감정에 먹히지 않되 그것의 메시지를 알아차리는 것이 중요하다. 게티이미지뱅크 제공

생각에 대해 생각할 줄 아는 사람들이 그렇지 않은 사람들에 비해 부정적 정서를 잘 이겨낸다는 발견들이 있었다. 예를 들어 슬프고 우울한 기분이 들 때 밑도 끝도 없이 우울하다고 하기보다 “오늘따라 사소한 실수에도 크게 속이 상하고 실패자가 된 느낌이 드는데 왜 그럴까. 아마 며칠 동안 스트레스가 심해서 그런 거 같다”처럼 자신의 마음 상태를 분석적으로 생각할 수 있는 사람들이 그렇지 않은 사람들에 비해 우울감을 잘 이겨내는 경향을 보인다.

많은 경우 우리의 감정이나 생각은 현실을 있는 그대로 반영하기보다 다양한 상황적 요소들에 의해 들쑥날쑥하기 마련이다. 보통이라면 전혀 짜증나지 않았을 만한 일이 몸과 마음이 지쳐있을 때면 버럭 화가 날 만한 일이 되는 것이 단적인 사례다.

우리의 판단력이라는 것도 이렇게 평소보다 감정이 격해질만한 상황에 놓였을 때는 그다지 신뢰할 만하지 못하다. 배가 심하게 고플 때 장을 보면 평소보다 훨씬 많이 사게 되고 화가 났을 때는 세상 사람들이 나의 적인 것처럼 보인다. 화장실 가기 전과 갔다 온 후가 완전히 다르다는 말처럼, 감정적으로 머리가 뜨거울 만한(hot state) 상황에서는 우리의 감정도 이성도 제대로 작동하지 않는 경우가 많다.

그래서 잔뜩 화가 났거나 한 밤 중에 갑자기 존재론적 고독감이 몰려왔을 때 중요한 결정을 하지 말라는 조언들을 한다. 홧김에 사표를 내는 것이나 새벽에 갑자기 전 애인에게 문자를 보내는 행위는 대체로 다음 날 큰 후회를 불러오곤 하기 때문이다.

나의 경우 우울함이 몰려오는 새벽이면 인터넷으로 충동구매를 하고 그 다음 날이면 정신이 들면서 부랴부랴 구매를 취소하는 일을 겪곤 함을 고백한다.

“마음의 소리”를 따르라고들 하지만 그래도 될 때가 있는 반면 그러면 안 되는 때가 있다는 것이다. 하지만 보통 마음의 소리를 따르면 안 될 때일수록 마음의 소리가 유난히 시끄럽기 때문에 지금이야말로 마음의 소리를 따라야 할 것 같은 확신이 든다는 게 문제다. 이런 점에서 더더욱 내 마음에 대해 따지고 분석할 줄 아는 능력이 중요하다.

나의 경우 만성 통증이 올라오면 우울해지는 경향이 있다. 바로 어제도 통증을 감지하고 한창 우울감에 빠져 있었다. 어느새 스스로에게 이렇게 사는게 도대체 무슨 의미가 있는지 의문을 던지고 있는 나를 발견했다. 이럴 때면 모든 일을 그만 두고 아무도 모르는 곳으로 훌쩍 사라져버리고 싶다는 생각을 하게 된다.

그러던 중 문득 신체적 통증과 이에 대한 감정 반응(짜증, 슬픔 등)은 별개임을 떠올리고 이런 감정들이 나타난 경위에 대해 생각해보기 시작했다. 내 마음이 계속해서 나에게 ‘정말 싫다. 우울하다. 짜증난다.’ 같은 말을 하고 있는 것을 발견했다.

물론 지금의 삶이 별로 의미 없는 것 같다는 느낌을 사실로 받아들일 수도 있지만, 우선 이건 어디까지나 나의 감정이고 생각임을 떠올려 보았다. ‘나는 지금 이렇게는 살고 싶지 않다는 생각을 하고 있다. 나는 지금 내 마음이 나에게 이렇게 살기 싫다고 이야기하고 있음을 인식하고 있다.’ 하고 목소리를 내어 스스로에게 이야기해 보았다.

