[천문학 칼럼 389회] 힉스입자의 허구에 대하여 2편

우주에 관한 왜곡된 정보는 인류사회에 공포와 허무감을 조성하며 막대한 경제적 피해를 끼친다. 그 왜곡된 정보는 과학이라는 명분으로 잘 포장되어 언론을 통해 유포되며, 인류에게 공포와 허무감을 줄뿐만 아니라, 45조원 이상의 막대한 경제적 피해까지 끼치고 있는 것이다. 아울러 그 왜곡된 정보의 비과학적 실체를 밝히는 것은, 인류문명의 완성을 위해 매우 중요하다.

중앙일보에 다음과 같은 기사가 실렸다.

빅뱅 초기 우주가 자몽만 할 때 모든 소립자에 질량 부여

2011년 12월 18일 중앙일보

김제완의 물리학이야기 질량의 원천 힉스입자

(한국과학문화진흥회 이사장)

요즘 ‘힉스입자’가 대서특필되고 있다. 그게 뭐길래 그렇게까지 보도할까. 힉스의 역사는 1960년대로 거슬러 올라간다.
우주는 네 가지 힘으로 움직인다. 첫째가 중력. 뉴턴이 사과 떨어지는 것을 보고 알았다는 그 만유인력이다. 둘째는 전자기력이다. 원자를 묶고 전파를 만들고 번개가 치게 만드는 힘이다. 셋째는 핵력 또는 강한 힘(Strong Force)이다. 원자핵 속의 양성자와 중성자를 묶어 두는 힘이다. 넷째는 동위원소가 붕괴하고 방사선을 내게 하는 약력(Weak Force)이다.
19세기 영국의 물리학자 제임스 맥스웰은 전기·자기 통합이론인 맥스웰 방정식을 만들었다. 자기장 속에서 전압이 발생하고 거기에 전기를 흘리면 주위에 자기장이 생긴다는 데 착안해 ‘전기와 자기는 모습은 달라도 하나의 실체’임을 밝혀냈다. 전기와 자기 이론을 통합해 전자기 이론을 만들어 낸 것이다.
20세기 들어서면서 전자기 이론을 원자에 적용했을 때 이론과 실제 관측 결과가 정확히 맞아 들어간다는 게 확인됐다. 전기양자역학이다. 그런데 50년대까지만 해도 전기양자역학을 써서 전자의 자기능률(자석의 세기)을 계산하니 답이 무한대였다. 뭔가 잘못됐다는 의미다. 그런데 50년대 초 이를 맞는 답, 즉 ‘재규격 이론’으로 만들어 낸 사람들이 있다. 나중에 그 공로로 노벨상을 받은 리처드 파인먼, 도모나가 신이치로 및 슈빙거였다.

60년대엔 전자기와 약작용을 통합한 이론, 즉 전기양자역학과 약작용(Weak interaction)을 통합한 전기·약작용 이론(Electro·Weak theory)을 개발하려는 노력들이 일어났다.

퀴리 부인이 발견한 라듐에서 나오는 방사선을 지배하는 힘이 약한 힘 또는 약작용이다.

그런데 새 이론을 개발하려 해도 계속 ‘무한대 답’이 나왔다. 전기양자역학에서는 힘을 전달하는 광양자(빛의 원자)에 질량(무게)이 없다. 그런데 약작용을 전달하는 힘의 입자 ‘약한 보손(Weak Boson)’엔 질량이 있어야 한다. 질량이 없는 힘의 입자는 빛처럼 얼마든지 날아가지만 질량이 있는 ‘약한 보손’은 멀리 못 가고 원자핵 정도의 거리에만 힘이 국한된다.

바로 이 질량을 갖고 있는 입자를 활용해 어떤 현상을 계산하면 답이 늘 무한대가 됐다. 다시 말해 아무리 이론을 만들어도 그 이론을 써서 계산하는 것이 불가능(부정확)하다는 의미다. 그런 이론은 쓸모가 없다. 또다시 ‘답이 무한대가 나오지 않는 계산 가능한 이론을 만들어 내는’ 것이 숙제가 됐다.

