[운동 안내서] 춤추는 에너지 실: 운동하는 입자
몸 그리고 삶의 본질은 끝없는 움직임
앞선 글 <운동 안내서 - 원자 하나에서 느끼는 우리 몸과 우주>에서 우리 몸을 포함해 만물은 원자로 이루어져 있다고 했다. 더 이상 쪼갤 수 없을 줄 알았던 원자는 현대 과학에 의해 그 베일이 서서히 벗겨지고 있다. 원자보다 더 작은 물질이 존재하고, 그것은 움직이고 있다는 사실 말이다. 여기서 중요한 것은 바로 그 물질이 움직인다는 것이다. 이제 그 세계로 들어가 보자.
원자도 무언가로 이루어져 있으며 원자보다 작은 게 있지 않을까?
양자역학은 그 질문으로 시작됐다. 그리고 쪼갤 수 없어 물질의 기본 단위인 줄 알았던 원자를 쪼갤 수 있고, 그 안에 더 작은 물질의 최소 단위인 양자, 즉 ‘입자(Particle)’를 발견하게 된다. 원자핵과 전자로 이루어진 원자라는 구체의 공간에는 정말 아무것도 없다.
크기를 비교해보면 원자의 크기가 서울시 정도라면, 원자핵은 농구공만 하며 전자는 모래알 수준의 크기다. 원자 세계보다 더 작고 텅 빈 것 같은 양자 세계가 존재했던 것(2013년 과학자들은 양자 현미경을 이용하여 수소 원자의 핵 주변을 돌고 있는 전자를 카메라에 담는 데 성공했다).
원자보다 작은 입자의 발견
그 세계는 상상할 수 없이 넓어 마치 텅 빈 것처럼 느껴지는 우주 공간과 닮았다. 그리고 원자 질량의 대부분을 차지하고 있는 중앙의 (그리스어로 '종자'나 '씨앗'을 뜻하는) 원자핵은 크기는 작지만 밀도가 어머어마하다.
만약 우리 몸이 텅 빈 원자가 아니라 속이 꽉 찬 원자로 이루어졌다면 새끼손가락 한 마디의 무게만도 무려 10억 톤은 될 것이다. 바로 이 점 때문에 과학자들은 흔히 우리 몸의 본질이 공기도 없이 텅 빈 심연의 우주 공간과 닮았다고 말하는 것이다.[1] 이처럼 원자핵과 전자 사이에 빈 공간이 있는 구조는 우리가 알고 있는 모든 원자에게서 공통으로 발견된다.
그리고 파동이면서 입자처럼 행동하는 신기한 전자는, 무려 초속 2,200km라는 엄청난 속도로 원자핵 주변을 날아다닌다. 어마어마한 속도로 움직이기 때문에 그 운동 궤적은 이미 하나의 막, 즉 전자구름을 이루고 있다. 눈에 보이지 않는 원자도 움직이고 있었던 것.
원자를 구성하고 있는 물질인 입자의 발견은 기존 과학이 붙들고 있던 물질주의와 환원주의 기반을 흔들어 놓기에 충분했다. 입자는 기본입자ㆍ소립자ㆍ아원자로도 불리는데, 질량ㆍ위치ㆍ속도 등의 성질만 갖는 역학 운동의 기본 단위로 전자ㆍ양성자ㆍ중성자가 이에 해당한다. 입자는 6쌍의 기본입자와 힘을 전달하는 4개의 매개입자 등 16개의 입자로 구성되고, 이들이 결합해 물질이 만들어지고 상호작용한다는 게 현대 물리학 표준모형 이론이다.
경입자(Lepton)로 분류되는 전자의 질량은 가장 작은 원자로 알려진 수소보다 2,000배나 작다. 역시 경입자에 속하며 ‘유령입자’로 불리기도 했던 중성미자(Neutrino)는 전자보다 질량이 100만분의 1 정도밖에 되지 않는다. 전하를 띄고 있지 않아 다른 물질과 반응하지 않는 중성미자는 빛의 속도로 진동하는 것으로 밝혀졌다. 그래서 지구도 그냥 관통해버린다고 한다.