별 것 아닌 행동이지만 목소리를 내어 이야기해 보니 나를 계속해서 괴롭히던 것의 정체는 나의 생각임이 분명해지는 듯한 기분이 들었다. 내가 만들어 낸 생각과 현실을 조금 구분할 수 있을 것 같았다. 그 기저에는 통증에 대해 내가 할 수 있는 것이 없고 앞으로도 영원히 아플 거라는 다소 비합리적인 신념이 있다는 점도 발견할 수 있었다.

꾸준히 치료를 받는 것이 분명 도움이 되고 전반적인 건강 관리를 잘 하면 좋아진다는 것도 경험을 통해 분명히 알고 있다. 하지만 우울감에 깊이 빠져 있을 때면 마치 마음에 검은 장막이 드리워지듯 긍정적이었던 경험들이 묻혀 하나도 떠오르지 않게 된다. 결국 우울할 때면 가장 안 좋았던 경험과 가장 안 좋은 상상만 선택해서 떠올리는 것이 큰 문제임을 알 수 있었다.

떠오르는 감정을 억누르는 것은 별로 좋지 않지만 감정에 대해 따져보는 시도는 중요한 것 같다. 부정적 감정의 존재 이유는 어디까지나 우리가 안전하고 행복하게 살아갈 수 있도록 잠재적인 위험 요소에 주의를 주게끔 만드는 것이다.

따라서 어디까지나 감정에 먹히지 않되 그것의 메시지를 알아차리는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 지나치게 주의를 빼앗겨 현실적인 문제 해결과는 동떨어진 길을 가게 될 수 있음을 기억하자.

Hargus, E., Crane, C., Barnhofer, T., & Williams, J. M. G. (2010). Effects of mindfulness on meta-awareness and specificity of describing prodromal symptoms in suicidal depression.Emotion, 10(1), 34–42. https://doi.org/10.1037/a0016825

※필자소개
박진영. 《나, 지금 이대로 괜찮은 사람》, 《나를 사랑하지 않는 나에게》를 썼다. 삶에 도움이 되는 심리학 연구를 알기 쉽고 공감 가도록 풀어낸 책을 통해 독자와 꾸준히 소통하고 있다. 온라인에서 ‘지뇽뇽’이라는 필명으로 활동하고 있다. 현재 미국 듀크대에서 사회심리학 박사 과정을 밟고 있다

지구 온도가 1도 더 오르면 인간이 체온 조절 능력을 잃게 될 것이란 연구 결과가 나왔다. piyaset/게티이미지뱅크 제공.

현재 지구 평균 온도는 산업화 이전보다 1도 가량 높다. 여기서 1도 더 오르면 인간 스스로 체내 열을 식히기 어려운 상태에 이르러 계속 체온이 상승하는 끔찍한 상황이 벌어질 것이라는 연구 결과가 나왔다.

미국 펜실베이니아주립대와 퍼듀대 공동연구팀은 지구온난화가 가속화돼 앞으로 지구 온도가 더욱 높아졌을 때를 가정한 모델링 연구를 진행한 결과를 10일 국제학술지 ‘미국국립과학원회보’에 발표했다.

산업혁명이 시작되면서 인간은 기계를 돌리기 시작했고 화석 연료를 태웠다. 이는 전 세계 온도가 1도 상승하는 원인이 됐다. 위기를 감지한 글로벌 사회는 2015년 열린 파리협정에서 산업화 전보다 1.5도 상승하는 것을 막기 위한 공동 목표를 세웠다.

하지만 상황은 나아지지 않고 있다. 지구온난화는 계속 진행되고 있으며 연구팀은 최악의 경우 1.5~4도 더 상승할 가능성이 있을 것으로 보고 이를 가정한 모델링 연구를 시행했다. 그 결과 지구의 여러 지역에서 인간의 한계를 초과한 열과 습도 조합이 발생할 것이라는 점을 확인했다.

펜실베이니아주립대 연구팀이 지난해 발표한 연구에 의하면 젊고 건강한 사람이 견딜 수 있는 습구 온도의 한계는 31도다. 습구 온도는 온도계 수은주 끝에 물로 적신 솜을 감싸 측정한 온도로 대기 중 상대습도가 100%일 때의 온도를 의미한다.

