[박종진의 과학이야기] 입자의 회전

박종진

산업혁명을 거치면서도 우리는 물질의 가장 기본 단위가 무엇인지 잘 몰랐다. 그러다 19세기 말엽에야 전자의 존재를 알아낸 인류는 원자의 모습이 전자가 마치 약식 속에 박힌 대추나 잣처럼 무작위적으로 군데군데 위치할 것으로 생각했다. 그러던 중 어떤 천재 과학자가 우연히 원자핵을 발견했고 주위에 있는 전자와 반대 전하를 갖기 때문에 원자는 전기적으로 안정되었다고 생각했다.  
 
그는 원자도 마치 태양계의 모습처럼 중앙에 단단하고 큰 핵이 있고 그 주위를 전자가 공전하고 있는 상상을 했다. 한술 더 떠서 그의 제자가 전자도 태양 주위의 여러 행성처럼 자기가 속한 궤도를 공전할 것으로 추측했다.  
 
그 무렵 원자핵 속에서 중성자가 발견되었고 원자는 핵자를 이루는 양성자와 중성자, 그리고 그 주위를 층층이 공전하는 전자로 이루어져 있다는 엄청난 발견을 했고 이미 그런 구조의 태양계에 익숙해 있던 우리는 아무런 의심 없이 믿었다.
 
그런데 문제가 생겼다. 전자가 아무리 작다고 해도 엄연히 질량을 가졌는데 뉴턴의 운동 법칙을 따르지 않았다. 게다가 이유 없이 사라졌다가 갑자기 다른 궤도(양자도약)에 나타났고, 심지어는 빛보다 빠른 속도로 정보를 공유(양자얽힘)했다.
 

고전물리학은 뉴턴의 운동 법칙이 토대여서 궤도를 바꾸려면 힘이 작용해야 하고, 아인슈타인은 이 우주에서 빛보다 빠른 것은 절대로 없다고 못 박았기 때문에 전자의 성질이 고전역학에 어긋났다. 과학자들은 왜 고전물리학이 미시세계에서는 통하지 않는지 알려고 했다. 드디어 양자역학이란 새로운 물리학이 태동했다.  
 
그러나 연구가 거듭될수록 뉴턴과 아인슈타인의 이론이 상처를 받자 과학자들은 억지를 부렸다. 기존 물리학으로 새로운 현상을 설명하기 힘들어지자 갖은 편법을 써서 똑같은 결론을 얻으려고 했다. 고전 물리 법칙을 총동원하고 기상천외한 잔머리를 굴려 새로운 양자역학에 억지로 맞춰나갔다.  
 
현대판 원소주기율표 격인 표준모형으로 자연계의 기본 입자와 그들의 힘과 질량에 관계되는 기본적인 현상을 설명할 수 있다. 모두 17개의 기본 입자로 구성된 표준모형을 찬찬히 들여다보면 입자는 자기 고유의 전하량, 색깔, 질량, 그리고 회전값을 가지고 있다. 그런데 여기 등장하는 회전(스핀)은 사실 억지춘향이다. 그렇게 해야 고전물리학으로 양자역학을 설명할 수 있게 된다. 이렇듯 표준모형은 아직도 불완전하며 여전히 우리는 앞으로 발견될 중력자라는 마지막 입자를 기다리고 있다.  
 
현대 물리학은 외계 은하 속의 초신성 밝기와 우주의 나이를 추측할 만큼 발달했다. 그래도 양자역학을 완전히 설명하기에는 역부족이다. 해도 해도 안 되자 과학자들은 스핀(회전)이라는 개념을 도입하고 그 방향까지 들먹거리며 짜 맞추기에 여념이 없다.  
 
지금 우리는 미시세계와 블랙홀까지 설명할 수 있는 새로운 물리학이 요구되는 전야에 와 있다. 일부 천재 과학자들이 입자의 회전 현상으로 그나마 풀리지 않던 물리학을 구차하게 연명했지만, 사실 입자는 회전목마처럼 스스로 돌지 않는다. 그래서 양자역학의 대가인 볼프강 파울리는 다음과 같이 말했다.
 
"아무도 양자역학을 제대로 이해하지 못하고 있다!"  (작가)
 

박종진