막스 보른이 대단한 사람이다. 막스보른 제자가 5명인데, 그 중 한명이 오펜하이머이다. 미국에서 최고급이 페르미, 다음급이 오펜하이머이다. 오펜하이머가 4000명의 과학자를 오케스트라처럼 지휘해서 맨하튼프로젝트를 성공시킨다. 오펜하이머의 대학원생급이 리처드 파인먼이다.

이탈리아 출신 독보적 세계적 학자는 페르미이고, 페르미가 인류 역사 최초로 시카고대학에서 우라늄 연쇄 핵반응에 성공한다. 국가의 운명을 좌우할 만큼 역사적 순간에 페르미가 했던 말이 “점심시간입니다. 밥 먹으로 갑시다＂이다. 그만큼 담백한 사람이다. 대학과정은 수학도였는데, 똑똑한 학생 3명을 이탈리아를 위해 물리학과로 전과하고, 인류역사를 바꾼다.

페르미 다음 세대의 천재는 마요나라이다. 전자의 반전자는 +이다. 중성자는 전기중성인데, 반중성자가 있다. 전기중성인 입자가 반입자가 될 수 있는데, 이를 마요나라 입자라고 한다. 물리학에서 대단한 천재였는데, 사라져버렸다. 30대에 심적 갈등 후 실종되었다.

첫 번째 지식은 SU(3)*SU(2)*U(1)이다. 두 번째 지식은 모든 힘을 상호작용으로 바꾸어야 한다는 것이다. 바꾸는 과정이 힘은 ‘입자를 주고 받는 과정’이라는 것이다. 이것이 최고의 지식이다. 어떤 힘이 있으려면 반드시 주고 받는 입자가 있어야 한다. 힘을 주고 받는 입자를 보존(Boson)이라고 한다.

입자물리학자는 우주를 어떻게 보느냐면, 우주를 만드는 블럭을 페르미온이라고 한다. 모래알 같은 것이다. 그러나 빌딩이 되려면 알갱이가 붙어야 한다. 결합의 메커니즘이 입자를 주고 받는 과정이다. 농구게임을 하면 두 사람은 페르미온이다. 농구공을 주고 받아야 결합이 된다. 두 사람 사이에 작용하는 힘은 농구공을 주고 받으며 형성된다. 농구공을 주고 받는 것은 운동량을 주고 받는 것이다. 운동량은 벡터이기 때문에 어떤 입자가 주거나 받게 되면 입자의 방향이 바뀌어진다. 방향이 바뀌어지는 것을 바깥에서 보면 결합한다고 보여진다.

우리가 보는 것은 물질 알갱이 페르미온이다. 단 주고 받는 입자는 전자기상호작용에서는 광자이고, 약한상호작용에서는 W+,W-,Z0 3가지이고, 강한상호작용에서는 글루온이다. 그래서 힘을 상호작용으로 바꾸어 보는 것이 입자물리학의 첫번째 지식이다.

주고 받는 입자는 질량이 없으면 두 당사자가 무한히 떨어져 있어도 힘이 작용한다. 그래서 전자기상호작용은 무한히 떨어져도 0가 아니다. 그런데 주고 받는 입자가 무거워지면 하이젠베르크 불확정성원리로 수명이 짧아진다. 약한상호작용은 주고 받는 농구공이 무지하게 무거워서 공의 수명이 10에 24승 분의 1초 밖에 못산다. 금방 사라진다. 그래서 패르미온 두 당사자가 가까이 있어야만 작용하는데, 얼마나 가까워야 하냐면, 원자핵 속에 거리만큼 되어야 그 실체를 드러내는 매개입자가 w, z입자이다.

전자기상호작용은 매개하는 입자 질량이 0라서 무한대로 작용하고, 약한상호작용은 매개하는 입자가 무거워서 아주 좁은 영역에 있는 핵 속에서만 작용한다. 그래서 원자핵 바깥으로 나오면 힘이 0이다. 그래서 거시물체인 지구, 나무, 꽃을 만드는 것은 핵력이 아니고 전자기상호작용이다.