연구팀에 의하면 인류 역사에서 이처럼 인간이 견딜 수 있는 한계를 넘는 온도와 습도 조합이 중동 및 동남아시아에서 여러 차례 발생했으며 한 번에 몇 시간 동안 이런 상태가 유지됐다는 기록이 있다.

연구팀은 지구의 온도가 산업화 이전보다 2도 상승할 경우, 앞으로 1도 더 상승하면 파키스탄과 인도의 인더스강 계곡에 사는 22억 명, 중국 동부에 사는 10억 명, 사하라 사막 이남 아프리카 지역에 사는 8억 명이 매년 인간의 한계를 넘는 더위를 경험하게 될 것이라고 보았다. 합해서 약 40억명으로 전세계 인구 기준 약 절반에 달한다.

고온고습 환경은 땀의 증발을 막는다. 중하위 소득 국가에서는 에어컨 등을 이용한 쾌적한 실내환경을 누리지 못하는 사람들이 많아 고스란히 건강 피해로 이어질 위험이 높다.

산업화 이전보다 지구 온도가 3도 더 높아지면 미국 동부 지역과 중부 지역으로 영향이 확장되고 남미와 호주 등도 극심한 더위를 경험하게 될 것이라는 게 연구팀의 추정이다.

지난 2021년 미국 오리건 주에서 폭염으로 700명 이상의 사망자가 발생했다. 연구팀은 이때의 더위는 인간의 임계점을 넘지 않은 더위 수준이었다고 설명했다. 앞으로 더욱 치명적이고 위협적인 더위를 경험하게 될 위험성이 높아지고 있다는 것이다.

인간의 몸은 더울 때 땀을 흘리고 열을 발산하며 체온을 유지한다. 하지만 특정한 온도와 습도 조합에서는 땀이 증발하지 못해 열이 식지 않고 열탈진, 열사병, 심혈관질환, 심지어 사망에 이를 수 있다. 현재의 기후 변화가 이어지면 앞으로 인간의 체온 항상성이 깨지면서 인간 스스로 체온을 조절하기 힘든 상태에 이를 것으로 보인다는 설명이다.

연구팀은 현재 전세계 기후 위기 전략이 ‘기온’에만 초점을 맞추고 있는데 습한 상태는 건조한 상태보다 훨씬 위협적이라는 점에서 온도와 습도를 모두 타깃으로 한 전략이 필요할 것이라고 강조했다. 노인들은 젊은 사람들보다 낮은 온도와 습도 수준에서도 열 스트레스로 인한 건강 위협을 받는다는 점에서 노약자 돌보기 정책 또한 필요하다고 보았다. 1995년 시카고 폭염으로 사망한 939명의 대부분이 65세 이상 연령이었다.

가십의 대표적인 역할은 ‘결속’이다. 게티이미지뱅크 제공

직장 상사에 대한 욕을 하거나 자신에게 상처를 준 사람에 대해 그 사람을 알고 있는 제 3자에게 이야기 하는 행위를 흔히 ‘가십(gossip)’ 또는 뒷담화라고 한다.

가십과 관련된 흥미로운 발견은 인류 역사를 통틀어 어떤 사회에서든 가십은 사람들이 가장 즐기는 사회적 스포츠 중 하나였다는 사실이다. 학자들은 이러한 가십이 사실 매우 중요한 사회적 기능을 한다고 본다.

우선 한 가지는 평판을 수정하고 처벌하는 효과다. 많은 사람들이 자신에게 어떤 영향력을 휘두를 수 있어서 잘 보여야 하는 사람들 앞에서는 간도 쓸개도 빼줄 것 처럼 잘 하다가 별루 중요하지 않은 사람에게는 함부로 대하는 등 대상에 따라 언행을 달리하는 모습을 보인다.

직장은 멀쩡하게 잘 다니고 있으면서 학교에서 교사를 상대로 갑질하는 학부모나 다른 사람들 앞에서는 예의바르면서 유독 나에게는 무례하게 구는 사람 등이 대표적인 다.

