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대칭성 깨뜨려 노벨상 움켜쥐다

기본입자 세계의 질서 밝혀


지난 10월 6일 노벨 생리의학상을 시작으로 물리학상(7일), 화학상(8일) 수상자가 발표됐다. 올해 노벨과학상은 각 분야에서 3명의 공동수상자를 배출했다. 분야별 국내 전문가가 수상자들의 연구 업적과 수상 의의를 자세히 소개한다. 특히 이번에는 일본 출신의 미국 과학자 1명을 포함해 일본 과학자 4명이 수상자 명단에 이름을 올리면서 일본 열도가 흥분의 도가니에 빠졌다.
현지 이화학연구소에 있는 한국인 과학자가 전해온 일본 노벨상 수상의 저력도 함께 소개한다.

올해 노벨 물리학상은 일본 출신의 미국 물리학자인 미국 시카고대 페르미연구소의 남부 요이치로(87) 명예교수와 일본 물리학자인 일본 고에너지가속기연구기구(KEK)의 고바야시 마코토(64) 명예교수와 일본 교토대 유가와 이론물리연구소의 마스카와 도시히데(68) 명예교수 등 3명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원은 “남부 교수는 입자물리학에서 자발적으로 일어나는 대칭성 깨짐을 수학적으로 정리한 업적으로, 고바야시 교수와 마스카와 교수는 우주에 존재하는 물질과 반물질의 비대칭적 성질을 발견한 공로를 인정받았다”고 설명했다.




대칭성이 자발적으로 깨진다?


남부 교수의 수상 소식에 필자는 잠깐 옛 추억에 빠졌다. 그는 일본 도쿄대에서 도모나가 신이치로 교수(1965년 노벨 물리학상 수상)에게서 박사학위를 받은 뒤 미국으로 건너가 프린스턴고등연구소를 거쳐 시카고대에서 오랫동안 교수로 있었다. 필자가 시카고대에서 박사과정에 다닐 때 남부 교수의 수업을 들었고, 박사후연구원으로 지원할 때 추천서를 부탁드렸던 분이라 감회가 남달랐다.

남부 교수의 강의는 약간 어눌한 말투로 느릿느릿 진행돼서인지 그다지 흡인력이 있진 않았다. 하지만 늘 새로운 시각으로 주제를 다뤄 남부 교수가 매우 독창적 사고를 한다는 사실을 여러 번 느꼈다.

그에게 노벨 물리학상을 안겨준 연구는 1961년 발표된 두 편의 논문이다. 그는 이 논문들에서 기본입자들의 세계에서도 대칭성이 자발적으로 깨질 수 있다는 점을 이론적으로 최초로 규명하고 그에 따르는 부수 효과를 계산했다. 대칭성이 자발적으로 깨진다는 얘긴 무슨 뜻일까?





레스토랑의 원형 식탁에 사람들이 앉아 있고 그 앞에 와인잔이 왼쪽과 오른쪽에 대칭으로 놓여 있다고 하자. 만약 어떤 사람이 먼저 오른쪽 와인잔을 들면 그 식탁에 앉은 나머지 사람들은 모든 사람이 다 잔을 들 수 있도록 오른쪽 와인잔을 들어야한다. 한 사람이 오른쪽 와인잔을 선택함으로써 다른 사람들은 더 이상 선택권(물리 용어로는 이를 ‘자유도’라고 한다)이 없이 모두 오른쪽 잔을 들어야 한다. 즉 대칭성이 깨져야 한다는 것인데, 이런 현상을 대칭성이 자발적으로 깨졌다고 한다.

거꾸로 선 연필로도 이를 설명할 수 있다. 연필이 쓰러지기 전에는 어느 방향으로 쓰러질지 알 수 없으며 연필을 축으로 원형 대칭성이 있다. 즉 모든 방향에 대해 쓰러질 확률은 같다. 하지만 일단 연필이 쓰러지고 나면 다른 방향에 비해서 연필이 쓰러진 방향만이 특별해지며 대칭성(쓰러지기 전 상태의 연필을 회전축으로 하는 회전 대칭성)이 깨진다. 연필의 에너지가 낮은 상태가 되면서 대칭성이 작아지는 셈이다.