핵 속으로 들어가면 핵력이 전자기상호작용보다 100배 크다. 핵력은 전하와 상관없이 두 입자 사이를 무조건 당긴다. 우리가 아는 전하와 아무런 관련이 없기에 다른 힘이다. 핵력의 아이디어를 처음으로 연 사람이 일본의 유가와 히데끼이다. 쿼크가 2개 결합하는 것이 meson, 쿼크가 3개 결합하는 것이 hadron이다. 쿼크가 3개 결합한 가장 중요한 입자는 중성자, 양성자이다.

우라늄 235가 92번이다. 1개의 중성자가 충돌하면 부서져서 바륨과 크립톤으로 쪼개지고 2개의 중성자가 나온다. 우라늄이 2개로 쪼개졌다고 당시에는 생각 못했다. 알파나 베타의 방사선 중의 하나라고 생각했는데, 두 개의 원자핵으로 쪼개졌다는 것을 처음으로 안 학자가 마이네트이다. 이것을 부르는 이름이 핵분열이다. 우라늄 92에서 바륨 96번, 크립톤 36번 동위원소가 나온다.

양성자와 중성자 비가 대략 1이면 안전한 원소이다. 대략 앞쪽의 1-20번의 가벼운 원소가 1:1이 된다. 그러면 방사선 동위원소가 아니다. 산소 양성자 8개, 중성자 8개는 안정하다. 탄소 양성자 6개 중성자 6개는 안정하다. 그런데 탄소의 중성자가 7개, 8개 되면 불안하다. 탄소 원자량 14는 5천년 지나면 붕괴한다. 고고학은 여기서 시작한다. 20-70번까지는 대략 중성자가 1배 반 많은 1.5면 안정하다. 방에 양성자 깡패가 많아지면 중화시키기 위해 중성자가 더 많아지는 것이다. 중성자가 그보다 더 많아지면 베타붕괴를 한다.

우라늄이 쪼개지면서 나온 크립톤은 양성자 36, 중성자 56으로 1.5배 보다 약간 많다. 그러면 베타붕괴를 한다. 우라늄 원자가 붕괴하면 전체 205 MeV가 나오는데, 1차 붕괴에서 5+6+167 MeV가 나오고, 딸핵에서 붕괴하면서 7+8+12 MeV가 나온다. 엄청난 이야기이다. 5는 중성자, 6과 7은 감마선, 8은 전자, 12는 반뉴트리노가 갖고 나오는 에너지이다. 베타붕괴이다. 베타붕괴는 중성자가 붕괴되면 양성자와 전자, 그리고 반뉴트리노가 나온다.

슈퍼노바 터질 때 나오는 에너지는 99.99%가 뉴트리노에서 나오므로 뉴트리노천문학이라고 한다. 뉴트리노 실체를 알아야 우주에서 가장 중요한 입자가 4-5개인데, 그 중 하나가 뉴트리노인데, 실재 예를 잘 모른다. 그 예가 동해바다 월성원자력발전소이다.

중성자는 백두산 꼭대기 가도 안 나온다. 지하에 가도 안 나온다. 암석에서 드물게 나올 수는 있다. 중성자가 다발로 나오는 예는 우주에서 두 군데이다. 슈퍼노바와 원자력발전소이다. 양성자는 온갖 곳에 있으나 중성자는 발견되지 않는다.

양성자는 원래 집 나간 양성자이다. 그런데 집 나간 중성자는 없다. 중성자는 집 나가면 10분 내로 죽는다. 자유 중성자 수명이 10분이다. 붕괴를 하는 이유는 무겁기 때문이다. 중성자가 붕괴하면 무너져서 다른 가벼운 것으로 바뀐 것이다. 중성자 보다 가벼운 입자는 양성자이다. 집 나간 중성자가 없는 이유는 집 나가자 마자 양성자로 바뀐다. 베타붕괴가 도미넌트한 개념이다.

양성자는 집 나가도 안 죽는다. 집 나간 양성자가 붕괴하느냐 안 하느냐가 표준모델을 넘어서느냐의 문제로 전 세계 천문물리학자들이 30년간 지하갱도에 물을 수 천톤 가두어 놓고 양성자 수명을 측정하였다. 결론은 양성자 수명은 10에 50승 년으로, 우리 우주가 수없이 생기고 없어지는 시간 동안에도 양성자 수명이 끝났는지 알 수 없다는 것으로 양성자는 영원하다. 양성자는 수명이 무한대이다. 그래서 오늘 본 양성자가속기에서 양성자는 우주에서 유일한 영원히 사는 존재이다.