중입자(Baryon)로 분류되는 양성자와 중성자는 빅뱅 후 강입자 시대(10-32초~10-4초 사이)에 탄생한 쿼크라는 더 작은 입자로 구성된다. 글루온(Gluon)과 보손(Boson)처럼 입자에 강력과 약력의 힘을 매개하는 매개입자(Intermediate Particle)들이 있다. 그리고 빅뱅 직후 이런 입자들에 질량을 부여해 ‘신의 입자’라 불리는 힉스입자가 있다.
힉스 입자 [이미지 출처: 유럽원자핵공동연구소CERN]물질(입자)과 반물질(반입자)이 만나면
한 걸음 더 나아가 이 각각의 원자 구성 입자에 대응해 반입자가 존재한다는 것을 밝혀냈다. 양자역학과 상대성이론을 접목해 (디렉 방정식으로도 불리는) ‘상대론적 양자역학(Relativistic Quantum Mechanics)’을 탄생시켜, 노벨 물리학상을 수상한 영국의 천재 물리학자 폴 디렉(Paul Dirac, 1902-1984)이 주인공. 양자장 개념을 만든 그는
모든 입자에는 항상 반입자가 존재한다.
고 했다. 반입자(Antiparticle)는 입자에 대해 물리적 속성은 같지만 내부 양자수와 전기적 성질이 정반대인 입자를 말한다. 양전자(반전자)ㆍ반양성자ㆍ반중성자가 반입자에 해당하며, 디랙 방정식 탄생 이후 모두 발견된다.
결국 모든 입자는 그에 해당하는 반입자가 있다. 입자와 반입자는 서로 상보적 개념으로 음과 양이라는 우주의 조화를 입자의 세계에서도 확인할 수 있는 것이다. 이처럼 통상적인 의미의 입자만으로 이루어진 것을 물질Matter이라 하고 반입자로 이루어진 것을 반물질(Antimatter)이라 한다.
여기서 하나 더 궁금해지는 건 우리가 관측할 수 있는 우주는 대부분 물질만 있고 반물질은 거의 없는데 왜그럴까? 다시 말해 왜 우리 주변에는 반원자, 반책상, 반인간은 존재하지 않는 것일까? 반원자인 반수소는 일시적이지만 실험실에서 수소 원자를 만들 듯 똑같이 만들어 낼 수 있다. 이미 유럽원자핵공동연구소CERN에서 반원자핵(1965년)과 반수소(1995년)를 만들어냈다.
반물질이 중력과 어떻게 상호 작용하는지 조사하는 유럽원자핵공동연구소 CERN [이미지 출처: CERN]하지만 우리 주변에 반물질이 거의 없다는 건 다행스럽게도 우리가 존재한다는 사실의 전제조건이 된다. 그렇지 않으면 우리는 존재할 수 없게 된다. 왜냐하면 우주 탄생 초기에도 그랬듯이 물질과 반물질이 만나면, 아인슈타인 방정식 E=mc2에 따라 물질의 질량에 상응하는 순수한 에너지를 생성한 후 섬광과 함께 사라지기 때문.
이를 <태초의 고요한 움직임>에서 이야기한 빅뱅 이후의 ‘쌍소멸’이라 하며, 반물질은 물질과 부딪혀 대부분 사라졌다. 반물질을 이용하면 질량의 100%가 에너지로 전환 가능한데, 반물질 0.5g으로 히로시마에 떨어진 원자폭탄의 위력이 가능하다. 이 사실을 절대 잊어서는 안 된다. 왜 잊으면 안 될까?
우주 어딘가에는 순전히 반물질로 만들어진 세상이 존재할 수 있다. 이를 반세계라고 불러도 좋다. 만약 영화처럼 이런 세계가 존재하고 당신 앞에 나타난 반당신을 만나게 되면 악수를 하기 전에 한 번 더 생각해보는 것이 안전할 것이다. 악수하는 순간 서로 폭발해버릴 테니까.
영국 옥스퍼드대 물리학 교수 프랭크 클로우스Frank Close가 쓴 《반물질》의 서문에는 다음과 같은 시가 실려 있다.