남부 교수는 초전도체에서 힌트를 얻어서 기본입자들 사이의 상호작용으로 대칭성이 자발적으로 깨지는 구체적인 모형을 최초로 찾아냈다. 그리고 이때 질량과 스핀이 0인 입자가 나타난다는 사실을 수학적으로 입증했다.

남부 교수의 뒤를 이어 곧 미국의 제프리 골드스톤이라는 물리학자는 대칭성이 자발적으로 깨지는 경우 일반적으로 같은 현상이 나타난다는 사실을 수학적으로 증명했다. 그래서 대칭성이 자발적으로 깨질 때 나타나는 질량과 스핀이 0인 입자를 ‘남부-골드스톤 입자’라고 부른다.












우주에 반물질 거의 없는 이유 설명해


남부 교수의 이론을 토대로 영국의 물리학자 피터 힉스는 기본입자에 질량을 주는 방법을 제시했으며 이를 위해 바로 현재 표준모형에서 질량의 기원이 되는 힉스입자가 도입됐다. 그리고 이런 중요한 요소들을 모아 완성된 것이 ‘표준모형’이다.

표준모형은 지금까지 수많은 실험에서 거의 완벽하게 검증된 기막히게 훌륭한 이론이며 표준모형을 만든 스티븐 와인버그, 셸던 글래쇼, 압두스 살람은 이 업적으로 1979년 노벨 물리학상을 받았다. 내년 봄 재가동될 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC) 실험에서 힉스입자가 발견된다면 물질이 질량을 갖는 이유를 이해하는 길이 열릴 것이다.

한편 남부 교수의 이론에 따르면 강한핵력을 전달하는 파이 중간자는 대칭성이 자발적으로 깨지면서 나타나는 일종의 남부-골드스톤 입자다. 따라서 파이 중간자가 왜 양성자와 같은 다른 강입자보다 훨씬 가벼운지 설명된다.

남부 교수의 업적은 대칭성의 자발적 깨짐 외에도 많다. 전자기 상호작용과 양자중력을 아우르는 우주의 기본법칙이라고 여겨지는 초끈 이론의 토대가 되는 ‘남부-고토 작용’(1971년)을 최초로 제안했고, 강한핵력을 기술하는 양자색소역학의 모태가 되는 ‘한-남부 이론’을 제창했다.

여기서 ‘한’은 재미 한국인 물리학자인 미국 듀크대 물리학과 한무영 교수의 성을 딴 것이다. 한-남부 이론은 안타깝게도 쿼크의 전하가 전자 전하의 정수배가 되는 등 문제점이 있어 결국 양자색소역학에 밀려 도태됐지만 그 기본 아이디어인 색소전하 개념은 양자색소역학에 고스란히 남아 있다.





고바야시와 마스카와 교수는 일본 나고야대에서 박사학위를 받은 선후배 지간이다. 두 사람 모두 교토대 이학부에서 연구원으로 있던 1973년, 당시 알려진 3개의 쿼크보다 많은 6개 이상의 쿼크가 존재하면 표준모형 안에서 물질과 반물질의 성질이 미묘하게 달라질 수 있다는 사실을 증명했다. 이런 성질은 우주공간에 존재하는 반물질의 양이 지극히 적은 까닭을 이해하는데 중요하다.

이 연구결과는 당시 영문으로 된 일본 학술지에 발표됐고, 현재 ‘고바야시-마스카와 이론’으로 불리며 이들에게 노벨상 수상의 영광을 안겨줬다.

필자의 대학 시절 한 은사는 이들의 1973년 논문이 “수학적으로 복잡한 내용이 전혀 없다”며 “대학원 교육을 제대로 받고 정상적인 사고를 할 수 있는 사람이라면 누구나 쓸 수 있는 평범한 논문”이라고 얘기했다. 물론 중요한 점은 고바야시-마스카와 이론이 수학적으로 간단할지라도 자연계에 나타나는 많은 현상을 설명해주는 자연법칙이라는 점이다.





고바야시-마스카와 이론은 CP 대칭성 깨짐과 관계가 있다. 만약 우주 초기 대폭발(빅뱅) 직후 물질과 반물질의 양이 같았다고 가정한다면 왜 현재 우주에는 반물질이 남아있지 않고 물질만 남아있을까. 옛 소련의 물리학자 안드레이 사하로프는 이를 설명하기 위해 필요한 조건들을 찾아냈는데, 그 중 하나가 CP 대칭성이 깨져야 한다는 내용이었다.