이 모든 것은 핵 속에 있느냐 바깥에 있느냐이다. 중성자연구소는 원자력발전소 가까이 있어야 한다. 중성자는 원자력발전소 빠져 나오면 10분 내에 있어야 하기 때문이다.

CERN은 사각형으로 바꾸어 놓으면 간단하다. 둘레가 27km이다. 대부분 프랑스와 스위스에 연결되어 있다.

CERN에 대해 기억해야 할 것은, SC, PS, SPS, LEP, LHC이다. SC는 Synchrocyclotron으로 1957년에 만들어졌다. PS는 Proton Synchrotron으로 1959년생이다. Synchro는 전기장과 자기장을 가속되도록 리듬을 맞춘다는 말이다. Cyclo는 돌아간다는 말이다. 지금 전세계 가속기는 Synchrotron이다. 초기에는 Synchro와 Cyclotron이 결합된 형태이다. Synchro는 협연, Cyclo는 회오리이다. 가속을 시키려면 회오리가 계속 커져야 한다.

PS에 해당되는 미국의 가속기는 AGS(alternating gradient synchrotron)이다. 여기서 노벨상이 3개 나온다. PS와 거의 동시에 만들어진다. CERN은 가속기를 만드는 위원회 이름이다. 협의체에 모여 유럽에서 돈을 각출하여 가속기를 발전시켰다.

CERN에 불같은 사람이 나왔는데, 유리아이다. 자기 비서를 2주 만에 교체할 만큼 급하게 불같이 일을 했다. 그 이유는 순간적으로 놓쳐버리면 인류의 궁극적 무엇을 찾는데 미국에게 밀려버린다는 것을 알았기 때문이다. 앤더슨이란 소장이 총 책임자이다. 유리아가 앤더슨에게 협박하듯이 하여 가속기를 변형시켰는데 SppS(Super Proton–Antiproton Synchrotron)이다.

양성자(P)와 반양성자(P)를 충돌시키면 어마어마한 에너지가 나올 것을 대부분 학자들은 알았는데 추진을 못한 이유는 반양성자를 만들어내는 일이 어마어마한 노력이기 때문이다. 반양성자 5000만개인 1g을 만드는데, 한 국가예산 다 쏟아 부어야 한다. 그런데 유리아는 아주 미량의 양성자만 있어도 궁극의 무언가를 보여줄 수 있다는 것을 알았다. SPS 실험으로 1983년 노벨상을 받는다. 노벨상 3개 합친 것보다 결정적인 위대한 발견이다. 어떻게 위대한 노벨상이 되었는가 살펴본다.

인류는 원자핵에 전자가 돌아간다는 것을 알고, 원자핵이 양성자 중성자로 된 것 까지 알았다. 그리고 양성자가 Up-quark 2개, Down-quark 1개로 된 것까지 갤만이 1964년부터 개념을 잡기 시작했다. 그때까지 몰랐던 것은 양성자가 어떻게 중성자로 바뀌는가이다. 이것을 안다는 것은 우주의 궁극적 비밀을 50% 안다는 것이다. 이것을 밝히는 이론가 중 한 사람이 이휘소 박사이다.

양성자의 u 1개, d 1개는 그대로 올라가는데, 나머지 u 1개는 옆으로 옮겨진다. 어떻게 결론이 났는가 하면 원자핵 진공에서 u와 d의 반입자가 생겼다고 보았다. 바깥에서 보면 짧은 순간에 하나로 커플링이 되어 u와 d반입자가 잠시 결합된 상태가 π+가 된다. u가 +2/3 이고, d반입자가 +1/3이니 합치면 +1이 되기 때문이다.

이 과정에 어떻게 생기는가를 설명하는 방식이 u가 가다가 w+입자가 나와서 2개로 갈라지면서 반전자와 전자뉴트리노가 나오는데, w입자의 질량을 예측한 사람이 외인버그이다. 와인버그와 함께 논문 쓴 사람이 이휘소 박사이다. 확실한 노벨상위치에 있었다.

w+, w- 입자질량은 80 GeV 이고, z0입자는 91 GeV이다. 중성자, 양성자 질량은 대략 1 GeV이다. 이것이 무슨 얘기냐? 엄마가 애를 베었는데, 태 속에 애가 엄마 몸집의 100배가 된 사건이다.

