무언가 채우고 싶은 욕망

왜 비어있으면 안 되는 걸까?

프롤로그: 왜 비어있으면 안 되는 걸까?

중력이 작용한다.

지구가 달을 끌어당기고, 태양이 지구를 붙잡는다.

그런데 그 사이에는 아무것도 없다.

진공이다.

텅 빈 공간이다.

이상하지 않은가?

아무것도 없는데 어떻게 힘이 전달될 수 있을까?

뉴턴은 이를 "원격작용"이라고 불렀다.

그냥 그런 거라고 했다.

멀리 떨어진 물체들이 신비롭게 서로 영향을 미친다고.

하지만 뉴턴 본인조차 이것이 불편했다.

그는 벤틀리에게 보낸 편지에서 "중력이 물질의 개입 없이 진공을 통해 작용한다는 것은 너무나 터무니없어서, 철학적 사고능력이 있는 사람이라면 결코 빠져들지 않을 것"이라고 썼다.

그런데 이상한 건, 수학은 완벽했다는 점이다.

뉴턴의 만유인력 법칙으로 행성의 궤도부터 혜성의 경로까지 모든 것이 정확하게 예측되었다.

하지만 "왜"와 "어떻게"는 여전히 미스터리였다.

그래서 후대의 물리학자들은 계속 답을 찾았다.

"뭔가 있어야 하지 않을까?"

패러데이는 "장(field)"이라는 개념을 도입했다.

빈 공간이 아니라, 보이지 않는 무언가가 공간을 채우고 있다고.

전기장, 자기장... 공간 자체가 물리적 성질을 갖는다는 혁명적 사고였다.

그리고 20세기 양자역학은 더 나아갔다.

광자, 글루온, W보손, Z보손... 모든 힘에는 그것을 매개하는 입자가 있다고 말이다.

하지만 나는 여전히 궁금하다.

왜 꼭 무언가로 채워져 있어야만 하는 걸까?

매개입자라는 해답과 새로운 의문

현대 물리학은 네 가지 기본 힘을 말한다. 그리고 (거의) 각각에는 매개입자가 있다.

전자기력 → 광자

강력 → 글루온

약력 → W보손, Z보손

중력 → 중력자 (아직 이론상 가설)

이 체계는 정말 놀랍도록 정교하다.

예를 들어 두 전자가 서로 밀어낸다면, 한 전자가 가상 광자를 방출하고

다른 전자가 그것을 흡수해서 운동량이 전달된다.

광자는 질량이 0이지만 에너지와 운동량(p=E/c)을 가진다.

충분히 힘을 전달할 수 있다.

수학적으로도 완벽하다.

양자전기역학(QED)으로 계산한 전자의 자기모멘트는 실험값과 소수점 12자리까지 일치한다.

인류 역사상 가장 정확한 예측이다.

하지만 이런 성공에도 불구하고, 나는 여전히 뭔가 의문이 든다.

특히 이 과정에서 주고받는 "가상입자"들을 생각할 때 그렇다.

가상 광자는 에너지-시간 불확정성 원리 덕분에 잠시 존재할 수 있지만,

실제로는 관측할 수 없다.

계산 과정에서만 나타나는 수학적 도구 같은 존재다.

그렇다면 이 가상입자들은 정말 "존재"하는 걸까,

아니면 우리 마음의 평안을 위해 만들어낸 개념적 장치일까?

물론 실제 광자(우리가 빛으로 보는)는 분명히 존재한다.

하지만 힘을 매개하는 가상 광자는 정말 존재하고 있는 걸까?