여기서 C(Charge)는 입자와 반입자를 바꿔주는 변환이고, P(Parity)는 거울대칭 변환(좌우대칭 변환)이다. 만일 C가 좋은 대칭성이라면 에너지 준위를 비롯해 여러 물리현상이 수소원자와 반수소원자(반양성자와 양전자로 이뤄진 원자)에서 똑같이 일어나야 한다.

1960년대 초까지만 해도 대부분의 물리학자들은 뚜렷한 근거도 없이 CP가 자연계의 훌륭한 대칭성이라고 믿어왔다.

하지만 중성 K중간자가 파이중간자 2개로 붕괴할 때 CP가 아주 작게 깨진다는 사실이 1964년 발견됐고(제임스 왓슨 크로닌과 발 록스던 피치는 이 연구로 1980년 노벨 물리학상을 받았다), 그때부터 CP 대칭성이 자연계에서 왜 깨지는지에 대한 연구가 시작됐다.





고바야시와 마스카와 교수가 이 연구에 착수했을 때는 표준모형의 입자 중 경입자(렙톤)와 쿼크 3개(위, 아래, 야릇한)만 발견된 상태였다. 고바야시와 마스카와 교수는 만일 자연계에 꼭대기(t)와 바닥(b) 쿼크가 존재한다면 표준모형에서 CP 대칭성이 깨질 수 있음을 보였고, 이것이 고바야시-마스카와 이론이 됐다.

이들의 발표 직후인 1974년 매혹(c) 쿼크와 타우(τ) 경입자가, 1977년에는 바닥(b) 쿼크가 발견됐고, 고바야시-마스카와 이론을 검증하기 위해 일본 쓰쿠바시에 있는 고에너지가속기연구기구(KEK)와 미국 스탠퍼드대 선형가속기센터는 각각 벨(Belle)과 바바(BaBar)라는 실험을 시작했다. 그리고 10년 뒤 고바야시-마스카와 이론은 실험으로 대부분 입증됐다.

마스카와 교수는 수상 소감에서 “노벨상 수상 소식이 기쁘기보다는 수년 전 내 이론이 실험으로 검증됐을 때 정말 기뻤다”고 말했다. 아마 많은 과학자들이 그의 말에 전적으로 동감하리라.

한 가지 흥미로운 사실은 필자가 고바야시-마스카와 이론에 관계된 국제학회에 여러 차례 참석했지만 마스카와 교수를 한 번도 본적이 없다는 점이다. 소문에 따르면 그가 영어로 말하기를 불편해하기 때문에 국제학회에 나타나지 않는다고 하며 심지어는 외국 여행을 해본 적이 없어 여권조차 없다고 한다.






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과학자 수 많아야 노벨상 바라봐


요즘 국내 많은 대학에서 영어강의가 유행인데, 일본이나 유럽의 많은 비영어권 국가의 대학은 영어가 아닌 모국어로 된 교재를 사용한다. 영어도 중요하지만 본질적인 것은 자신의 전공에 매진해 훌륭한 연구결과를 얻고 그 결과를 논리적인 말과 글로 전달할 수 있어야 한다는 점이다. 이를 위해 영어 강의 이전에 철저한 전공교육과 제대로 된 국어 교육이 더욱 절실히 필요하다는 사실을 간과하고 있는 건 아닌지 돌아볼 때다.

한편 올해 노벨 물리학상은 일본 출신인 남부 교수를 포함해 모두 일본인이 휩쓸었다는 사실도 화제다. 한편으론 부러우면서도 한국은 언제쯤 노벨 과학상을 받을 수 있느냐는 주변의 질문에 금세 기분이 착잡해진다.

일본 인구는 한국의 3배다. 하지만 과학자 수는 어림잡아 10배가 넘는다. 우리와 인구가 비슷한 독일이나 이탈리아와 비교해도 마찬가지다. 열심히 연구하는 과학자들이 많아야 그 안에서 뛰어난 업적도 나오고 궁극적으로 노벨상을 받는 연구도 나올 수 있다.

특히 독일에서는 입자물리 연구로 박사학위를 받은 고급인력의 3분의 2가 일반 기업에 취직한다고 한다. 최근 이공계 연구원의 절반가량이 비정규직이라는 국내 조사 내용을 굳이 들먹이지 않더라도 직장의 불안정성 때문에 발걸음을 돌리는 예비 과학자들이 증가한다는 사실이 마음을 무겁게 한다.