질량이 무지하게 크면, 불확정성원리(ΔE.Δt>ħ/2)에 의해 수명이 무지하게 짧아진다. 수명이 10에-24승 초가 되고 그 동안 날아간 거리가 원자핵을 못 빠져 나간다. 그래서 바깥에서 볼 수가 없고, 양성자 속에서만 일어난다.

예언을 하고서는 측정을 해야 하는데, 실재로 맞다고 하면 입자물리학이 다 뒤집어지는 혁명이 일어날 것이라는 것을 유리아가 즉각 알고, 그것을 할 수 있는 실험시설의 설계를 바꾸려고 하였다. 앤더슨 소장을 설득하여 SppS를 만들어 그 해 바로 찾아냈다. 그리고 인류역사가 바뀌었다. 이것이 진짜 베타붕괴이다. 압도적으로 성공하고 입자물리학의 패권이 유럽으로 넘어왔다.

LEP는 Large Electron–Positron Collider이다. 전자와 양전자를 1 GeV까지 가속시키는 프로젝트인데, 양전자를 가속시키려면 엄청난 터널이 있어야 한다. 그래서 27 km 터널을 구축했다. 전자와 양전자를 광속도에 가깝게 가속해서 충돌하면 온갖 입자가 나온다. 2000년도까지 bottom quark을 10억개를 만들었다.

LEP 프로젝트가 성공하고 이 터널을 제대로 활용하겠다고 만들어진 가속기가 LHC(Large Hadron Collider)이다. 여기서 Hadron은 양성자이다. 반양성자를 만드는 메리트가 없어서 여기서는 양성자와 양성자의 충돌이다.

LHC는 SPS, PS를 그대로 쓴다. 양성자 소스를 PS로 보내어 예비가속을 시켜 SPS로 보낸다. 한쪽에는 중이온인 납을 보내주는 2개의 실험을 한다. 올라간 양성자는 PS에서 돌다가 450 GeV가 되면 지하 27 km터널을 돈다. 양쪽 방향으로 양성자를 보내는데 검출기 이름이 ATLAS이다. 전세계 30개국 3000명의 과학자가 여기서 나온 자료를 분석한다. 다음 검출기는 Alice인데, 중이온을 분석한다. 또 다른 검출기는 CMS이다. 뮤온검출기이다.

뮤온은 여러분이 들어본 것 같은데 잡히는 것이 없다. 얼마나 황당한 소립자인가 하면 렙톤으로 전자질량의 200배인데, 전자기상호작용을 안하고 약한상호작용만 한다. 전자 하나면 되는데 전자 200배 질량을 자연이 왜 만들어냈는가가 입자물리학의 미스터리다. 하도 어처구니 없으니 나비가 했던 말이 “누가 주문했어?＂이다. 물리학자들이 아무리 따져봐도 특별히 만들어낼 이유가 없다. 나중에 공부해보면 힉스메커니즘까지 가는데 큰 역할이 있다.

다음이 LHC 이다. LHC는 전체 다 이다. LHC라는 것을 정확히 이해하면 지난 100년 동안의 입자물리학을 다 알 수 있다. 여기서는 양성자와 양성자를 충돌시킨다. 이 가속기로 신의 입자, 우주 자체를 찾고 싶은 것이다. 신의 입자를 찾기 위해 필요한 에너지는 양성자 20억분의 1 g이다. 모기가 하품 했을 때 양이다. 그것을 광속도에 가깝게 가속해서 충돌할 때 에너지가 KTX 1대의 에너지이다. 이 문장에 1주일 동안 전율했다. 이렇게 가속시켜야 신의 입자가 등장한다.

CERN의 모든 가속기를 예비 가속기로 그대로 쓰고 27km 터널을 그대로 이용하는데, 27 km를 초전도체를 깔아야 한다. 이것을 알고 오늘 양성자가속기를 보았다면 진짜 숨막히는 순간이 되었을 것이다. 경주양성자가속기는 70 m이다. 규모가 적은 것이 아니고 응용분야가 다를 뿐이다. 원리는 완전히 같다.

여러분에게 과거기억이 있다. 과거기억이 미래를 만든다. 단 조건이 있다. 여러분의 기억을 평가해야 미래에 위대한 기억이 된다. 아무리 많은 공부를 해도 과거의 기억을 평가하지 않으면 사라지는 기억이다.