우리는 이런 사람들을 보면 다른 사람들에게도 ‘저 사람의 실체’를 알려야겠다는 마음을 갖게 되고 주변 사람들에게 그 사람에 대한 이야기를 하게 된다. 이렇게 함으로써 저 사람이 그동안 괜찮은 사람인 양 평가받아왔던 것이 사실은 터무니 없이 높게 책정된 잘못된 평판 또는 가격임을 알리고 그 사람의 평판은 수정을 거치게 된다.

이 과정에서는 불공정한 방법(거짓말, 겉과 속이 다름)을 통해 불공정한 방식으로 높은 평판을 얻어낸 사람에 대한 합당한 처벌을 이끌어 내고 나름의 사회적 ‘정의’를 실현하겠다는 의지가 나타난다.

옳고 그름을 떠나 양육비를 주지 않은 아빠들의 신상을 공개하거나 다른 여러 범죄의 가해자들의 신상을 퍼트리는 행위 또한 이러한 시도의 일환이다. 또한 가십은 어떤 사람의 실체나 다면성을 알려 사람들에게 주의를 줌으로써 소중한 사람들이 무방비 상태로 같은 피해를 입지 않게끔 2차 가해를 방지하는 역할을 하기도 한다.

가십의 또 다른 대표적인 역할은 ‘결속’이다. 보통 좋지 않은 일에 대한 이야기이고 가십의 대상이 가십의 존재를 알면 안되므로 많이들 ‘믿을 만한’ 사람에 한해 가십을 시도한다. 때로 아무에게나 모두의 험담을 하는 사람도 있긴 하지만 그런 사람들은 보통 무리 안에서 빠르게 신뢰를 잃기 마련이다.

특히 민감한 사안에 대한 폭로는 그 이야기를 듣는 사람에게서도 이 사람이 나를 믿고 의지하고 있다는 느낌을 갖게한다. 가십이 일어나는 경우 이미 상당히 친밀한 관계일 가능성이 높지만 서로 은밀하고 민감한 정보를 교류하면서 점점 더 친해지는 현상이 나타난다. 사람들은 좋아하는 것에 대해 나누면서 친해지기도 하지만 싫어하는 사람에 대한 욕을 하면서 친해지기도 하는 것이다.

최근에는 틱톡이나 유튜브 등을 통해 타인들의 대화를 촬영하고 인터넷에 공유하는 일이 늘어나면서 맥락 없이 대화에 참여한 모든 사람들을 사악한 캐릭터로 보이게 만들어 마녀사냥 하는 일들이 늘어나고 있다.

하지만 사실 가십은 인간이라면 누구나 다양한 이유로 많이 참여하는 대표적인 사회적 활동이다. 정도는 달라도 다들 적어도 한 번쯤 자신에게 큰 상처를 준 사람에 대한 이야기를 하며 제 3자의 의견이나 위로를 구한 적이 있을 것이다.

또한 아무리 오래된 친구 관계라도 타인을 정확하게 이해할 수 없는 우리는 자신이 쓴 색안경이나 오해로 인해 타인의 행동을 실제보다 더 부정적으로 해석하기도 한다. 따라서 정의를 실현하겠다고 어떤 이에 대한 험담을 잔뜩 했지만 실상을 알고보면 내가 틀린 경우 또한 적지 않다.

때문에 많은 이들이 이미 가십을 어느 정도 걸러 듣는 편이기도 하다. 따라서 가십 자체에 엄청난 의미를 부여할 필요는 없다. 물론 누군가가 나로 인해 상처를 받고 그 이야기를 다른 사람들에게 하는 일도 있겠지만, 이 또한 어느 정도는 자연스러운 일이다.

중요한 것은 내가 틀렸다면 경솔한 판단이었음을 빨리 인정하고 사과하는 것, 관계를 다시 회복하기 위해 노력하는 자세일 것이다. 또한 나에 대한 험담을 한 사람에 대해서도 너무 서운해 하지 말고 나의 잘못이 존재하는 경우 수정조치하고 오해라면 이를 풀어나가려 노력하는 것도 좋겠다.

Foster, E. K. (2004). Research on gossip: Taxonomy, methods, and future directions. Review of general psychology, 8(2), 78-99.
Wu, J., Balliet, D., & Van Lange, P. A. (2016). Reputation, gossip, and human cooperation. Social and Personality Psychology Compass, 10(6), 350-364.