카인과 아벨은 형제
이들의 부모는 최초의 부모(빅뱅)
그리고 한 자식이 다른 자식을 죽였지
여기서 카인은 물질이고, 아벨은 반물질이다. 어쨌든 우리 몸속에도 반물질이 존재한다. 이 때문에 양전자 방사 단층 촬영으로 우리 몸속을 3차원 영상으로 볼 수 있는 것이다.
무無로 만들어진 진동하는 끈: 춤추는 에너지 실
마침내 양자역학은 만물을 이루는 기본 단위가 점 입자가 아닌 입자 사이의 정보가 얽혀 연결된 빛보다 빠른 ‘진동하는 끈(Vibrating String)’일 가능성을 제시한다. 스티븐 호킹 박사의 제자이자《우주, 시간, 그 너머》의 저자인 크리스토프 갈파르는 저서를 통해 이를 ‘무無로 만들어진 끈’으로 표현했다. 이 끈은 진동할 수 있다.
이론물리학자이자《우아한 우주》[3],《멀티 유니버스: 우리의 우주는 유일한가?》의 저자 브라이언 그린
(Brian Randolph Greene)은 이를 ‘춤추는 에너지 실’ 혹은 ‘진동하는 줄’이라고 표현했다.
[4]
첼로의 줄이 다양한 모양으로 진동하는 것처럼 에너지 실도 다양한 모양으로 진동한다. 첼로의 줄이 만드는 다양한 진동이 음악을 만든다면 에너지 실이 최초의 진동으로 낳은 것은 음표가 아니라 빛의 입자다.
현악기의 진동하는 끈 [이미지 출처: 구글]우리 몸과 우주의 모든 물질을 구성하는 모든 입자는 이처럼 열린 끈들의 진동일 수 있다. 입자들은 시간과 공간 속의 구체적인 위치에서 상호작용을 주고받는다. 하지만 끈에 대해서는 이런 말이 성립하지 않는다. 입자가 끈의 진동이고, 끈의 진동이 곧 입자이기 때문이다. 이것이 저것이고, 저것이 이것이다. 끈의 길이와 시간을 타고 진동이 퍼져나간다.
이 입자들의 상호작용은 시간적으로도 공간적으로도 특별히 정해진 위치가 아닌 끈 전체에서 일어난다. 끈에는 닫힌 끈과 열린 끈이 있는데 닫힌 고리 모양의 끈은 안에 중력을 품고 있고, 열린 끈에서는 빛이 나온다(운동학에서는 닫힌 사슬과 열린 사슬 개념이 있다).[5] 여기서 가장 강력한 통합된 만물의 이론 후보로 주목받고 있는
‘끈 이론(String Theory)’이 등장한다.
만물의 이론이 포함하는 범위는 어디까지여야 하는가? 단순히 물리적 힘을 설명하는 것으로 충분할까? 아니면 더 나아가 생명과 의식 같은 현실 세계의 양상도 포함해야 할까? 전자를 진동하는 끈이라고 설명한다고 해서 그로부터 화학의 분자 결합이나 살아 있는 세포의 조성 같은 것까지 알아낼 수 있는 것은 아니다.
– 조엔 베이커의《일상적이지만 절대적인 양자역학지식 50》중에서
앞선 글 <[운동 안내서] 원자 하나에서 느끼는 우리 몸과 우주>에서도 이야기했지만 생명의 본질이 원자나 분자는 아니라는 것을 잊지 않아야 한다고 했다. 입자가 점이든, 끈이든 모든 것은 움직인다는 사실은 변함이 없으며, 이 사실을 우리는 기억해야 한다. 만물의 본질은 결국 움직이는 것, 이므로.
끈 이론은 입자의 성질과 우주의 기본적인 네 가지 힘이 시공간에서 끈의 모양과 진동에 따라 결정된다고 설명한다. 네 가지 힘을 통일할 수 있는 가장 유력한 후보이기도 하다. 넓은 의미로는 11차원의 시공간에서 존재하는 초중력 이론인 M이론M-theory을 포함하며, ‘다중우주론Multiverse theory’[6]을 설명하는 이론이기도 하다.
