지름이 처음의 10만 배인 10-28cm가 되었으며 온도는 1만분의 1인 1028°K까지 떨어졌다. 이와 같이 온도가 떨어지면서 양전자에 X입자 및 반X입자가 작용해 물질을 구성하는 가장 기본적 소립자들인 빨강, 파랑, 초록의 세 가지 색 업 쿼크(up-quark)와 같은 세 가지 색의 다운(down-quark) 쿼크 및 이들의 반 쿼크(anti-quark), 그리고 여러 종류의 중성미자와 반중성미자들이 만들어졌으며 우주에는 모두 약 1080개 정도의 쿼크가 존재하게 됐다.

이와 동시에 쿼크들 숫자만큼의 광자가 강력 매개입자인 여덟 가지 종류의 글루온으로 변신함으로서 강(强)한 핵력(核力)이 독립적으로 작용할 수 있게 됐으나 아직 방사에너지가 높아 양성자(陽性子)나 중성자(中性子)를 만들지는 못했다.

10-34초 후에는 우주가 말할 수 없이 빠른 속도로 급격히 팽창해 이제는 손바닥 위에 올려놓을 수 있는 정도인 지름 10cm 정도가 됐으며 광자, 전자, 중력자, 쿼크와 반 쿼크, 중성미자와 반중성미자, 글루온 등과 같은 각종 원시입자로 구성된 플라즈마 상태가 됐다.

그 후 10-32초까지 우주는 매 10-34초마다 2배씩으로 팽창해 1027cm 정도로 커졌는데 이 과정을 급팽창(急膨脹)과정이라고 하며 그 이후 팽창속도는 급격히 줄어들었으나 오늘날까지도 팽창을 계속하고 있다.

빅뱅이 있은 지 1,000억분의 1(10-11)초가 지난 후 온도는 1016°K까지 떨어졌고 이 때 다시 엄청난 양의 광자가 약력 매개입자인 W+입자와 W-입자 그리고 Z0입자로 변신함으로서 약(弱)한 핵력(核力)이 독립적으로 작용할 수 있게 됏으며 광자는 전자기력(電磁氣力)만을 매개하게 됐다.

이로서 현재 우주에 존재하는 4가지 힘이 모두 분리됐으며 우주는 엄청나게 큰 질량을 가지게 됐는데 이 모든 것이 빛으로부터 비롯된 것이다. 이와 같이 빅뱅 초기에 물질입자가 먼저 만들어진 것이 아니라 에너지, 즉 질량이 없는 빛이 점진적으로 질량을 가진 물질입자로 변환되었다면 더 이상 힉스입자가 존재할 필요는 없는 것이다.

또 이때 만들어진 유일한 반물질, 양전자(반X입자는 가상입자이므로 제외)는 모두 쿼크 및 반쿼크 속에 잡혀있고 더 이상 반물질은 만들어지지 않았으므로 반물질우주도 존재하지 않을 것이다. 그리고 설혹 어딘가에 반물질우주가 존재한다고 하더라도 질량불변의 법칙을 설명하는 데는 좀 도움이 될지 모르겠지만 물질과 반물질이 나누어지기 위해 필요한 엄청난 양의 에너지에 대해서는 어떻게 설명할 지 의문이 아닐 수 없다.

한편 현대물리학이 발견한 사실에 의하면 대폭발이 있은 지 약 1초 후에는 온도가 100억°K까지 떨어지고 우주의 물질 및 에너지의 밀도는 임계밀도(臨界密度:현재까지 알려진 임계밀도는 10-23g/m3로서 1m3당 수소원자 5개 정도의 밀도임)가 됐으며 더 이상 새로운 입자는 만들어지지 않게 됐다.

그리고 중성자수는 양성자의 약 1/3 정도가 됐으며 다른 입자들과 끊임없이 상호작용을 하던 중성미자가 이들과 분리됐다. 우주에는 이들 정상물질(定常物質) 외에 이들의 9배에 달하는 암흑물질(暗黑物質)이 존재하게 됐으며 우주의 팽창과 더불어 암흑물질을 포함한 실제 물질 및 에너지의 밀도가 임계밀도 이하로 떨어지게 되자 우주의 물질 및 에너지의 밀도를 임계밀도로 유지시켜주게 되는 암흑에너지(dark energy)가 나타나 증가하기 시작했다.

그래서 현재 관측 가능한 정상물질 및 에너지는 3%에 불과하고 27%가 암흑물질이며 나머지 70%가 암흑에너지인데 지금 이 순간에도 계속 증가하고 있다는 주장이 사실이라면 빅뱅이 유일한 특이점이라는 전제도 더 이상 지지를 받기는 곤란할 것이다. 다시 말해서 현재의 표준모형은 근본적인 수정이 필요한 것으로 보인다.