66년 스티븐 와인버그와 압두스 살람 교수가 거의 같은 시기 각각 독립적으로 새 이론을 만들어 이를 해결했다. 와인버그-살람 또는 W-S 이론이란 것인데 답이 무한대가 아닌 유한대로 나온다. 이론의 핵심은 ‘힘을 전달하는 입자가 처음부터 질량을 갖는 것이 아니다’는 점이다.
나중에 질량을 주는 입자에 대한 논문은 영국 물리학자 피터 힉스와 다른 두 연구팀이 동시에 발표했다. 모두 8명이 관여돼 있다. 그런데도 힉스입자로 불리게 된 것은 작고한 한국인 물리학자 이휘소 때문이다.

그는 ‘게이지 이론’이란 해설 논문에서 이 입자를 힉스입자라고 불렀다. 그래서 ‘힉스입자’와 와인버그와 살람의 전기·약작용 이론은 물리학계에 퍼지게 됐다. 원자핵보다 작은 초기 우주의 진공이 불안정한 상태에서 무너지면서 우주는 갑자기 빠른 팽창을 한다.

눈 깜짝할 찰나보다 더 짧은 약 0.000000000000000000000000000000000001초(10의-36승) 만에 자몽 크기만큼 된다. 진공이 무너질 때 힉스입자와 질량이 없는 ‘난부-골드스톤’ 입자가 나온다. 난부-골드스톤 입자는 약작용 힘의 전달자인 W와 Z입자에 질량을 제공하고 없어진다. 살아남은 힉스입자는 원자핵을 구성하는 모든 입자의 기본 요소인 전자와 쿼크가 질량을 얻게 한다. 모든 소립자(素粒子·더 쪼갤 수 없는 기본 입자, 예를 들어 전자)들이 비로소 질량을 얻게 되는 것이다.

힉스입자가 나타나기 전 입자들은 우주를 공기 속처럼 힘 안 들이고 움직였다. 그런데 힉스입자가 나타나면서 우주는 물 같은 액체로 변한다. 날씬한 물고기는 힘 덜 들이고 물속에서 잘 움직이지만 뚱뚱한 사람은 많은 힘을 쏟아야 한다. 물고기에 해당하는 전자는 힘을 작게 들여도 움직이기 때문에 작은 질량의 입자가 되고 뚱보 같은 톱 쿼크(쿼크라는 소립자 가운데 가장 무거운 것)는 큰 질량을 갖게 된다.
최근 유럽핵물리공동연구소(CERN)가 힉스입자의 영상이 포착된 것 같다고 발표했다. 아트라스와 CMS 두 팀이 “질량이 양성자의 약 125배 되는 새로운 입자의 흔적을 발견했다”고 했다. 그게 힉스입자라면 와인버그와 살람이 제시한 이론의 모든 근거가 다 발견된 것이고 그 이론은 전기양자역학처럼 확고한 반석에 오르게 되는 것이다.
그런데 발표대로 125배밖에 안 된다면 좀 어려운 문제가 생길 수 있다. 진공 자체가 불안정할 수 있어 ‘초대칭 이론’이란 어려운 개념이 도입돼야 하는데 CERN의 데이터에선 초대칭 이론의 흔적이 보이지 않기 때문이다. 하지만 힉스입자의 질량이 양성자의 125배라면 초대칭 이론이 성립하는 것이므로 초대칭 이론 자체가 힘을 얻게 될 수 있다. 물리이론은 이렇게 드라마처럼 얽히고설키는 묘미도 보여 준다. 그래서 과학은 멋진 것이다.

기사 내용에 대한 진실:

2,346. 기사는 다음과 같이 전한다.

원자핵보다 작은 초기 우주의 진공이 불안정한 상태에서 무너지면서 우주는 갑자기 빠른 팽창을 한다. 눈 깜짝할 찰나보다 더 짧은 순간인 약 10의-36승 초 만에 자몽 크기만큼 된다.

지금도 우주 밖에는 무한대한 진공이 있다. 우주가 138억년 동안 팽창해 왔다는 것은 그렇게 팽창할 수 있는 공간이 있었기 때문이며, 현재도 우주가 무한팽창을 할 수 있다는 것은 그렇게 무한팽창을 할 수 있는 공간이 있기 때문이다. 그런데 기사가 전하는 주장에서는 바늘구멍보다도 지극히 작은 진공이 전부이다.

그 진공이 불안정한 상태에서 무너지면서 우주는 갑자기 빠른 팽창을 했다고 주장한다.

그리고 눈 깜짝할 찰나보다 더 짧은 순간인 약 10의-36승 초 만에 자몽 크기만큼 되었다고 한다. 한마디로 앞뒤가 전여 맞지 않는 허황된 주장이다. 우주에 대한 기초적인 개념조차 없는 데로부터, 이 같은 거짓말이 생산되는 것이다.

