“조금,아주조금과장해서,
대칭이빠진물리학은아무것도아니다.”
─필립앤더슨,노벨물리학상수상자
우리는대칭에서아름다움을느낀다.타지마할의좌우대칭,도자기의회전대칭,화장실타일의이동대칭에서아름다움을느낀다.물리학자들도다르지않아서,마치물고기들이짝짓기대상으로대칭적인몸을가진물고기를선호하는것처럼,대칭성을지닌물리법칙을선호한다.하지만물리학자들은더집요해서,물리법칙이대칭성을가지고있어야만한다고믿는다.
물리학자들이이토록숭배하는대칭들가운데하나가바로거울대칭이었다.말하자면,물리학자들은자연이왼쪽과오른쪽을차별하지않아서,왼쪽으로일어나는일은‘모두’오른쪽으로도일어날수있다고아주굳게믿었다.예를들어,곧게뻗지않고왼쪽으로조금뒤틀려자란나무를사진기로찍어보자.그리고누군가에게나무가찍힌사진을보여주면,그는그사진이원본인지좌우를반전시킨사진인지결코알수없다.자연에는왼쪽으로뒤틀린나무만큼이나오른쪽으로뒤틀린나무도많기때문이다.
그러나1956년에이르러,상황이급격하게바뀌었다.물리학자들이작은입자를관찰하다,중성미자라는입자가오직왼쪽으로만돌아간다는사실을발견한것이다.거울대칭이깨진것이다.이는우주가근본적인수준에서비대칭적이고자연이왼쪽과오른쪽을차별한다는것을뜻하기에,볼프강파울리가다음과같이경악하도록만들었다.“신이왼손잡이라니!”
파울리의말대로,자연은정말로왼쪽과오른쪽을차별하는왼손잡이일까?“왼손과오른손을구별하는것은세상에서가장재미있는게임중하나이므로,읽는이들은스포일러를보지않고책의논리과정을따라가며스스로답을찾아내기를바란다.(…)무엇보다도이책의결론은(『마틴가드너의양손잡이자연세계』에실린)가드너의결론과다르므로비판적으로읽어주기를바란다.”
대칭부터전기와자기까지,
약한상호작용부터끈이론까지
왼쪽과오른쪽을구별하다보면,
현대물리학이보인다!
이상하게들릴지모르겠지만,이책의목표는왼쪽과오른쪽을구별하는것이다.1964년에,마틴가드너는왼쪽과오른쪽을구별하는문제에‘오즈마문제’라는이름을붙이고이를더구체적인질문으로만들었다.“펄스신호로전달할수있는언어로왼쪽이라는뜻을전달하는방법이있을까?이때신호를받는이들이실험을통해알아낼수있도록,어떤말로든알려줄수있다.단,하나의조건이있다.우리와그들이공통적으로알고있는비대칭물체나구조가없다는것이다.”
문제는,왼쪽을설명하는물음이풀릴듯풀리지않아“정말뇌가근질근질해서미치게”만든다는것이다.예를들어,알파벳L의비대칭성을이용해오른쪽을알려주고,그반대방향을왼쪽이라고설명하면풀릴듯하다.
“안드로메다인:나는그글자를몰라.그L이라는글자의모양을설명해줘.
지구인:먼저선분을그리고세로로세워봐.
안드로메다인:응.(‘|’을그리고세운다.)
지구인:그다음이선분아래쪽에짧은획을붙이는데,오른쪽으로뻗어나가도록붙이면돼.
안드로메다인:잠깐만,오른쪽?우리는오른쪽이어떻게정의되는지를이야기하고있었어.”
─본문36쪽
이책은알파벳L뿐만아니라전기의(+)극과(-)극,자석의N극과S극그리고중력으로도왼쪽과오른쪽또는위와아래를구별할수없다는것을보이며,이둘을구별하기위해왜적어도약한상호작용이필요한지를보인다.그럼에도“왼손과오른손의관계는전기와자기의관계에숨어”있기때문에,문제를풀어가는과정에서거울대칭과그밖의다양한대칭들,전하와자하,전기와자기의오른손법칙,마흐의충격,전자와양성자,스핀,벡터와같은여러가지물리적개념들을함께소개하고설명한다.다시말해,왼쪽과오른쪽을구별하는과정에서핵심적인물리개념들을모두이해하게되는것이다.
그러나입자물리학과끈이론을연구하는저자의글답게,이책은1956년의발견에멈추지않고우주의심오한비밀을향해한걸음더나아간다.대칭과깨진대칭이우주및질량의기원과어떻게연결되는지를이야기하고,근본적으로전하가(+)와(-)두가지가아닌한가지일수있는가능성,덧차원의간접적인증거와새로운오즈마문제,과거와미래를뒤집는시간역전대칭에대해“엄청나게독특하고믿을수없게발칙한글”을통해이야기한다.