마지막으로 차에서 들려준 이야기가 방대한 입자물리학 50년의 이야기는 한 줄로 쓸 수 있다. SU(3)×SU(2)×U(1)이다. 물리학 박사 100명 중 한명이 이것을 한다. 돈이 안 되서 먹고 살기 어렵다. 이것을 하는 사람들은 수도승과 같다. 언젠가 다 이해하려는 길로 다가왔다.

SU(3)은 세 가지 색 R,G,B이다. u에서 u로 바뀌는데 색깔이 다르다. 글루온이 들어가 색깔을 바꾸어준다. 전자는 전하라는 옷을 입고 있고 쿼크는 3가지 색깔을 입고 있다. 색깔을 바꾸는 힘이 작동하는데, QCD(Quantum chromo dynamics)라고 한다. 그래서 SU(3)에 C를 적어주는데, 3 color charge라는 말이다. ‘N제곱-1’의 입자가 나오므로 칼라가 3개이니 8개의 글루온 입자가 나온다. 글루온 8개 종류는 RGB와 RGB-bar를 수학의 군론을 이용하여 분류한 것이다.

SU(2)는 1920년부터 시작한 것인데, SU는 special unitary로 행렬의 값이 1이라는 것이다. SU로 쿼크의 입자물리학 특성이 통용이 된다는 말이다. 중성자, 양성자는 SU(2) 시스템으로 설명이 된다는 것으로 이 시스템이 Isospin이다. SU(2)에는 L이 붙는데, 2 Left handed isospin charge를 말한다. Isospin을 일반화한 개념이 양밀스이론이고 그것이 바로 게이지이론이다. 입자물리학의 다른 이름이 게이지이론이다. 이 문을 처음 연 사람이 하이젠베르크이다.

질량관점에서는 비슷하니 양성자와 중성자를 묶을 수 있지만 전기적 관점에서는 속성이 달라서 묶을 수 없다. 하이젠베르크가 같다고 두는 탁월한 아이디어를 내고 지금의 힉스입자까지 발견되었다. 두개가 전자기력에서는 다르지만 핵력에서는 완벽히 같다. 핵력에서는 양성자끼리도 당기고 중성자끼리도 당기고 양성자와 중성자도 당기므로 완전히 동일하다. 중성자와 양성자를 묶은 성질을 isospin이라고 한다.

또한 질량이 0인 광자와 뚱보 3형제 w+, w-, z0를 묶을 수가 없는데, 한 형제인 것 같다는 냄새를 맡고 전개한 것이 게이지 이론이다. 그것을 수식으로 증명한 사람이 와인버그이고 실험으로 보여준 사람이 유리아이다. 에너지가 140 GeV이상이 되면 3명의 뚱보가 갑자기 질량이 0가 된다. 그러면 빛과 같아진다. 이 이론을 표준모형이라고 한다. 여기에 동참한 사람이 리처드 파인먼, 이휘소, 살람, 와인버그 등 60-70년대 기라성 같은 학자들이 도달한 개념이다. 3명의 뚱보와 1명의 홀쭉이가 우주 초기로 올라가 에너지가 140 GeV 쯤 되면 한 형제임이 증명된다는 것이다. 이것을 다른 말로 전자기상호작용과 약한상호작용이 통합이 된 약전력이 우주에 먼저 출현했고, 우주가 팽창하면서 전자기상호작용과 약한상호작용이 분리되었다는 것을 알게 되었다.

4명의 4형제를 회복하고 나니, 어떻게 뚱보가 되었는지 설명해야 한다. 질량을 어떻게 획득했는가에 모든 관심이 모아졌다. 어디서 질량을 구걸해 왔지? 동지팥죽 버전으로 동지팥죽을 돌리면 새알이 튀어나온다. 돌리는 에너지로 무언가 올라오는 것이 입자이다. 입자를 발견했다는 말은 다른 말이다. 입자물리학에서 입자를 발견했다는 말은 입자를 만들어서 발견한 것이다.

그러면 야들이 왜 뚱보가 되었는가? 이것을 찾는 궁극의 이론이 힉스메커니즘이다. 우주의 진공은 힉스 바다에 잠겨져 있는데, 모든 입자들이 헤엄을 칠 때 물의 저항이 질량으로 바뀌었다. 저항을 많이 느끼는 입자인 w입자는 질량을 많이 획득했고, 질량을 거의 안 느끼는 입자가 광자이다.

