새로운 에테르로서의 힉스 장
The Higgs Field as the New Ether
힉스 보존(Higgs boson)이 발견되었다!
힉스 보존이 발견되었다!
도대체 힉스 보존은 무엇이고, 그것은 정말 발견되었으며, 그리고 왜 우리가 신경 써야만 하는가?
힉스 보존은 현재 매우 작은 것들에 대한 최고의 이론으로서의 지위를 유지하고 있는 입자물리학의 표준 모형에서 핵심적인 입자다. 문제는 그 이론이 질량을 지니는 입자들에 질량을 부여하기 위한 필수적인 성분으로서 힉스 보존의 존재를 예측한다는 점이다. 그리고 그것은 수십 년 동안의 탐색 후에도 발견된 적이 없었다.
전자와 양성자 같은 입자들은 질량이 있다. 빛의 양자인 광자 같은 입자들은 질량이 없다. 광자는 물질 입자인 페르미온(fermion)과 대조를 이루는, 본질적으로 에너지 입자인 보존의 일종이다. 힉스 보존이 전자와 양성자 같은 질량이 있는 입자들에 질량을 부여한다. 대체로 이론은 그렇다.
<<뉴욕 타임즈>>에서 데니스 오버바이(Dennis Overbye)는 훌륭한 비유를 제시한다. 힉스 보존과 그것이 만들어내는 힉스 장은 당밀과 비슷하다. 질량이 있는 입자가 그 장을 통과하여 움직일 때, 그 입자는 당밀 속으로 밀려 들어가는 숟가락처럼 느려진다. 힉스 장이 없다면, 입자들은 모두 빛의 속도로 움직일 것이고 아무 질량도 없을 것이다.
그렇다면 2008년에 완결된 수억 달러의 계획인 대형 강입자 충돌기(LHC, Large Hadron Collider)의 유럽 과학자 집단은 정확히 무엇을 발견했는가? 글쎄, 산타바바라 소재 캘리포니아 대학의 물리학자이자 LHC 집단들 가운데 하나의 대변인인 조 인칸델라(Joe Incandela)는, 문자 그대로 수조 개의 데이터 포인트들을 자세히 검토한 후에 힉스 같은 것에 대한 강한 증거가 발견되었다고 발표했다. 많은 방송국들이 잘못 보도했듯이, 이것은 힉스 보존이 발견되었다는 자신 있는 주장이 결코 아니다. 여전히 의심과 해석의 여지가 충분히 있다.
그렇지만, 부가적인 실험들로 줄어들게 될 계속되는 불확실한 점들에도 불구하고, 많은 사람들에게 새로운 발견들은 인간 지성과 국제적인 협력의 힘에 대한 놀라운 입증의 근거를 나타낸다. 나는 이런 주장들에 동의하지만, 힉스 장 논의가 다른 한 시각에서 매우 흥미롭다고 깨닫는다. 힉스 장은 에테르라는 관념을 되살렸다.
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일반적으로 에테르는 플로지스톤 같은 것들과 더불어 과학의 큰 실수들 가운데 하나로 서술된다. 이를테면, 현재 우리는 에테르가 존재하지 않는다고 알고 있다. 아인슈타인이 이 신화를 퇴치했다. 그렇지 않은가? 틀렸다.
메사추세츠 공과대학의 노벨상을 수상한 물리학자 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)은 2008년에 출간된 <<존재의 가벼움: 질량, 에테르, 그리고 힘들의 통일(The Lightness of Being: Mass, Ether and the Unification of Forces)>>에서 이렇게 적고 있다.
"현재 알려진 그 어떤 형식의 물질도 [에테르 역할을 수행하기 위한] 올바른 특성들을 지니고 있지 않다. 그래서 우리는 이런 새로운 물질적 에테르가 무엇인지 정말 모른다. 우리는 그것의 이름은 알고 있다. 이런 착상들의 일부를 선도했던 스코틀랜드 물리학자인 피터 힉스(Peter Higgs)의 이름을 딴 힉스 응축물[또는 힉스 장]이다. 가장 간단한 가능성은 ... 그것이 하나의 새로운 입자, 이른바 힉스 입자로 이루어져 있다는 것이다. 그런데 그 [에테르]는 여러 물질들의 혼합물일 수 있을 것이다. ... 완전히 새로운 입자들의 세상이 발견될 기회가 무르익었으며, 그것들 가운데 몇몇이 힉스 응축물로도 알려진 우주적 초전도체로 결합된다고 추측할 좋은 이유들이 있다."