삶과 죽음, 물질과 물질 아닌 것의 경계
더 나아가 초대칭성(Supersymmetry)[7]이라는 대칭성을 가지고 있는 끈 이론인 ‘초끈 이론(Superstring theory)’을 포함한다. 흥미로운 사실은 끈 이론을 수학적으로 연구해 보면 3차원의 공간을 가정했을 때는 실제에 잘 적용되지 않고 차원을 4, 5, 6까지 확장해도 마찬가지지만 10차원의 공간에다가 추가로 1차원의 시간을 고려하면 마침내 제대로 적용된다는 점이다.
이 점이 바로 “우리의 세계는 보이는 것보다 실제로는 더 많은 차원이 존재한다”는 (끈 이론의 핵심이 되는) 5차원의 시공간을 주장한 칼루자-클레인 이론(Kaluza–Klein theory)[8]으로 연결된다.[9]
태초의 고요한 움직임 빅뱅부터 춤추는 실 입자까지의 이야기를 정리하면 우주 만물은 다음과 같은 계층 구조를 가지고 있다.
특이점[무無] – 대폭발과 급팽창[최초의 운동] – 우주[시간, 공간, 에너지] – 물질[우리를 포함해 존재하는 모든 것] – 분자[수소, 탄소 등] – 원자[전자, 핵] – 핵[중성자, 양성자] – 양성자[쿼크] – 쿼크[현재까지 증명된 사실, 인류가 알고 있는 더 이상 나눌 수 없는 물질] – 끈[진동하는 끈]
나는 여기서 인간이 이제껏 이룩해 놓은 과학과 종교를 통틀어서 가장 멋진 아이디어를 하나 이야기하고 싶다. 그 아이디어는, 심장 박동에 박차를 가할 만큼 생소하고 등골이 오싹하게 우리를 떨게 하며 온몸에 묘한 전율을 자아내기에 충분하다.
그렇지만 단 한 번도 검증된 적이 없고 어쩌면 영원히 검증될 수 없는 성질의 것인지 모른다. 그것은 '우주들'이 끝없이 이어지는 '계층 구조階層構造, hierarchy of universe'를 이루고 있다는 것이다.
이 아이디어에 따르면 전자 같은 소립자도 그 나름의 닫힌 우주이다. 그 안에 그 나름의 은하들이 우글거리는가 하면 은하보다 작은 구조물들도 있고 또 그들의 세계에 맞는 소립자들이 존재한다.
어디 그뿐인가. 이 소립자들 하나하나도 역시 또 하나의 우주이다. 이 계층 구조는 한없이 아래로 내려간다. '우주들의 계층 구조'가 이렇게 아래로만 연결되라는 법도 없다. 위로도 끊임없이 연결된다.
우리에게 익숙한 은하, 별, 행성, 사람으로 구성된 이 우주도, 바로 한 단계 위의 우주에서 보면, 하나의 소립자에 불과할 수 있다. 이러한 계층 구조는 무한히 계속된다. 아, 내 사고의 흐름을 절벽 같은 것이 가로막고 있는 듯하다.
- 칼 세이건의《코스모스》중에서[10]
우주가 위계적 계층을 가지고 있는 것처럼 생명 현상도 다양한 생명체들에 의한 위계적 계층을 가지고 있다. [이미지 출처: 구글]우리가 바라보는 우주가 (우주의 관점에서 보면 소립자인) 은하, 별, 행성들로 이루어져 있고, 그 행성들이 위계적 계층을 가지고 있는 것처럼 생명 현상도 다양한 생명체들에 의한 위계적 계층을 가지고 있다.
이 위계적 계층이라는 개념은 ‘존재론’으로 유명한 독일의 철학자 니콜라이 하르트만(Nicolai Hartmann, 1882-1950)에 기원을 둔다. 그는 저서《실제 세계의 구조》를 통해 단지 생물만이 아니라 세상에 모든 존재하는 것에는 위계질서가 있음을 주장했다.