모든 진공이 힉스 바다에 잠겨 있다면 모든 필드는 입자로 바뀔 수 있다. 힉스진공이 입자로 바뀌었을 때 그 입자가 힉스입자이다. 힉스입자를 발견만 하면 우주의 모든 입자가 어떻게 질량을 얻었는가를 완벽히 알 수 있다. 마지막 게임이다. 힉스입자의 발견은 만들어내는 것이다. 그래서 만들어 냈다.

힉스입자의 질량을 계산해 보니 1 테라급이면 된다고 의견이 모아졌다. 그래서 미국 페르미랩에서 테바트론이 먼저 만들어지고, 유럽에서도 거의 동시에 만들어졌다. 페르미랩의 이론물리학 부장이 이휘소 박사였다. 테바트론에서 top quark 질량 175 GeV를 발견했다. 그리고 2012년에 힉스를 발견했다. 의외로 낮은 에너지인 양성자 150개 질량인 126 GeV이다. 힉스입자가 발견되었다는 것은 이제부터는 가속기에서 만들어낼 수 있다.

입자물리학은 1단계 마무리가 되었다. 쿼크와 쿼크 사이의 글루온 관계를 이제서야 알게 되었다. 양성자 속을 시뮬레이션 하면 밀가루 반죽 같다. 랜덤하게 요동하는데 글루온의 질량은 0이고 광속도로 움직이고 그 상호작용으로 쿼크가 생겨난다. 비유는 동지팥죽 돌리다가 메추리알이 튀어나올 수 있고 더 돌리면 달걀이 튀어나올 수 있고 더 한참 돌리면 힉스입자가 튀어나온다. 힉스입자가 탁 나왔을 때 동지팥죽의 반죽은 에너지 자체로 진공이다.

입자로 들어가면 다시 갤럭시가 나온다. 우주론과 입자물리학은 정확하게 같은 학문이다. 왜냐하면 블랙홀은 입자이기 때문이다. 블랙홀의 속성은 spin, mass, charge 밖에 없다. 바로 입자의 속성이 spin, mass, charge이다. 입자가 곧 우주이다. 여러분은 오늘 양성자를 보았고 우주를 보았다.

원자로의 반응을 조절하기 위한 냉각제(중수 D2O, 경수 H2O)에 따라 중수로, 경수로로 나눈다. 중수는 수소원자에 중성자가 1개 더 있는 중수소가 산소와 결합한 분자이다. 중수와 경수는 150기압 300도로 압축한 액체상태로 가압경수로, 가압중수로라고 한다. 전세계 440개 원자력발전소 중 90%가 가압경수로이다. 우리나라에 21개 원자력발전소 중 17개가 경수로, 4개가 중수로인데, 중수로는 월성원전에 있다. 중수로는 연료봉을 매일 바꾸어야 하는데, 재처리 과정에서 플루토늄이 나온다. 플로토늄을 농축하면 원자폭탄을 만들 수 있다. 경수로는 1년에 한번 통째로 바꾼다.

원자로에서 공급된 열에너지로 증기를 발생시켜서 터빈을 돌려서 전기를 만들고 나서 증기를 식혀야 하는데, 바닷물이 사용된다. 그래서 원전은 바닷가에다가 짓는다. 최근에는 사막지역에 최신공법으로 물을 안 쓰기도 한다.

산업혁명이 일어나 수력에서 벗어나 석탄으로 바꾸면서 공장이 강가에 없어도 되니 런던의 대도시에 공장이 들어섰다. 석탄은 땅 속에 묻혀 있어 석탄을 캐내면 갱도에 물이 들어가니 빼내야 하니 펌프가 있어야 하고, 물을 빼다가 공기를 빼면서 진공관이 생기고 과학혁명이 일어난다.