윌첵이 저술한 책 제목이 시사하듯이, 많은 증거 노선들로부터 그는 그가 에테르, 그리드, 또는 "우주적 초전도체"라고 부르는, 공간을 떠받치는 에테르가 실제로 존재한다고 주장한다.
20세가 물리학의 거의 알려지지 않은 이야기에서 아인슈타인은 1905년에 출판된 특수 상대성에 관한 자신의 획기적인 논문에서 에테르를 "불필요한" 것으로 일축했던 점을 후회했다. 결국 어떤 유형의 (상대론적) 에테르가 이론적으로 필요하다는 점을 깨닫게 될 지경까지 아인슈타인 자신의 생각이 진화했다. 아인슈타인은 이것을 "새로운 에테르"라고 불렀지만, 아래에서 보게 되듯이, 시간이 흐름에 따라 그의 용어는 바뀌었다.
1916년에 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 발표했는데, 그 이론은 공간과 시간에 관해 1905년에 제시되었던 것과는 매우 다른 관념을 주장했다. 일반 상대성에서 공간은 독립적으로 현존하지 않는다. 오히려 공간은 존재론적으로 근본적인 다양한 장들의 결과이다. 그의 획기적인 일반 상대성 논문이 출판된지 얼마 후에 그는 노벨상을 수상한 물리학자이자 아인슈타인의 스승들 가운데 일인인 헨드릭 로렌츠(Hendrik Lorentz)와 에테르라는 주제에 관한 서신을 교환했다. 평생 동안 로렌츠는 실재에 대한 유용한 서술을 위해서 에테르에 관한 어떤 관념이 필요하다고 주장했다. 결국 아인슈타인은 관성과 가속을 설명하는 데 사실상 비물질적인 에테르가 필요하다고 인정했다. 1916년 로렌츠에게 보낸 편지에서 아인슈타인은 처음으로 "새로운 에테르"를 서술했다.
"저는 일반 상대성 이론이 특수 상대성 이론보다 에테르 가설에 더 가깝다는 당신의 말씀에 동의합니다. 그렇지만 이 새로운 에테르 이론은 상대성 원리에 위배되지 않을 것인데, 이 ... 에테르의 상태는 독립적인 운동 상태에 놓인 강체의 상태가 아니라, 모든 운동 상태가 물질적 과정들에 의해 결정되는 위치의 함수일 것이기 때문입니다."
또한 1919년 로렌츠에게 보낸 편지에서 아인슈타인은 이렇게 적었다.
"제가 저의 이전 출판물들에서 에테르의 전적인 비존재를 주장하는 대신에 에테르 속도의 비존재만을 강조하는 것에 한정했었더라면 더 옳았었을 것입니다. 저는 에테르라는 낱말로 공간은 물리적 성질들의 나르개로 간주되어야 한다는 점만을 말한다고 이해할 수 있기 때문입니다."
1916년에서 1918년까지 아인슈타인은 일반 상대성의 견지에서 공간과 에테르의 본성에 관해 많은 동료들과 쉴 새 없이 논의했다. 월터 아이작슨(Walter Isaacson)이 멋진 아인슈타인 전기에서 자세히 설명하듯이, 이 시기 동안 아인슈타인의 생각은 극적으로 바뀌었다. 1918년에 그는 특수 상대성과 일반 상대성에 대한 비판들에 대응하는 글을 발표했다. 이 대화에서 아인슈타인은, 물리학의 "사망자", 즉 "에테르"는 사실상 살아서 잘 지내고 있지만, 그것에 아무 운동도 귀속될 수 없다는 점에서 그것은 상대론적 에테르라고 적고 있다.
1920년에 아인슈타인은 에테르에 대해 더 공감하게 되었고, 에테르가 그 어떤 특수한 준거틀과도 무관하게 가속과 회전이 판정될 수 있는 필요한 매질이라고 명시적으로 인정했다.