※필자소개
박진영. 《나, 지금 이대로 괜찮은 사람》, 《나를 사랑하지 않는 나에게》를 썼다. 삶에 도움이 되는 심리학 연구를 알기 쉽고 공감 가도록 풀어낸 책을 통해 독자와 꾸준히 소통하고 있다. 온라인에서 ‘지뇽뇽’이라는 필명으로 활동하고 있다. 현재 미국 듀크대에서 사회심리학 박사 과정을 밟고 있다

피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 앤 륄리에 교수 (왼쪽부터). 위키미디어 제공.

2023년 노벨 물리학상은 극한 과학에서 한계까지 짧은 시간을 포착하는 ‘아토초 과학’ 시대를 열어낸 물리학자 3명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 피에르 아고스티니(82) 미국 오하이오주립대 교수, 페렌츠 크라우스(61) 독일 뮌헨공대 양자물리학과 교수, 앤 륄리에(65) 스웨덴 룬드대 교수 3명의 과학자를 올해 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 3일(현지 시간) 발표했다.

노벨위원회는 “올해 물리학상 수상자들은 전자동역학 연구에서 활용될 수 있는 아토초(100경분의 1초) 단위의 빛의 파동을 발생시키는 방법을 고안했다”며 “원자와 분자 내부에서 벌어지는 전자의 세계를 탐험할 수 있는 새로운 도구를 인류에게 제공했다“고 설명했다.

이들이 구현한 ‘극한으로 짧은 빛의 파동’은 전자가 움직이거나 에너지를 변화시키는 한순간을 포착하는 방법을 제시한 것으로 평가된다.

전자의 세계에서 사건은 수십, 수백 분의 1초에 불과한 매우 짧은 시간에 일어난다. 너무 빠른 속도이기 때문에 인간은 인지하기 어렵다. 초당 80회의 날갯짓을 하는 벌새의 움직임도 따라가지 못하는 인간의 인지 능력으로는 전자의 세계를 탐험하는 것이 불가능해 보였다.

수상자들은 너무나도 빠른 전자의 세계를 포착하기 위해 아주 짧은 순간 존재하는 빛의 파동을 고안해냈다. 벌새의 날갯짓을 촬영하는 고성능 사진기에서 아주 짧은 시간 빛의 노출이 이뤄지는 것처럼, 전자의 움직임을 포착하기 위해 전자의 속도를 뛰어넘는 빛의 파동을 만든 것이다. 이렇게 만들어진 빛의 파동은 원자와 분자 내부에서 일어나는 전자의 활동을 ‘순간포착’할 수 있게 했다.

앤 륄리에 교수는 1987년 적외선 레이저 빛을 불활성 기체에 투과시킬 때 다양한 빛의 광파(overtones)가 발생한다는 것을 발견했다. 이 광파는 레이저 빔이 기체 안의 원자들과 부딪칠 때 일정한 주기를 갖고 발생했는데, 기존 레이저를 사용했을 때보다 더욱 짧으면서도 강한 반응을 보였다. 펨토초 빛의 파동을 구현할 수 있는 재료를 제공한 것이다.

아고스티니 교수는 빛의 파동을 지속할 수 있는 실험에 성공했다. 2001년 실시한 실험에서 250 아토초 동안 빛의 파동을 유지하는 성과를 거뒀다. 헝가리 출신의 과학자인 크라우스 교수는 이보다 한걸음 더 나아가 650아토초 동안 지속되는 빛의 파동을 구현했다. 이를 통해 실제 전자의 움직임을 추적해냈다.

전문가들은 이들의 연구를 통해 ‘아토초 과학’ 시대가 열렸다고 평가했다. 조동현 고려대 물리학과 교수는 ”초고성능 현미경이 개발되면서 인류는 아주 작은 물체를 볼 수 있게 된 공간분해능을 얻게 됐다면, 아토초 빛의 파동은 아주 짧은 시간을 포착할 수 있게 된 ‘시간분해능’을 얻은 것으로 빗댈 수 있다“고 설명했다.

