Brain Cox가 말하는 CERN(유럽핵물리입자연구소)의 대형 강입자 가속기(LHC)

이건 대형 강입자 가속기 입니다. 둘레가 27킬로미터에 달하지요 이건 지금껏 벌어진 모든 과학실험중 가장 큰 것입니다. 만명이 넘는 물리학자와 엔지니어들이 전세계 85개의 국가에서 와서 수십년동안 같이 이 기계를 만들었습니다. 우리가 하려는 것은 양성자를 가속시키는 겁니다. 그러니까, 수소 원자핵(양성자)을 빛의 속도의 99.999999 %에 가깝게 말이죠. 이해가 되십니까? 그 속도로 양성자들은 저 27 킬로미터 길이를 1초당 11,000번 회전합니다. 그리고 우리는 그것들을 다른 방향으로 진행하는 양성자 빔과 충돌시킵니다. 우리는 그것들을 거대한 검출기 안에서 충돌시키는데요.

검출기는 디지털 카메라와 마찬가지로 동작합니다. 그리고 바로 이것이 제가 작업하고 있는 ATLAS입니다. 이것이 얼마나 큰지는 저 아래의 EU 표준 크기의 인물그림을 참고하시면 짐작하실수 있을듯 합니다.

(웃음)

이제 이게 얼마나 큰지 아실겁니다. : 실제 너비가 44미터 정도 되구요 22미터 직경에 7,000톤의 무게를 지니고 있습니다. 그리고 우리는 특정한 조건들을 만들어 내는데 이는 우주가 시작된지 10억분의 1초보다 짧은 시점을 만들어내는 것입니다. 초당 6억번이 넘도록 검출기 안에서 말이죠. 엄청난 횟수죠. 그리고 저 금속 부품들은 거대한 자석들로서 대전된 입자들을 휘게 만들어 입자들의 속도를 측정할 수 있게 해줍니다. 이건 약 1년전 사진이구요. 그 자석들은 저 안에 있습니다. 그리고 또 EU 표준 크기의 사람을 볼수 있네요, 따라서 여러분은 이게 얼마나 큰지 짐작할수 있을겁니다. 그리고 저 안에서 작은 빅뱅들이 일어나게 됩니다. 올해 여름쯤 말이죠.

그리고 사실 오늘 아침에 이메일을 받았는데요. 오늘 방금 끝냈답니다. ATLAS의 마지막 부품을 조립하는걸 말이죠. 그래서 오늘부로 ATLAS의 조립이 끝났다는 것을 우연스럽게도, TED에서 처음 밝히게 되었음을 알려드립니다.

(박수)

이 얼마나 대단한 성과입니까! 그럼에도 "왜 그게 대단한 건가요?" 라고 궁금해하실것 같군요. 왜 우주가 시작된지 10억분의 1초에 해당하는 그런 조건들을 만들어 내는 걸까요? 글쎄요, 입자물리학자들은 열정을 빼면 시체에요. 입자물리학자의 목표는 만물이 무엇으로 만들어져 있고 그것들이 어떻게 상호작용하는지를 알아내는 것입니다. 그리고 당연하겠지만 이 "만물" 이라는 것엔 여러분과 저, 지구, 태양, 은하에 있는 수천억개의 태양들 그리고 관측할수 있는 거리에 있는 수천억개의 은하들도 포함됩니다. 만물 그 자체인거죠.

혹시 여러분은 이렇게 물어볼수도 있죠 : "어쨋든 알겠습니다, 근데 왜 그냥 관찰하면 안되죠?" "만일 내가 뭘로 이루어졌는지 알고 싶다면 그냥 저를 관찰하면 될꺼 아닙니까?" 자, 과거로 돌아갈수록 우주는 뜨거워지고 뜨거워지고, 빽빽해지고 빽빽해지고, 단순해지고 단순해집니다. 지금 이런 사실을 꼭 알아야 할 필요는 없습니다. 하지만 (사실이)그럴수도 있다는 거죠. 그렇기 때문에, 우주는 시작된 시점으로 돌아갈수록 매우 간단하고 이해하기 쉽다고 믿습니다. 모든 복잡한, 예를들어 인간 두뇌같은 대단한 것들은 모두 오래되고 차갑고 복잡한 우주의 산물입니다. 저희는 초기의 10억분의 1초로 시간을 돌렸을 때 그때의 우주는 매우 단순했다고 믿습니다.