"에테르를 부정하는 것은 궁극적으로 텅빈 공간이 무엇이든 그 어떤 물리적 성질도 없다고 가정하는 것이다. 역학의 기초적인 사실들은 이런 견해와 조화를 이루지 못한다 ... 가속 또는 회전이 실재적인 것으로 간주될 수 있으려면, 관찰 가능한 객체들 외에 지각할 수 없는 또 하나의 것이 실재적인 것으로 간주되어야 한다 ... 빛에 관한 기계적 파동 이론의 에테르의 내용과는 대단히 다르지만, 에테르라는 관념은 가지적 내용을 다시 획득했다 ... 일반 상대성 이론에 따르면, 공간은 물리적 성질들을 부여받는다. 이런 의미에서 에테르가 존재한다. 에테르가 없는 공간은 생각할 수 없다. 그런 공간에서는 빛의 전파도 없을 뿐 아니라, 공간과 시간의 표준들(측정하는 막대와 시계)의 존재 가능성도 없으며, 그러므로 물리적 의미에서 그 어떤 시공간 간격도 없다."
거듭해서 아인슈타인은 이 새로운 에테르가 상대론적이라고 강조했다. 아인슈타인은 자신의 경력 대부분 동안 이런 관념들과 씨름했다. 실재론자로서 아인슈타인은 자신의 경력 중후반부 동안 물리학은 참으로 실재적인 것을 서술하고, 간접적인 증거 덕분에 논리적으로 필연적인 듯 보이지만 직접 탐지될 수 없는 개념―에테르 같은―들에 대한 논의를 회피하지 않으려고 시도해야 한다고 주장했다. 그래서 아인슈타인의 경우에, 에테르는 탐지할 수 없는 것으로 간주될지라도, 에테르가 관성, 가속, 그리고 회전을 통해서 관찰 가능한 물질에 미치는 효과 때문에 그것의 존재를 연역했다.
현재 우리는 물론 힉스 장의 형태로 에테르에 대한 일종의 직접적인 증거를 발견하기 시작하고 있는 시점에 있다.
1920년대와 1930년대에 아인슈타인은 공간을 비롯한 모든 것을 "전체 장(total field)"―그의 "새로운 에테르"에 대한 동의어―의 한 표현으로 다시 제시할 통일장 이론을 개발하기 위해 혼신의 노력을 기울였다. 1938년에 출판된 책 <<물리학의 진화(The Evolution of Physics)>>에서 아인슈타인은 이렇게 진술했다. "에테르라는 이 낱말은 과학이 전개되는 동안 여러 번 의미가 바뀌었다. ... 결코 끝나지 않은 그것의 이야기는 상대성 이론으로 계속된다."
현재로 되돌아와서, 유명한 물리학자이자 과학 대중화론자인 로렌스 크라우스(Lawrence Krauss)는 최근에 에테르 개념의 부활을 강하게 뒷받침하는 방식으로 힉스 장 발표에 관해 이렇게 적었다.
"그 무모한 관념은 공간 전체에 퍼져 있는 보이지 않는 장(힉스 장)을 예측하고, 물질의 특성들과 우리의 현존을 지배하는 힘들이 물질이 그 장이 없다면 텅빈 공간인 듯 보이는 것과 갖는 상호작용에서 비롯된다고 제시한다. 힉스 장의 크기나 본성이 달랐더라면, 우주의 특성들은 달랐을 것이고, 그 이유를 궁금해하는 우리는 존재하지 않을 것이다. 게다가, 힉스 장은 겉보기에 텅빈 공간이 우리 현존의 씨앗을 포함하고 있을 것이라는 관념을 확증한다."
요약하면, 힉스 보존에 대한 최근의 증거는 아인슈타인의 "새로운 에테르" 개념을 뒷받침하고, 더 일반적으로 우리의 실재성을 떠받치는 존재의 기반―크라우스가 진술한 대로, "우리 현존의 씨앗"―이 있다는 관념을 뒷받침한다. 이런 존재의 기반은 명백히 직접 탐지할 수는 없지만, 이 데이터가 미래의 실험들에 의해 뒷받침된다면, 힉스 장 같은 발견들을 포함하여, 여러 추리 노선들을 통해서 그것의 존재를 추론할 수 있다.
이것과 관련하여 덧붙이자면, 외관상 텅빈 공간에서 방사되며 우주의 가속적 팽창에 대한 원인이라고 여겨지는 불가사의한 반발 에너지인 암흑 에너지에 대한 최근의 증거는 "에테르로서의 힉스 장"이라는 관념과 멋지게 엮일 수 있을 것이다. [...]