아토초 단위로 존재하는 빛의 파동은 다양한 과학 영역에서 활용될 수 있다. 의료 분야가 대표적이다. 아토초 파동을 활용하면 X-RAY에 DNA가 손상되는 아주 짧은 순간까지 관찰할 수 있다. 반도체 발전에도 기여할 것으로 기대된다. 임현식 동국대 물리반도체과학부 교수는 ”펨토초 수준의 빛의 파동은 반도체에서 발생하는 아주 기민한 메커니즘을 이해하는 데 큰 도움이 될 것“이라고 말했다.

아토초 기술은 물리학적으로도 큰 진전을 이룬 성과로 여겨진다. 남창희 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학연구단장은 ”아토초 빛의 파동을 활용하면 지금까진 볼 수 없었던 핵의 운동까지 들여다볼 수 있을 것“이라고 말했다.

올해 노벨상 수상자에겐 2022년보다 약 100만 크로나 증액된 1100만 스웨덴 크로나(한화 약 13억 5894만원)이 수여된다. 이번 물리학상 수상자 3명은 상금을 3분의1씩 나눠갖는다. 올해 노벨 과학상 수상자 발표는 2일 생리의학상, 3일 물리학상, 4일 화학상 순으로 진행된다.

947년 미국 프린스턴 고등연구소에서 오후 차담을 나누는 로버트 오펜하이머(왼쪽)와 폴 디랙(가운데), 에이브라함 페이스(오른쪽). 1928년 디랙은 디랙방정식을 고안해 반물질로 가는 길을 가리켰고 1930년 오펜하이머는 디랙방정식을 해석한 논문에서 반물질의 완전한 비전을 제시했다. 위키피디아 제공

지난달 오랜만에 극장에 가서 영화를 봤다. 미국의 물리학자 로버트 오펜하이머의 전기 ‘아메리칸 프로메테우스’를 원작으로 한 ‘오펜하이머’다.

외모만 보면 전형적인 이론물리학자로 보이는 오펜하이머가 어떻게 원자폭탄 개발을 목표로 한 맨해튼 프로젝트를 이끌어 단기간에 성공시킬 수 있었을까 늘 궁금했는데 영화를 보니 조직력과 추진력이 대단한 인물이었다. 특히 박학다식함을 무기로 각 분야 전문가들 사이의 이견을 조율하고 다독이며 연구를 끌고 나가는 모습이 인상적이었다.

● 반물질의 완전한 비전 제시

1904년 미국 뉴욕에서 태어난 오펜하이머는 하버드대 화학과를 졸업한 뒤 유럽으로 유학을 떠나 당시 막 정립되던 양자역학을 공부하고 1929년 미국 버클리 캘리포니아대에 부임해 미국에 양자역학을 소개한 인물이다.

그러다 1942년 맨해튼 프로젝트를 이끌게 되면서 일찌감치 본인의 연구 활동은 접었다. 프로젝트가 끝난 뒤에도 1947년부터 프린스턴 고등연구소 소장에 부임해 과학행정가의 삶을 이어갔다.

오펜하이머는 베르너 하이젠베르크나 폴 디랙 등 양자역학을 만든 비슷한 나이대의 이론물리학자들과 맞먹는 천재성을 지녔음에도 이들에 버금가는 업적을 내놓지는 못했다. 아이디어는 뛰어남에도 끝까지 파고 들어가는 끈기가 부족했기 때문이다. 그러다 보니 버클리대 교수 시절에도 여기저기 건드리는 분야는 많았지만 대부분 일회성에 그쳤다.

그의 천재성과 기존 지식에 얽매이지 않는 기발함이 돋보이는 예가 바로 디랙방정식을 보고 떠올린 양전자 아이디어다. 1928년 영국의 이론물리학자 폴 디랙은 뛰어난 수학 감각으로 양자역학과 특수상대성이론을 결합한 디랙방정식을 만들어냈는데 그 결론이 뜻밖이었다. 원자 주위를 돌고 있는 전자의 에너지가 양의 값은 물론 음의 값도 나올 수 있었기 때문이다.