(비유를 들자면) 그건 이런거죠 ... 손안에 눈덩이가 있다고 생각해 보세요. 그 눈덩이를 들여다 보면 그건 놀라울정도로 복잡하고, 아름다운 물체입니다. 하지만 여기에 열을 가하면 그건 한줌의 물로 변해버리게 되죠, 그리고 여러분은 이것이 그저 단순히 H2O = 물로 만들어진 것이라는걸 알게 됩니다. 이와 같은 생각으로 시간을 되돌려 우주가 과연 무엇으로 만들어져 있는지 이해하려는 것이죠. 오늘날, 우주는 이러한 것들로 만들어져 있습니다. 단지 12개의 입자들로 말이죠, 자연의 4가지 힘으로 결합되어서요. 쿼크, 이 핑크색 물체들은 양성자와 중성자를 만들어 냅니다. 그리고 여러분 몸 속의 원자핵을 만들어 냅니다. 전자, 그러니까 원자핵의 주변을 도는 이것은 전자기학적 힘에 의해 궤도에 잡혀 있습니다. 이 전자기학적 힘은 광자에 의하여 운반됩니다. 쿼크들은 글루온이라는 입자들을 통해서 서로 붙게 됩니다.

그리고 이것들은, 약한 핵력이라고 불리는 것입니다. 아마도 거의 처음 들어보셨을 겁니다. 하지만 이것들이 없이는 태양이 빛나지 못해요. 태양이 빛나면, 엄청난 양의 뉴트리노라 불리는 것들이 쏱아져 나옵니다. 실제로, 여러분의 엄지 손톱을 바라보면 약 1 제곱센티미터 쯤 되죠. 초당 600억개의 뉴트리노가 태양에서 날아와 그 1 제곱미터 면적의 손톱을 통과해 나가게 되죠. 하지만 당신은 그것들을 느낄수 없어요. 왜냐면 그것들의 힘이 약하기 때문이죠. 마치 약력이라고 이름 지어진 것처럼요. 아주 짧은 범위에다 매우 약하죠, 그렇기 때문에 그것들은 그냥 여러분을 통과해 지나갑니다.

이런 입자들은 약 한세기 전쯤에 발견되었어요. 첫번째 것인 '전자'는 1897년에 발견되었구요, 그리고 마지막 것인 '타우 뉴트리노'는 2000년에 발견되었죠. 사실 방금 막 저는 시카고의 길 위를 이야기 하려 했었습니다. 미국은 정말 큰 나라죠. 그렇지 않나요? 길 위 라구요. 우주와 비교해 본다면 미국은 그냥 길위의 한점일 뿐이죠.

(웃음)

그리하여, 이것은 2000년에 발견되었습니다. 그래서 이 그림은 비교적 매우 최근의 것이죠. 제가 찾아낸 것중에 확실히 놀라운 이것이 얼마나 작은것인지 여러분이 알게 된다면 정말 놀랄겁니다. 여러분들이 아시듯, 그것 (뉴트리노)의 크기는 전체 관측 가능한 우주의 크기에 비해 매우 작죠. 무슨 말이냐면 1000억개의 은하, 137억 광년이나 떨어진 은하들의 크기와 몬터레이(TED개최지)의 크기의 차이는 사실 몬터레이와 뉴트리노 입자들의 크기의 차이와 대략 같죠. 확실히, 우리들은 정교하고 치밀하게 지금껏 대부분의 입자들을 발견해 왔습니다.

그리하여, 저의 가장 존경하는 맨체스터 대학의 선배, 어네스트 러더포드 - 원자핵을 발견한 이분은 이렇게 말씀하셨죠, "모든 과학은 물리학이거나 또는 우표 수집이다." 저는 그의 말이 다른 과학분야에 대한 모독이 아니라고 생각합니다. 비록 그가 뉴질랜드에서 왔다고 하더라고요, 뭐 아닐수도 있지만요.

(웃음)

하지만 그가 말한것이 우리가 지금껏 해온 것입니다, 정말로요. 그러니 우표 모으기 같은 것이지요. 자, 우리는 이제까지 입자들을 발견해 왔습니다, 하지만 여러분이 숨겨진 패턴 : "도대체 왜 그것들이 그렇게 만들어 졌나?" 를 이해하기 전까진 정말로 여러분들은 우표수집을 한겁니다. -- 과학을 한 것은 아니죠. 다행스럽게죠, 우리는 20세기의 최대 과학적 성과를 이 패턴을 밝혀 냄으로서 이루었죠. 이건 뉴턴의 법칙입니다. 만일 여러분이 입자 물리학을 필요로 한다면. 이건 "표준모형" 이라고 불리죠 -- 아름답게도 간단한 수학공식이죠. 여러분은 이걸 T셔츠에 엘레강스함의 상징이라고 붙이고 다닐 수 있어요. 바로 이겁니다.