이 진실을 물리적 증거로 반론할 수 있는가?

2,347. 기사는 다음과 같이 전한다.

진공이 무너질 때 힉스입자와 질량이 없는 ‘난부-골드스톤’ 입자가 나온다.

난부-골드스톤 입자는 약작용 힘의 전달자인 W와 Z입자에 질량을 제공하고 없어진다.

살아남은 힉스입자는 원자핵을 구성하는 모든 입자의 기본 요소인 전자와 쿼크가 질량을 얻게 한다. 모든 소립자(素粒子·더 쪼갤 수 없는 기본 입자, 예를 들어 전자)들이 비로소 질량을 얻게 되는 것이다.

힉스입자가 나타나기 전 입자들은 우주를 공기 속처럼 힘 안 들이고 움직였다. 그런데 힉스입자가 나타나면서 우주는 물 같은 액체로 변한다. 날씬한 물고기는 힘 덜 들이고 물속에서 잘 움직이지만 뚱뚱한 사람은 많은 힘을 쏟아야 한다. 물고기에 해당하는 전자는 힘을 작게 들여도 움직이기 때문에 작은 질량의 입자가 되고 뚱보 같은 톱 쿼크(쿼크라는 소립자 가운데 가장 무거운 것)는 큰 질량을 갖게 된다.

- 이처럼 허황된 주장은 미완성의 동화와 같다.

동화도 시작과 끝이 분명한데, 이 가설에는 시작과 끝이 분명치 않다.

동화작가 지망생이 무책임하게 우겨대는 것보다 더 허황 된다. 그럼 이처럼 허황된 주장을 하며, 40조원 이상의 막대한 경제적 피해를 초례하고 있는 거짓말쟁이들에게 질문해 보자.

1. 진공이 무너질 수 있는가?

2. 진공이 무너질 때 힉스입자가 나타났다고 했는데, 그 힉스입자는 어디서 질량을 얻었냐?

3. 힉스입자는 양성자의 질량보다 100배 이상의 질량을 갖는다. 그 힉스입자가 오늘의 우주에 존재하는 총질량을 가졌다면, 그 질량에 따른 엄청난 중력을 갖게 된다.

이것을 부인할 수 있는가?

4. 힉스입자의 중력이 집중되는 곳에서 거대한 블랙홀이 생기게 된다.

그 블랙홀은 광자까지도 해체시켜 버린다. 광자뿐만 아니라 모든 물질의 구조를 완전히 해체시켜 버린다. 그 상황에서는 힉스입자도 해체되고 만다. 그런데 어떻게 힉스입자가 기본입자들에게 질량을 나누어 줄 수 있는가?

5. 힉스입자와 함께 질량이 없는 기본입자들이 생겨났다고 했는데, 그럼 힉스입자와 기본입자들은 어디서 어떻게 나타났느냐? 그것을 물리적 증거로 밝힐 수 있는가?

6. 힉스입자가 나타나기 전의 기본입자(광자, 중성미자, 전자, 쿼크)들은 우주를 공기 속처럼 힘 안 들이고 움직였다고 하는데, 우주의 총질량이 극도로 압축된 특이점에서 어떻게 그것이 가능한가?

이 질문에 물리적 증거로 답변할 수 있는 과학자는 지구상에 존재하지 않는다.

이 진실을 부인할 수 있는가?

2,348. 빅뱅 초기에 톱 쿼크에 이르기까지 모든 입자들이 질량을 얻었다고 하는데, 그 주장대로라면 빅뱅가설과 함께 등장한 기본입자들은 대폭발에너지에 떠밀려 달리기를 시작하게 된다. 그 입자들은 다양한 질량을 가지고 있다. 그러므로 질량이 가벼운 순서대로, 더 멀리 달아날 것은 분명하다.

우주의 나이가 100분의 1초 정도 되어서 온도가 100억 도(℃) 정도로 떨어졌을 때, 기본입자들이 모여서 양성자와 중성자들을 만들었다고 한다.

그럼 이 기본입자(광자, 중성미자, 전자, 쿼크 등)들이 어떻게 만났을까?

예를 들어 빅뱅이라는 출발선에 6명의 달리기 선수가 서있다.

1번 선수는 1킬로 짐을 지었고, 2번 선수는 2킬로, 3번 선수는 3킬로, 4번 선수는 8킬로, 5번 선수는 50킬로, 6번 선수는 100킬로 짐을 지고 있다.