원자의 구조
올해 노벨 물리학상의 연구 내용을 이해하기 위해서는 물질을 구성하는 기본 단위인 원자의 구조부터 이해해야 한다. 원자는 양성자와 중성자로 이뤄진 원자핵과 원자핵 주변을 도는 전자로 이뤄지고, 양성자와 중성자는 다시 이보다 작은 쿼크로 이뤄진다. 즉 물질을 이루는 가장 작은 단위는 전자와 쿼크다. 양성자와 중성자의 크기를 10cm라고 할 때 원자 전체 크기는 지름이 10km가 넘고,
쿼크와 전자는 0.1mm보다 작다.

표준모형
입자 세계의 질서를 나타낸 기본 모형으로 1967년 스티븐 와인버그가 처음 제안했다. 아직 발견되지 않은 힉스입자를 포함해 더 이상 쪼갤 수 없는 17개의 기본 입자들로 자연계의 모든 물질과 힘을 설명한다. 고바야시와 마스카와 교수는 이들 중 꼭대기(t)와 바닥(b) 쿼크의 존재를 예측했다.

고병원 교수 >
서울대 물리학과를 졸업한 뒤 미국 시카고대에서 박사학위를 받았다. 미국 미네소타대에서 박사후연구원을 지냈고, 1994년 홍익대 교수로 부임한 뒤 KAIST 물리학과 교수를 거쳐 현재 고등과학원 물리학부 교수로 있다. 자연계를 이루는 근본요소가 무엇인가에 관심이 많다.






환경은 사람을 만들고, 사람은 환경을 만든다
매년 노벨상 수상자 발표 시즌이 되면 굳이 과학도가 아니더라도 마음이 들뜨기 마련이다. 올해에는 예년과 달리 노벨상 수상자에 대한 관심이 뜨겁다. 그 주된 이유는 아마도 이웃나라 일본이 물리학상과 화학상에서 한꺼번에 4명이나 수상자를 배출했기 때문이다.

더욱이 1949년에 물리학상을 수상한 유카와 히데키를 필두로 입자물리학 분야에서 60년에 걸쳐 6명이 노벨상을 수상했고 이들 모두가 일본 국내에서 학위를 받은 연구자라는 사실이 화제가 됐다.

이를 두고 우리나라 언론은 오랜 세월에 걸친 정부차원의 꾸준한 투자가 결실을 본 것이라고도 하고, 충실한 과학교육으로 과학 대중화가 뿌리를 내린 덕분이라고도 하며, 유학을 가지 않는 편이 학계에 자리잡기 쉬운 폐쇄적인 학풍이 지배를 하기 때문이라고도 해석했다.

모두 나름대로 일리가 있는 얘기지만, 10여 년 동안 일본에서 연구를 하고 있는 일선 연구자 입장에서 조금 더 구체적인 분석을 해보고자 한다.



니시나 박사의 친필‘환경은 사람을 만들고, 사람은 환경을 만든다’.


위대한 스승 니시나 요시오


필자가 몸담고 있는 이화학연구소(리켄)는 1917년 일본 최초로 설립된 기초과학 분야의 국가연구기관이다. 2005년에 간행된 ‘리켄정신 88년’이라는 사료집을 보면 일본 현대과학에 큰 영향을 끼친 연구자들의 업적이 나열돼 있는데, 그중 단연 눈에 띄는 인물이 니시나 요시오라는 물리학자다.

그는 30세 때 연구소 지원을 받아 유럽 유학길에 올라, 영국과 독일 연구소를 거쳐 1923년 덴마크 코펜하겐대에서 닐스 보어의 지도를 받으며 당시 새롭게 대두된 입자물리분야에 깊이 빠져들었다. 1928년 오스칼 클라인과 함께 콤프턴 산란의 유효 단면적을 계산하는 ‘클라인-니시나 공식’을 발표했다. 그 직후 일본으로 돌아와 이화학연구소로 복귀해 1931년 니시나 연구실을 창설했다.