<본문중에서>
■이상하게들릴지모르겠지만,이책의목표는왼쪽과오른쪽을구별하는것이다.어떻게구별할까?잠시생각해보면,익숙한것같지만이를구별하는것이쉽지않다는것을알수있다.놀라운것은물리학이,오른쪽과왼쪽이어떻게구별되는지를알려준다는것이다.■p.4
■왜대부분의사람들이오른손으로밥을먹을까?둘중하나다.1.잘모르지만이유가있다.지구인들은오른손을더잘쓰도록타고났다.2.이유는없고우연일뿐이다.양손을똑같이쓸수있는데,언제부터인지점점더많은사람들이오른손으로밥을먹어야한다고가르치고배우게되었다.■p.20
■안드로메다인:나는그글자를몰라.그L이라는글자의모양을설명해줘.지구인:먼저선분을그리고세로로세워봐.안드로메다인:응.(‘|’을그리고세운다.)지구인:그다음이선분아래쪽에짧은획을붙이는데,오른쪽으로뻗어나가도록붙이면돼.안드로메다인:잠깐만,오른쪽?우리는오른쪽이어떻게정의되는지를이야기하고있었어.■p.36
■그런데잉크를너무많이묻혀도장을찍으면,앞장에서이야기한데칼코마니가만들어질수있다.다시말해,투표용지를접었을때내가투표하고자하는후보의칸에찍힌잉크가번져다른칸에도장이찍힐수있다.그런일이일어났을때,만약투표도장이그림14에나온모양이라면원래상과뒤집혀찍힌상을구별할수없다.이것들은모두양방향대칭성을가지고있기때문이다.■pp.55-56
■탐정소설의주인공이되어,누군가에게납치되어눈을가린채호텔에들어선다고생각해보자.엘리베이터에서내린뒤에야안대를벗을수있다면,몇층에있는지어떻게알아낼수있을까?눈을뜨고엘리베이터에탄다고해도알수없는상황이있다.엘리베이터안에층표시가없고,엘리베이터밖에도모든층의내부장식이똑같다면,엘리베이터가멈추어문이열려도몇층인지알수없다.(…)이렇게왼쪽,오른쪽,위,아래로직선이동하는것에대한대칭을‘병진대칭’이라고한다.■pp.68-69
■지금까지배운모든것을동원해실험해도,전류가어느방향으로흐르는지알수없다.아쉽게도,전류라는개념을처음정의할때만하더라도‘전기를흐르게만드는것’이무엇인지가밝혀지지않았다.모르는상태에서그렇게약속했을뿐이다.약속:전류는건전지의(+)극에서나와(？)극으로들어가는방향으로흐른다고약속하자.(건전지안쪽에서는건전지의(？)으로들어와서(+)극쪽으로나가야한다.)이렇게약속해도되는가?(…)즉,지금까지이책에서이야기한모든(+)와(-)를바꾸어도이책의내용에는변함이없다!■pp.110-111
■N극,즉위쪽에있던부분은왼쪽으로,S극,즉아래쪽에있던부분은오른쪽으로돌아간다.나침반바늘이한방향으로돌아간것이다.완전히반대방향으로도돌아갈수도있었는데,왜한쪽으로만돌아갔을까?이상한일이다.전류를흘리기전은물론이고,전류가흐르는것자체도좌우를뒤집는작동에대해양방향대칭을가지고있기때문이다.오른쪽으로돌아갈이유가있으면,똑같은이유로왼쪽으로도돌아갈수있어야한다.■p.137
■N극의방향을오른손을사용해외울수도있다.오른손을감아돌아가는쪽을전류가흐르는방향과일치시킨다.그러면엄지손가락방향은N극이가리키는방향이된다.이를‘새로운오른손법칙’이라고부를수도있겠다.중요한것은여기에서는엄지손가락의방향이이전처럼전류가흐르는방향이아니라N극이돌아가는방향이라는것이다.이새로운오른손법칙은앞서보았던오른손법칙과직접적인연관은없다.■p.147
■스핀이있으면,전하가없는입자도마치전하가있는물체가회전하는것처럼자석이생긴다.따라서전기적으로중성인중성자나원자들은작은자석이며,스핀으로만자석의방향이결정된다.이때자석의방향은스핀의방향을통해오른손법칙으로결정된다.스핀을회전이라고생각하고입자가도는방향으로오른손의네손가락을감으면,엄지손가락이가리키는방향이스핀의방향이고,자석의N극방향이다.■p.171
■이제N극과S극을구별하는실험에대해이야기할차례다.이는홀짝성(패리티)이위반되는것과관계가있다.1954년에는많은물리학자들이이른바‘타우-세타문제’를고민하고있었다.타우입자와세타입자는질량과반감기가같은데도다르게붕괴했다.53보통은질량과반감기가같으면같은입자인데,타우입자는세개의파이입자로,세타입자는두개의파이입자로붕괴했던것이다.■p.184
<추천사>
■비밀을숨기는가장좋은방법은무엇일까?에드거앨런포의추리소설「도둑맞은편지」에따르면,비밀을숨기는가장좋은방법은눈에띄기쉬운곳에아무렇지않게드러내놓는것이다.이책은우주의가장근본적인비밀이왼손과오른손을구별하는것에달려있다고말한다.누가왼손과오른손의차이를모를까싶지만이책을읽다보면이질문의깊이에놀라게된다.그리고우주를전혀다른방식으로보게된다.왼손과오른손을구별한다는것은대칭을깬다는것이고,이는다시우주의근본적인작동원리인양자역학의오묘한성질과깊게연결되어있기때문이다.우주의놀라운비밀을발견하고싶은모든사람에게이책을추천한다.
─박권,한국고등과학원교수,『일어날일은일어난다』저자