이 선수들에게 미션이 있는데, 그것은 1분 동안 전속력으로 최선을 다해 달린 지점에서, 두 번째 미션을 받아 수행하는 것이다.

탕! 드디어 출발신호가 울리고 1분이 흐른 뒤, 1번 선수는 100미터 지점에, 2번 선수는 90미터 지점에, 3번 선수는 80미터 지점에, 4번 선수는 60미터 지점에, 5번 선수는 50미터 지점에, 그리고 가장 무거운 짐을 진 6번 선수는 두 다리를 휘청거리며 겨우 10미터를 갔다. 그 지점에서 떨어진 두 번째 미션은, 0.1초 동안에 6명의 선수가 짐을 진채로 한군데 모여 하나로 뭉치라는 것이다. 이것이 가능한 일인가?

물론 절대 불가능한 일이다. 이와 마찬가지로 빅뱅과 함께 기본입자들이 질량의 무게에 따라 흩어지게 됨으로, 원자핵인 양성자와 중성자를 만들 수 없다.

분명한 것은 쿼크들이 0.000000000001밀리만 떨어져 있어도, 조합이 불가능하다는 것이다. 이 진실을 부인할 수 있는가?

2,349. 중수소와 삼중수소를 융합시키려면 우라늄원자폭탄을 터뜨리는 압력이 필요하다.

원자폭탄이 터지며 발생하는 엄청난 에너지를 가운데로 집중시켜, 그 가운데 있는 중수소와 삼중수소를 강하게 압축하여 핵융합을 시키는 것이다.

빅뱅 때, 쿼크들을 결합시키는 것도 이 같은 초강력 압력이 필요하다. 더구나 강-핵력은 1조분의 1밀리까지 완전 압착된 상태에서만, 그 입자들을 결합할 수 있다.

그런즉 빅뱅론이 설정한 환경에서, 질량의 무게대로 뿔뿔이 흩어지는 입자들에 강-핵력이 적용될 수 없다. 강-핵력이 적용될 수 없다는 것은 원자를 구성할 수 없다는 것이며, 원자를 구성할 수 없다는 것은 우주가 탄생할 수 없다는 것이다. 그런즉, 빅뱅론이 설정한 환경에서는 우주가 탄생할 수 없다. 이 진실을 물리적 증거로 반론할 수 있는가?

2,350. 기사는 다음과 같이 전한다.

최근 유럽핵물리공동연구소(CERN)가 힉스입자의 영상이 포착된 것 같다고 발표했다.

아트라스와 CMS 두 팀이 “질량이 양성자의 약 125배 되는 새로운 입자의 흔적을 발견했다”고 했다. 그게 힉스입자라면 와인버그와 살람이 제시한 이론의 모든 근거가 다 발견된 것이고 그 이론은 전기양자역학처럼 확고한 반석에 오르게 되는 것이다.
그런데 발표대로 125배밖에 안 된다면 좀 어려운 문제가 생길 수 있다. 진공 자체가 불안정할 수 있어 ‘초대칭 이론’이란 어려운 개념이 도입돼야 하는데 CERN의 데이터에선 초대칭 이론의 흔적이 보이지 않기 때문이다. 하지만 힉스입자의 질량이 양성자의 125배라면 초대칭 이론이 성립하는 것이므로 초대칭 이론 자체가 힘을 얻게 될 수 있다. 물리이론은 이렇게 드라마처럼 얽히고설키는 묘미도 보여 준다. 그래서 과학은 멋진 것이다.

- 처음에 물리학자들은 톱 쿼크의 질량이 양성자의 125배가 아니라, 버텀-쿼크 질량의 3배인, 약 150억 eV(15 GeV) 정도는 되어야 한다고 추측했다. 그러나 그 가상입자를 찾기 위한 노력이 실패에 실패를 거듭하자, 톱-쿼크가 존재한다면 질량이 280억 eV보다는 커야 한다고 수정되고, 또 410억 eV로 수정된데 이어 690억 eV로 수정되고, 결국에는 질량이 무려 1,740억 eV(174 GeV)에 이르는 무거운 인공입자가 나타나자 그 입자를 톱 쿼크라고 명명했다.

이처럼 톱 쿼크는 실패에 실패를 거듭하는 모순가운데 생겨난 가상입자이다.

이 진실을 물리적 증거로 반론할 수 있는가?