(웃음)

제가 좀 지나치긴 했습니다. 왜냐면 제가 이 공식을 아주 자세한 부분까지 전개했기 때문이지요. 그럼에도 불구하고 이 공식은 여러분에게 모든것을 계산할수 있게 해줍니다. 중력을 제외한 우주에 일어나는 모든 것들요. 그리하여 여러분이하늘이 왜 파란지, 원자핵들이 왜 서로 결합하는지 알고 싶다면. 기본적으로, 당신이 충분히 큰 컴퓨터를 지니고 있다면. 왜 DNA가 그렇게 생겼는지 알고 싶다면. 대체로 이 공식을 계산함으로서 알아낼 수 있습니다.

하지만 여기엔 문제가 있어요. 그게 뭔지 아시겠어요? 누구든지 이해할수 있도록 정말로 제가 이걸 쉽게 이야기 해드리죠, 이중 한 줄을 확대해서요. 보통, 이 부분들은 어떤 입자를 의미합니다. 그래서 저 "Ws"들은 "W"로 불리고, 어떻게 같이 붙어 있는지 설명합니다. 약력을 운반하는 "Zed"도 역시 마찬가지지요. 하지만 여기엔 추가적인 "H"라는 기호가 있는데요. 예, "H" 요. "H"는 힉스입자를 의미합니다. 힉스입자는 아직 발견되지 않았어요. 하지만 필요하죠. 그 힉스입자들은 저 수학공식이 유효하기 위해서 필요합니다. 그리하여 우리가 저 멋진 공식을 가지고 수행할수 있는 모든 명확하고 세밀한 계산들이 저 한개(힉스) 없이는 불가능하죠. 그래서 예상하는 겁니다. 새로운 입자(힉스입자)가 존재한다구요.

그럼 이게 뭘 하는걸까요? 자, 좋은 설명을 하기 위해서 좀 옛날 이야기를 해야 겠군요. 1980년대로 돌아가서, 저희는 LHC를 건설하기 위해서 영국 정부에 자금지원을 요청했습니다. 그때 당시에 마거릿 대처(당시 영국수상)이 이렇게 말했습니다. 만약 당신들이 정치가들이 이해할수 있는 언어로 당신들이 뭘 할려고 하는지 설명할수 있다면 자금을 지원해 주겠다. 나는 도대체 힉스입자가 뭔지 알고 싶다." 우리는 적당한 비유를 하나 생각해 냈고, 이게 먹혀들어갔습니다. 자, 힉스입자가 뭘 하는거냐면 기초 입자에 질량을 주는 겁니다. 전체 우주를 함 그려보세요. 그냥 우주뿐만 아니라 당신 내부도 포함해서요. 전체 우주는 힉스장이라 불리는 것으로 채워져 있죠. 그러니까 힉스입자들로요.

사람들이 들어있는 방을 한번 빗대어 보죠 사람들은 힉스 입자라 생각하구요. 이제 입자가 우주를 지나가면 이런 힉스 입자들과 상호작용을 하게 됩니다. 하지만 생각해보세요. 누군가 별로 유명하지 않은 사람이 방을 지나가면 모두가 이를 무시하죠. 그래서 그들은 방을 매우 빨리 지나갈수 있습니다. 거의 빛의 속도에 맞먹게 말이죠. 이것들은 질량이 없는거에요. 그리고 누군가 엄청 중요하고 유명하고 똑똑한 사람이 방으로 걸어들어온다고 생각해보세요. 그들은 사람들에게 둘러 싸이게 됩니다. 그리고 그들이 지나갈 길은 방해되죠. 이건 그것들이 무거워 지는것과 마찬가지입니다. 그것들은 질량을 가지게 되죠. 그리고 그게 힉스 매커니즘이 동작하는 방식입니다. 이 그림은 전자와 쿼크, 여러분의 몸속에도 있고 우리 주변에도 있는 그것들이 무겁다는것을 그리고 질량이 있다는 것을 시사합니다. 왜냐면 이것들은 힉스 입자로 둘러싸여 있기 때문이죠. 그것들은 힉스장과 상호작용하게 되는 겁니다.