마리 퀴리의 지도교수가 베크렐이다. 유럽에서 과학자 집안은 광물을 모으는 광물학자이다. 뢴트겐이 X선을 발견하였는데, 음극선관을 사용하였고 광물과 관계없다. 광물에서 방사선의 원조는 베크렐이다. 1806년 베크렐이 우라늄에서 뭔가가 뿜어져 나온다는 것을 알게 되었다. 베크렐의 젊은 여학생 제자가 마리 퀴리이다. 베크렐에 이어 우라늄을 하다가 라듐으로 넘어갔다. 라듐을 만지다가 폴로륨을 발견하였다. 폴로륨 1 g을 마이트너가 얻어서 체드윅에게 보내주어 중성자를 발견하게 된다.

페르미는 시카고대학의 물리학 대장이다. 페르미는 이탈리아에서부터 라듐붕괴실험을 했다. 그때까지는 모든 유럽의 실험그룹이 알파입자로 생각했다. 페르미가 미국으로 망명가서 우라늄 235를 실험했는데, 알파붕괴가 아니고 핵분열이라는 것을 처음으로 알게 된 학자가 마이트너이다. 우라늄에서 205 MeV 에너지가 아인슈타인의 E=mc2에서 나온 것이라고 인류역사 최초로 이야기 했다.

마이트너 조카인 질라드와 토론하면서 이것이 E=mc2에서 나온 것이 아닌가 하는 힌트를 페르미가 듣고 그 상태로 원자폭탄까지 갔다. 아인슈타인도 그때 당시 E=mc2 이 원자력과 연결될 거라는 것을 몰랐다. 마이트너가 온갖 실험한 것을 이어서 질라드가 엄청난 에너지가 나올 수 있다는 것을 계산하고 페르미도 공유하면서 아인슈타인이 심각성을 알게 되었다. 그래서 루스벨트 대통령에게 편지를 보내주고, 미국 의회를 움직여서 맨하튼 프로젝트가 시작되었다.

맨하튼프로젝트에서 처음 만들어진 가속기 연구소가 미국 부룩헤븐 네셔널 랩(Brookhaven national lab.)이다. 20억 짜리 맨하튼 프로젝트에서 쓰고 남은 돈으로 영구적으로 연구할 수 있는 연구소를 만들었는데, 그 사람이 오펜하이머다. 과학자 4000명의 총지휘자가 오펜하이머이다. 이때 대학원생으로 열심히 일한 학생이 리처드 파인먼이다. 리처드 파인먼의 지도교수가 존 휠러이다. 페르미는 인류역사상 최초로 연쇄핵반응을 일으킨 사람이다. 그래서 원자력발전소의 아버지는 페르미이다.

우주의 99.9%는 플라즈마 상태이다. 1억도까지 올라가야 핵융합이 된다. 1억도를 담을 수 있는 그릇이 지구상에 없다. 플라즈마를 가두어 놓을 수 있는 것이 초전도체 자기장이다. 플라즈마를 공중에 띄운다. 영화 <아바타>에 산이 떠 있는 상태이다. 현재 100초를 유지하는데 성공했다. 10분 유지히고, 1년 유지하면 상용화가 된다. 우리나라 과학자가 핵융합 분야에 지도자급에 있다.

중수는 유리가 발견했다. 유리는 오펜하이머와 친하다. 신생대 기후변화, 기후학의 출발이 중수의 발견에서 부터이다.

원자로 코어에서 우라늄235 대략 10 kg이 핵분열을 하면 중성자가 2개씩 생기는데, 속도를 줄여 주어 저속중성자로 바꾸어 줄 때 필요한 것이 제어봉이다. 초기에는 흑연을 썼다. 제어봉으로 중성자 개수를 조절해주고, 경수나 중수로 중성자 에너지를 줄여준다. 천천히 에너지를 빼내서 터빈을 돌려서 전기를 만든다. 이때 뜨거운 증기를 식혀 주는 것이 바닷물이다. 원리는 간단하다. 205, 5, 6, 167, 7, 8, 12를 아는 사람은 쉽다.

저준위, 고준위 핵폐기물이 나온다. 고준위 폐기물은 지하 100 m에 매립한다. 암염층이 가장 좋다. 다큐멘타리에서 미국 네바다 암염층에 핵폐기물을 매립하는데, 암염층을 팔 때 지질학자와 생물학자가 참여해 암염 조각을 떼 내보니 기포에 물이 있다. 지층이 중생대이다. 어쩌면 2억년 전 바닷물이 아닐까 하여 정밀하게 실험실에서 뽑아보니 박테리아가 나온다. 죽은 줄 알고 혹시나 하고 온도와 조건을 맞추어 주니 살아났다. 놀라운 다큐멘터리이다. 생명이 2억년 동안 잠잘 수 있다. 죽는다는 개념은 다세포동물에서 생긴 것이다.