니시나는 유능한 연구자인 동시에 훌륭한 지도자였다. 그는 손수 세계에서 2번째와 3번째 사이클로트론을 연달아 제작했으며, 교토대에 입자물리 강좌를 개설해 우수한 학생들을 이화학연구소의 연구생으로 불러들여 자유로이 연구에 매진할 수 있는 환경을 마련했다.


일본 입자물리학 연구의 토대를 닦은 니시나 요시오 박사(1890~1951년).


노벨과학상 수상자 13명 배출한 일본의 힘


당시 니시나 연구실에 소속됐던 교토대 학생들은 유카와 히데키, 토모나가 신이치로, 사카타 쇼우이치 등 쟁쟁한 멤버들이었다. 그들 모두가 훗날 일본 입자물리학의 거성들로 성장했다.

유카와는 주로 교토대를 중심으로 후학을 가르쳤고, 토모나가는 도쿄대에서 고시바 마사토시(2002년)와 남부 요이치로(2008년) 등의 노벨상 수상자를 길러냈고, 사카타는 나고야대에서 올해의 두 노벨상 수상자인 마스카와 도시히데와 고바야시 마코토를 키워냈다. 결국 일본의 입자물리학 역사는 이화학연구소의 니시나 연구실에 뿌리를 두고 있는 셈이다.

온 세계가 전쟁의 포연으로 뒤덮였던 시절, 고립된 상황에 있던 일본의 인재들은 훌륭한 스승과 좋은 연구환경을 찾아 이화학연구소에 모여들어 독창적인 학문의 뿌리를 내렸다. 니시나가 이화학연구소 소장으로 취임해 강조한 것은 “환경은 사람을 만들고, 사람은 환경을 만든다”라는 말이었다.




연구환경 마련에 팔 걷어붙인 일본정부


세계를 무대로 이 전통을 확장하려는 일본 정부의 노력이 최근 ‘세계 톱 레벨 연구 거점 프로젝트’ 실시로 실현되고 있다. 전국에 거점 다섯 곳을 마련해 한 곳당 매년 5억 엔(약 70억 원)에서 20억엔을 최대 15년간 투입한다. 공용어는 영어이며 외국인 비율을 가능한 높이는 것을 권장한다.

그 중 하나가 도쿄대에 마련된 소립자 및 우주 물리 연구 센터인 IPMU다. 도쿄대는 44세인 미국 버클리대 무라야마 교수를 스카우트해 그 거대 조직을 맡겼다. 발족한지 1년이 갓 넘은 현재, 7개국에서 합류한 외국인 비율은 50%가 넘었다.

뛰어난 젊은 리더를 발굴해 좋은 환경을 마련해주고 꾸준히 지원하면 젊은 인재들이 모여들게 마련이다. 그 인재들을 훌륭한 리더로 키워내 좋은 환경을 제공하는 선순환을 이루는 것은 나라의 몫이다. 2차대전 이후, 오랜 과학 전통을 갖고 있던 유럽은 경제력이 밀리면서 그동안 세계 각지에서 흘러들었던 인재를 미국에 뺏겼다.

한국야구가 국민의 성원과 정부, 기업의 꾸준한 투자와 지원으로 결국 올림픽에서 금메달을 따는 쾌거를 이뤘다. 1905년 미국인 선교사가 소개한지 100여 년 만의 일이다. 당연한 이야기지만 노벨상은 기초과학 분야의 연구자에게 수여하는 상이다. 당장 돈을 벌어들이지는 못하지만, 기초과학 발전이 파생하는 경제적, 사회적 효과는 시간이 흐를수록 커진다.

요즘 정부와 국민이 한 목소리로 우리나라 과학자가 노벨상을 수상하기를 바라는 현실을 기쁘게 생각하며, 그에 상응하는 지원이 구체적으로 현실화되기를 염원한다.






수상자


김유수 선임연구원 >
서울대 화학과를 졸업하고 일본 도쿄대에서 응용화학공학으로 박사학위를 받았다. 1999년 일본 이화학연구소 표면화학연구실에 입사한 뒤 현재 선임연구원으로 근무하고 있다. 결과가 나오기까지 시간이 오래 걸려도 참고 기다려주는 일본 연구풍토가 부럽다고 한다


| 글 | 고병원 고등과학원 물리학부 교수, 히로사와=김유수 일본 이화학연구소 표면화학연구실 선임연구원ㆍpko@kias.re.kr, ykim@riken.jp |




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