이 가정이 사실이라면, 우리는 LHC를 통해서 이 힉스입자들을 발견해 내야되고. 만일 사실이 아니라면, 이 (질량생성)매커니즘은 꽤 복잡하기 때문에 비록 그것(힉스장)이 우리가 생각할수 있는 가장 간단한 방법이라고 해도 힉스 입자가 무엇을 하는지는 LHC에서 우리가 밝혀내야 할 것들입니다. 그리하여 그것이 우리가 이 거대한 기계를 만들어야 하는 첫번째 이유이지요. 여러분이 마거릿 대처를 알아보시다니 다행이네요. 사실, 저는 이것을 좀더 그럴싸하게 만들려고 했는데요, 하지만... (웃음) 어쨌든. 그래서 그것이 LHC가 무엇을 찾아 낼것인지를 확실히 보장하는 것이지요.

여기엔 다른 많은 것들이 있습니다. 여러분이 들어왔듯이 입자물리학에서는 많은 큰 문제들이 있지요. 그중에 하나가 바로 암흑물질, 암흑 에너지일 것입니다. 여기엔 또다른 이슈가 있는데요, 실제로도 자연의 힘은 꽤 아름답죠. 과거로 돌아갈수록, (자연의)힘들은 그 세기가 변화하는 것처럼 보이죠. 그러니까, 그 힘들의 세기가 변화하죠. 따라서, 우리의 몸을 구성하는 원자들을 하나로 묶어주는 전자기력이 온도가 올라갈수록 강력해집니다. 강력한 힘, 즉 핵들을 묶어주는 강한 핵력이 약해집니다. 그리고 여러분이 보는 표준모형 - 여러분은 이제 이러한 변화들을 계산할수 있죠 - 이 힘들 - 중력을 제외한 나머지 3개의 힘들이 거의 하나로 뭉치는 것처럼 보입니다. 마치 하나의 초강력한 힘이 존재하는 것처럼요, 시간이 시작될 때 말이죠. 하지만 금방 없어지죠.

이제 초대칭이라는 이론이 있습니다. 표준모형의 입자의 수를 두배로 늘리는 것이죠. 딱 봐서는 전혀 간단해 보이지 않지요. 하지만 실제로, 이 이론을 통해서, 우리는 자연의 힘들이 빅뱅 때에는 하나로 통일되어 있는 것으로 알 수 있었습니다. 정말 아름다운 예측이죠. 이 모델은 이것때문에 만들어지진 않았지만, 마치 그렇게 하는것처럼 보이죠. 게다가 이 초대칭 입자들은 굉장히 강력한 암흑물질 후보입니다. 그래서 이건 굉장히 앞선 이론이자 진짜 주류 물리학이죠. 그리고 만일 제가 돈을 건다면, 저는 - 좀 매우 비 과학적인 방법이지만 - 이러한 초대칭 입자들이 LHC에 잡힐것에 걸겠습니다. 다른 많은 것들도 LHC가 발견해 낼 수 있습니다.

하지만 마지막 몇분동안, 저는 여러분에게 저의 입자 물리학과 우주론에 대한 다른 생각을 보여드리고 싶습니다. - 입자 물리학이 진짜 저에게 어떠한 의미인지요- 입자 물리학과 우주론은 우리에게 멋진 나레이션을 떠올리게 합니다. 여러분이 좋아하는 창조 이야기, 우주의 창조 이야기, 이것들은 현대 과학에서부터 이후 수십년 동안의 연구에서 나온것이지요. 그리고 이것이 이런 가치가 있다고 생각합니다. 즉, 웨이드 데이비스의 정신에 기초하여, 적어도 이러한 창조에 대한 이야기를 높은 안데스와 얼어붙은 북구의 사람들에게도 전해야 한다고요. 이 창조 이야기는 제가 생각하기엔 기적과도 같다고 생각합니다.

