토론, 입자물리학

(*사진: 2009년 6월 코넬 뉴먼랩 320 한스 베테 연구실 모습. 오래된 가구들은 그대로 *)

예전에 누군가 "이론물리학 연구는 어떻게 하는 겁니까?" 하고 물은 적이 있다. 그 분은 미생물을 연구하는 분이었다.

그러니까 특정 미생물의 특정 생리현상을 특정 화학물질과 물리적 환경을 이용해서 이해하고 설명하는 연구를 하는 분이었고 (실제로 그 연구로 네이쳔가 사이언스에 논문을 발표했다고 나중에 들었다), 뭔가 연필과 노트로 과학을 연구한다는 그 행위 자체가 무척 신기하게 보였던 것 같다.

나는 처음엔 그 질문을 잘 이해하지 못하고 내가 연구하고 있는 주제에 대해 이야기를 했다. 여분차원이 어떻고, 힉스 질량이 어떻고. 그런데 그분은 정말로 "어떻게" 연구를 하냐, 즉 연구 방법에 대해 물어 본 것이란 걸 나중에야 알았다.

어제 거트 고트프리드 교수님도 이야기를 했지만 "물리학은 근본적으로 경험과학"이고 따라서 순전히 노트와 연필에서 연구가 끝이 나는 것은 아니다. 물론 지금 당장의 모습은 연필과 노트에서 연구가 시작되고 끝나는 것 처럼 보일지는 모르지만 결국엔 LHC, Pamela, WMAP 혹은 미래의 어느 실험 결과와 그 어떤 형식으로든 연결이 되는 (된다고 믿는) 것이 이론물리학이다. 이 부분이 빠지면 실제로 물리학과 수학의 경계는 모호해질 것이다.

코넬 방문하는 동안 매일 두세시간씩 "블랙보드 토크"를 하고있다. 물론 혼자서 하는 건 아니고 지금 연구하고 있는 연구주제에 대해 챠바, 요하네스 등과 내가 머물고 있는 "한스 베테 연구실" Newman Lab 320에서 열심히 계산도 하고 왜 어제 내가 한 생각이 틀렸는지 혹은 챠바의 아이디어가 왜 작동할 수 없는지 혹은 요하네스의 메스매티카 코드가 왜 틀렸는지 열심히 증명을 하고 있다. 수없이 쌓여가는 틀린 아이디어들 속에서 딱 하나 제대로 작동하는 아이디어를 발견하는 것이 연구의 목표란 걸 누구나 알고 있고 그래서 쌓여가는 틀린 아이디어에 연민을 보이면서도 가차없이 "물리학의 칼날"을 들이대고 있는 것이다. 입자물리학의 모델 빌딩(model building)은 토론속에서 이루어진다.

가장 성공적인 모델 빌딩의 예는 표준 모형 그 자체일 것이다. 모든 기본 입자들이 어떻게 질량을 얻고, 어떻게 상호작용을 하여 핵과 원자 분자 그리고 우리 우주를 만들어 냈는지를 설명하는 이론을 "표준 모형"이라고 너무나 소박하게 부르는 것이 어떤 의미에선 지나친 겸손이다 싶을 정도로 와인버그-살람-글라쇼의 이론은 이제까지 모든 실험 결과를 완벽하게 설명하고 있다. 그 "모형"이 제작된지도 30년이 훌쩍 넘어가고 있다. 실험 데이터의 더미속에서 찾아낸 진주같은 대칭성이 그 이론의 핵심인데 그 아름다움을 이해하기 위해서 입자물리학 분야의 대학원 교육이 필요하다는 점을 제외하곤 정말로 멋진 모습을 하고있다. 물론 그 아름다움을 직접 이해하지 못하였지만 여전히 그 물리학의 off-spring을 기꺼히 누리고자 하는 사람들에게, 노트북으로 와이어레스 랜으로 연결된 인터넷에 글을 작성하는 모든 사람들에게, 혜택을 주고있다. 설명의 화살표의 끝점을 늘려나가는 일은 늘 중요하다.

코넬 방문도 이제 거의 막바지다. 연일 계속되던 토론 속에서 아주 작은 불빛 하나를 발견한 것도 같다. 이 불빛이 진짜 인지는 역시 끝까지 가보지 않고는 모르겠지만.

일본행 비행기는 일요일에 떠난다.