앞선 글 <운동 안내서 - 질서와 무질서: 존재의 근원인 에너지 법칙>에서 이야기했듯이, 만약 인체를 구성하는 수십 조 개의 세포들이 저마다 흩어져서 무질서하게 존재한다면 인체는 형체 없는 덩어리에 불과할 것이다. 그러나 이 세포들은 정교한 질서 체계를 유지하고 있으며 계층화된 다단계 구조 속에 자리 잡고 있는데, 이 체계화된 구조가 바로 활발히 활동하는 인간이다.[11]
계층이란 곧 경계이기도 하다. 그리고 가장 큰 경계는 삶과 죽음 사이에 있는 게 아닐까? 그것은 곧 ‘우리는 어디서 왔고 어디로 가는가’라는 명제가 뜻하는 경계와 일치한다. 생명체의 계층 구조는 다음과 같다.[12]
[우주 – 은하단(초은하단?) – 은하군(은하단?) - 은하(약 2조 개[13], 우리은하) – 태양계(1개의 항성과 8개의 행성) – 항성(태양) – 행성(지구)] – 사회[한국인] – 공동체[학급, 가족] – 유기체[인간] – 계통[근골격계 등] – 조직[근육 등] – 세포구조[염색체] – 거대분자[유전자] – 분자[물] – 원자[수소] – 기본입자[전자]
뿐만 아니라 인간의 욕구 또한 위계적, 계층적 질서가 존재한다. 하위 단계의 욕구 충족이 상위 계층 욕구의 발현을 위한 조건이 된다는 욕구 단계 이론이 그것인데 심리학자 에이브러햄 매슬로(Abraham Harold Maslow, 1908-1970)가 제안해 ‘매슬로의 동기 이론’이라고도 한다. 구조는 다음과 같다.
[생리적 욕구 - 안전의 욕구 - 애정과 소속의 욕구 - 존경의 욕구 - 자아실현의 욕구]
이렇게 부분들이 모여서 전체가 되고, 전체가 부분으로 분해된다. 그런데 부분들이 모여서 어떻게 전체가 되는지 인류는 아직 모르고 있다. 모든 것을 다 아는 사람도 없으며, 가장 위대한 천재들도 실수하게 마련이다.
본질은 끝없는 움직임
우주도 당신의 몸도 여러 계층으로 이루어져 있고, 각 계층은 분자들로, 분자는 다시 원자들로 구성돼 조화로운 질서를 보여준다는 건 알고 있다. 그 작은 부분들이 상호 작용하면서 궁극적으로 우주와 몸을 구성하고 있다는 사실만 알고 있을 뿐, 어떻게 그렇게 되는지는 모른다.
정말 춤추는 에너지 실이 만물을 이루는 단 하나의 진정한 기본입자인지, 그것이 맞는다면 어떻게 상호작용하고 우리가 보지 못하는 차원을 만드는지 우주와 몸은 알고 있겠지만, 인류는 추측만 할 뿐 여전히 모르고 있다. 그래서 인류가 끊임없이 하나의 통합된 만물의 이론을 밝혀내려고 탐구하는 것인지도 모른다.
물질의 역사는 가장 작은 입자가 더 이상 발견되지 않을 때까지, 또 그 입자들로 이루어진 새로운 원소를 더 이상 만들어내지 못할 때까지 계속되고 있고 앞으로도 이어질 거예요. 새로운 것에 도전하는 인류의 열망이 사그라지지 않는 한 말이에요.
- 1962년 노벨 물리학상 수상자 장 바티스트 페랭Jean Baptiste Perrin, 1870-1942
비록 우리의 감각기관으로 파악되지 않는다고 해도, 우주에서는 모든 것들이 서로 연결되어 있다. 우리는 미시 세계와 거시 세계에서 울려 퍼지는 리듬과 조화를, 원자적 수준의 운동과 우주적 수준의 운동을 연결해주는 바로 그 사람들일 수는 없을까?[14] 그것이 인류에 내재된 ‘온전함에 이르려는 욕망(Ganzwerdenwollen)’[15]
이자 이 지구별을 여행하는 호모 사피엔스 후손들의 목적이 아닐는지(영화《어벤져스》시리즈가 광활한 우주와 다중우주 그리고 양자 세계를 다루는 것이 아마도 그런 이유이지 않을까).