이이기는 이런식으로 흘러갑니다 : 우리는 우주가 137 억년전에 생겼고, 엄청나게 뜨겁고, 빽빽한 상태였으며, 한개의 원자보다도 훨씬 작은 상태였다는 것을 압니다. 우주는 커지기 시작했었죠 약 수 백만의 억 억 억 억 분의 일초후 - 제 생각이 옳다면 - 빅뱅후에 말입니다. 중력이 다른 힘들에서 분리되어 나왔고 우주는 인플레이션이라 불리는 기하급수적인 확장을 시작했죠. 약 수억분의 일초가 시작될 쯤에는 힉스장이 생성되고, 쿼크와 글루온들과 전자들이 생겨 우리들이 질량을 가지도록 해주죠. 우주는 계속 커지고 차가워지죠. 약 수분이 지난 후에, 수소와 헬륨이 우주에 생겨나죠. 그게 전부입니다. 우주의 약 75퍼센트가 수소이고, 25퍼센트가 헬륨입니다. 지금도 그렇습니다.

우주는 지속적으로 커졌습니다. 약 3억년 동안 말이죠. 그리고 나서 빛이 우주를 돌아다니기 시작했습니다. 우주가 충분히 커져서 빛이 돌아다닐수 있을만큼 투명해졌기 때문이죠. 그리고 그것이 우리가 우주 배경 복사라 부르는겁니다. 조지 스무트가 신의 얼굴이라고 이야기 한 것이지요. 약 4억년 후에 첫번째 별들이 생겨났지요. 그리고 수소와 헬룸이 합쳐지면서 좀 더 무거운 원소들이 생겨나기 시작했습니다. 그리하여 우리가 생명을 이루는 원소들 -- 탄소, 산소 그리고 철등 우리를 구성하는 모든 원소들이 이러한 첫 세대의 별에서 만들어졌습니다. 그리고 별의 연료가 소멸되자, 폭발하면서 이러한 원소들을 다시 우주로 뿌렸죠. 이 원소들은 다시 다른 별들과 행성들을 생성하면서 뭉쳤습니다.

그리고 이들 몇몇의 행성들에는 초기에 생성된 별에서 만들어진 산소가 수소와 융합하여 물을 만들어 냅니다. 표면에 물이 흐르게 되죠. 이런 행성중에 적어도 하나, 또는 정말 한개의 행성에서, 초기의 생명이 진화합니다. 이 생명은 수백만년에 걸쳐 두발로 걸을 정도의 존재로 진화하여 발자국을 남깁니다. 약 3백 5십만년 전의 탄자니아의 진흙밭에 말이죠. 그리고 나아가 다른 세상에 발자국을 남깁니다. 그리고 이 문명을 만들어 냈죠. 여기 멋진 그림이 있습니다. 어둠을 빛으로 바꿈으로서 우리는 우주에서 문명을 바라볼수 있게 되었죠. 저의 위대한 영웅중 한 사람인 칼 세이건이 말하길, "이것들이 그것이다."라 했습니다. 그리고 정말로, 오직 이것들 뿐만이 아니라, 제 주변의 이것들이 정말 "그것"(수소에서 이뤄진 것들)입니다. 새턴 V 로켓이나, 스푸트니크 DNA, 그리고 문학과 과학 이러한 것들이 수소원자들이 이뤄내는 것들이지요. 137억년전에 만들어진 수소원자들이요.

정말로 놀라운 일이자 물리의 법칙 이지요. 그렇지 않습니까? 그리하여, 올바른 물리의 법칙들이 아름답게 균형을 이루고 있지요. 만일 약력이 약간만 달랐다고 한다면, 탄소나 수소는 안정되지 못했을 겁니다. 별의 심장속에 있는 것들이요, 그리고 우주에는 무엇도 존재할수 없었을 겁니다. 그리고 저는 그러한 것, 그러한 사실이 놀랍고 멋지다고 생각합니다. 50년전에 이러한 이야기를 할 수 없었습니다. 왜냐면 잘 몰랐으니까요. 제게 이건 이런 느낌을 줍니다. 저 문명이 - 제 말처럼, 만일 여러분이 이런 과학적 창조론을 믿는다면 - 그러니까 문명이 물리법칙의 결과로서 순수하게 등장했으며 몇개의 수소 원자를 바탕으로 한 것들이라는 것을 믿는다면 그렇다면, 저로서는 어찌되었든, 매우 큰 보람을 느낄 것입니다.

이제, 저것이 LHC입니다. LHC가 올 여름에 동작하게 되면 책(역사)의 새로운 페이지를 쓰게될 것입니다. 그리고 저는 매우 흥분된 상태로 LHC가 가동되기를 손꼽아 기다리고 있습니다. 감사합니다.

(박수)