인류가 화성으로 가는데 에너지 공급해주거나 사막에 전원 공급해주는 소형원자로 시장이 어마어마해진다.

각각의 이야기들이 있다. 최근에 인간의 직접적 인터액션이 사라지고 있다. 지금 20대는 직접 전화하는 것도 힘들어 한다. 직접 말하고 얼굴 마주하는 것이 점점 어려워진다. 그래서 장례식에도 '슬픔'이라는 위대한 감정이 사라진다. 슬픔은 기억이다. 우리 유기체가 실체인가? 기억이 실체인가? 아련하게 봄이 몰려오는데 '기억'이라는 관점에서 다시 본다.

서양에서 지중해 연안 국가의 기억의 원형이 '그리스 로마 신화'이다. 동양문화권에서는 그리스 로마 신화에 버금가는 이야기 엮음이 없다. 한반도에서 가장 강하고 아름다운 이야기가 남겨진 것이 서라벌이다. 천년 묵은 시루떡 맛을 갖고 있다고 평한다.

우리의 존재는 이야기일 뿐이다. 과학도 이야기일 뿐이다.

양성자 가속기에서 기억나는 것, 350 MHz는 교류 전기장이다. 춘향이 그네 타는 것이다. 왜 교류를 흘려야 하는가를 이해하는 것이다. 피겨스케이팅 계주에서 밀어주는 것이다. 밀어주고 당겨주는 교류가 350 MHz이다. 밀고, 당기고, 다음은 당겨 준 극에서 밀어준다. 그네가 계속 앞으로 나가게 한다. 자기장에는 코일이 4개 감겨 있어 양성자 빔이 갈 때 빔을 모아준다. 이론은 그것 밖에 없다.

또 기억나는 것은, 가장 인상적으로 들은 것은 스텔스 기술 이야기이다. 전체가 전자기학의 결정판이다. 아직 우리나라에 기술이 없는데, 동공구조가 있는 전자기장을 완벽하게 제어할 수 있다. 양성자 가속기의 350 MHz는 2차세계대전에 확립된 계산을 그대로 사용한다.

CERN의 LHC는 양성자와 양성자를 충돌하는 것이고, 속도가 광속의 99.999%이다. 가속에너지가 7 TeV이다. 양쪽으로 하면 충돌순간의 에너지는 14 TeV로 인류가 실험한 에너지 중 최고이다. 이보다 더 큰 에너지도 있는데, 중이온가속기로 납을 가속하여 충돌하면 1150 TeV이다. 납은 82번이라 양성자 질량의 150배가 되기 때문이다.

양성자 봉지에 1000억 개 양성자가 들어가고 그것이 3000개인데 이것을 빔이라고 한다. 봉지 당 간격이 25 나노초로 7.5 m이다. 1초에 1만 번 통과하고 1000억 개 중 단 20개가 충돌한다. 20개*3000개*10,000번=6억 개이다. 1초에 6억 개가 정면충돌해서 온갖 입자가 나온다. 데이터량이 미의회도서관 모든 책의 정보량의 몇 배 되는 양이 1년 만에 나온다. 그 데이터의 0.01%만 거른다. 전세계 센터의 레벨2가 주요연구대학이다. 경북대학교 물라학과가 레벨2이다. 광통신으로 보내주어 전세계 대학에서 분석하는 과정을 거쳐서 힉스입자까지 발견하였다. LHC 디텍터가 1000톤 오더로 어마어마하다. 가장 큰 부피를 차지하는 것이 뮤온 디텍터이다.

양성자 빔의 양성자 수는 3000개*1천억=300조이다. 양성자 300조개의 질량은 20억 분의 1그람인데, 에너지가 100 kg TNT 에너지이고, 이 에너지는 KTX가 달리는 에너지이다. 양성자 안으로 더 들어가면 어마어마한 에너지가 있다는 것이다. 소립자로 들어가면 우주론과 같은 학문이다. 양성자가속기를 본 것이 아니고 우주가 만들어진 스토리를 본 것이다. 스토리 속에 과학이 있고 역사가 있다.