몸 그리고 삶의 본질은 끝없는 움직임 [이미지 출처: 구글]결국 만물은 끝을 알 수 없는 공간 속 서로 이어지는 계층 구조이며, 시작과 끝이 한 점에서 만나게 되어 있다. 마치 시간과 공간 그리고 물질과 에너지가 상대적으로 같은 물리량인 것처럼, 무에서 시작해 유를 지나 다시 무가 되는 것처럼 말이다. 그 여정의 모든 순간을 채우고 있는 것은 춤추는 에너지 실처럼 ‘끝없는 움직임’일 것이다.
왜 우리가 춤추고 노래하며 움직이면 몸과 마음이 좋아지는지 보이지 않는 입자를 통해서도 배울 수 있다. 인간이라는 생명은 우주를 담고 있기 때문이다. 철학자 앨런 와츠(Alan Watts, 1915-1973)의 말처럼
우리는 우주다. 우리의 눈을 통해 우주는 우주를 바라보고, 우리의 귀를 통해 우주는 우주를 듣는다. 우리는 우주가 우주 자신의 장엄함을 인지할 수 있게 해주는 관찰자들
인지도 모른다.[16]
원문: [운동 안내서] 춤추는 에너지 실 - 운동하는 입자
■ 다음 연재 글: <운동 안내서>는 매주 1회 업데이트됩니다.
1부 – 안내서에 대한 안내서: 움직인다는 것
1장. 움직인다는 것_태초에 움직임이 있었으니
시작은 Movement
• 무無의 움직임: 춤추는 무無
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참고 문헌
[1] p10, 전자책, 커트 스테이저의《원자, 인간을 완성하다: 인간과 지구, 우주를 창조한 작지만 위대한 원자들》중에서
[3] 저자 주: 원제는《The Elegant Universe》인데 한국어판은 발음 나는 대로 써《앨리건트 유니버스》라고 되어 있다.
[4] 브라이언 그린의 ‘초끈 이론’ 테드 강의 https://goo.gl/me86bH
[5] p230, 전자책, 크리스토프 갈라르의《우주, 시간, 그 너머: 원자가 되어 떠나는 우주 여행기》중에서
[6] 저자 주: 다중우주란 똑같은 전체 우주에 속해 있으면서도 별개의 존재로 분리되어 있어서 서로 통신이 불가능한 여러 우주로 구성된 우주를 말한다. 마치 거품들이 맞닿아 있는 형태로 존재한다고 본다.
[7] 저자 주: 초대칭성이란 보손과 페르미온 사이의 대칭성을 말한다.
[8] 시공간이 5차원이라는 이론으로 독일의 수학자이자 물리학자인 테어도어 칼루자(Theodor Franz Eduard Kaluza)와 스웨덴의 이론물리학자인 오스카르 클레인(Oskar Benjamin Klein)이 제안했다.
[9] 브라이언 그린의 ‘초끈 이론’ 테드 강의
[10] p531-532, 칼 세이건의《코스모스》중에서
[11] p24, 앨리스 로버츠의《인체 완전판: 몸의 모든 것을 담은 인체 대백과사전 2판》중에서
[12] p295-296, 에른스트 페터 피셔의《또 다른 교양: 교양인이 알아야 할 과학의 모든 것》중에서
[13] <우주 은하 수, 알려진 것보다 훨씬 많은 2조 개> 사이언스온, 2016.10.4
[14] p142, 세계의 조화, 에른스트 페터 피셔의《또 다른 교양: 교양인이 알아야 할 과학의 모든 것》중에서
By 푸샵 이종구: <남자들의 몸 만들기, 2004> 저자
·자격사항: 개인/임상/재활 운동사, 미국체력관리학회 공인 퍼스널 트레이너(NSCA-CPT), NSCA-스포츠영양코치, 국가공인 생활스포츠지도사2급, 퍼스널 트레이너2급, 웃음치료사2급, 바디테크닉 수료
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