물질 구성 최소단위 ‘쿼크’… ‘진짜 원자’로 증명되기까지[북리뷰]

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■ 세 개의 쿼크
김현철 지음│계단

따지고 보면 원자(原子)는 잘못된 이름이다. 우주를 구성하는 가장 작은 근본 입자는 따로 있었다. 원자는 원자핵과 전자로 나눌 수 있고, 원자핵도 양성자와 중성자로 조합돼 있다. 양성자와 중성자조차, 그보다 더 작은 ‘쿼크’로 구성돼 있다. 쿼크는 현시점 기준으로 ‘진짜 원자’ 즉, 물질 구성의 최소 단위다. 이 책은 쿼크에 닿은 과학자들의 업적뿐 아니라 뒷이야기까지 다룬다.

“이건 솔직히 미친 이야기이겠지만… 그러니까 그 입자를 가상의 쿼크(quirk·기이한 일)라고 부를 수 있을 겁니다.” 쿼크의 존재를 이론으로 증명한 미국의 물리학자 머리 겔만도, 처음에는 ‘기이한 일’이라고 표현했다. 기존 물리학으로는 설명할 수 없었기 때문이다. 겔만은 아일랜드의 대문호 제임스 조이스의 소설 ‘피네간의 경야’ 한 구절에서 작명 힌트를 얻었다. 이 소설에는 “마크 대왕을 위한 3개의 쿼크(quark)!”라는 구절이 나온다. 사전에 없는 철자법으로 적힌 쿼크였고, 소설을 다 읽어도 그 의미가 모호했다. 어째서 3개인지 설명도 없었다.

겔만에게는 오히려 그 점 덕분에 ‘quark’가 눈에 띄었다. 쿼크는 더는 나눌 수 없으므로 ‘크기’라는 물리학의 개념 자체가 적용되지 않는다. 쿼크를 표기하는 데는 전에 없던 철자법이 어울리기도 했다. 또 쿼크가 3쌍으로 존재한다는 점에서, 제임스 조이스 소설 속의 그 구절은 우연치고는 절묘하게 맞아떨어졌다. 겔만도 처음에는 그런 쿼크를 이론으로 증명했을 뿐 실재성은 믿지 않았다. 반면 독일의 실험물리학자 하랄트 프리치는 쿼크의 실재를 믿었다. 그는 겔만과 함께 실험 데이터의 분석을 거듭했다. 쿼크는 양성자 바깥으로 나갈 수 없고, 그래서 우리는 쿼크를 볼 수 없는 것이라는 시각이 제공됐다.

이처럼 저자는 용어의 작명 과정과 그 이론을 정립한 학자들의 이야기를 드라마처럼 펼친다. 이론 물리학자, 실험 물리학자가 서로를 견제하고 참고하며 서로의 연구를 진척시키는 과정을 보여준다. 그 길에서 수많은 이들이 노벨상을 받았다. 일주일 차이로 논문 게재를 늦게 하는 바람에 상을 받지 못한 이들도 언급된다. 물리학 용어가 쏟아지는 책이라고 해도 재미있게 읽을 수 있는 이유다. 저자는 서두에서 ‘우리는 어디서 오는가? 우리는 무엇인가? 우리는 어디로 가는가?’라는 폴 고갱의 그림을 언급한다. 과학자들이 입자를 찾고 그 입자의 입자를 찾는 이유도 그 그림의 제목과 같다. 이 책은 그 길을 지켰던 과학자들에 대한 꼼꼼한 헌사다. 496쪽, 2만6000원.

서종민 기자 rashomon@munhwa.com