디랙방정식 해의 물리적 의미를 고민하던 디랙은 진공을 재해석해 돌파구를 마련했다. 진공은 텅 빈 공간이 아니라 음의 에너지인 전자로 꽉 채워진 상태라고 가정했다. 이때 외부에서 감마선 같은 에너지를 공급하면 양의 에너지가 된 전자가 튀어나오면서 구멍이 생긴다. 구멍은 음의 에너지를 지닌 전자의 부재로서 이는 양의 에너지를 지닌 양전하 입자라는 형태로 나타난다. 결국 감마선 에너지가 둘 다 양의 에너지인 전자와 양전하 입자 쌍으로 바뀐 셈이다.

디랙방정식 자체는 이론물리학자 사이에 엄청난 찬사를 받았음에도 음의 에너지에 대한 해석은 조롱의 대상이었고 결국 디랙은 이듬해 출판한 논문에서 이 양전하 입자가 양성자일지 모른다고 한발 물러섰다. 실제 그렇게 생각해서가 아니라 논쟁을 피하고 싶어서였다.

버클리에서 이 논문을 읽은 오펜하이머는 즉각 문제점을 파악하고 1930년 ‘전자와 양성자 이론에 대하여’라는 논문을 발표했다. 여기서 그는 전자의 쌍이 되는 양전하 입자가 양성자라면 수소 원소는 순간적으로만 존재할 수 있다며(감마선 쌍으로 소멸할 것이므로) 전자와 질량이 같은 미지의 입자가 존재해야 한다고 주장했다.

디랙은 즉시 오펜하이머가 비판하는 바의 중요성을 알아차리고 이듬해 발표한 논문에서 “실험물리학에서 아직 밝혀내지 못한 새로운 종류의 입자로 전자와 동일한 질량과 전하량(절대값)을 지녀 반전자(anti-electron)라고 부를 수 있다”고 썼다. 이어서 “이 대칭성이 정말 자연의 근본 법칙이라면 어떤 종류의 입자라도 전하가 반대인 짝이 있어야 한다”고 덧붙였다.

이렇게 반물질(antimatter) 이론이 정립되고 1년 뒤 미국의 실험물리학자 칼 앤더슨은 우주선(cosmic ray)의 안개상자 궤적을 분석해 반전자를 발견했고 이를 보고한 논문의 학술지 편집자가 반전자 대신 양전자(positron)란 용어를 만들어 썼다.

● 일반상대성이론에 따르면 차이 없어

그렇다면 반물질에 미치는 중력의 영향은 어떨까. 중력은 질량과 관련한 힘이고 반물질은 대응하는 물질과 같은 질량이므로 영향도 같을 것이다.

아인슈타인의 일반상대성 이론에서도 질량이 같은 모든 물체는 내부 구조와 관계없이 무게가 같아야 한다. 반양성자와 양전자로 이뤄진 반원자라도 원자와 정확히 같은 중력가속도가 작용해야만 한다.

그러나 ‘추한 진실이 아름다운 이론을 무너뜨릴 수 있다’고 몇몇 물리학자들은 반물질이 중력을 다르게 느낄 가능성을 제기했다. 우주론의 표준모형에 따르면 오늘날 우리가 알고 있는 물질과 에너지는 우주의 물질/에너지의 5%에 불과하고 나머지는 실체를 모르는 암흑물질(27%)과 암흑에너지(68%)다.

따라서 반물질과 물질이 척력으로서의 중력인 반중력을 띤다면 암흑에너지의 일부를 설명할 수도 있다. 한편 같은 인력이라도 중력가속도가 다르게 작용한다면 빅뱅 직후 엄청난 에너지가 같은 양의 물질과 반물질로 바뀌었음에도 오늘날 물질로 이뤄진 세계가 된 비대칭성을 설명하는 실마리가 될 수도 있다.

스위스 제네바 유럽입자물리연구소(CERN)에 있는장비인 알파 실험 설비로 반수소 생성 및 물리 특성을 실험한다. CERN 제공

● 아래로 떨어지는 반수소

양전자는 물론 반양성자도 어렵지 않게 만들 수 있지만 전하를 띤 반입자는 전자기력에 너무 민감해 물리적 특성을 연구할 수 없다. 따라서 이들이 상호작용해 전기적 중성이 된 반수소 원자를 만들어야 한다.

스위스 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)는 1990년대 반수소 프로젝트를 시작해 2002년 최초로 반수소를 만드는 데 성공했고(아테나 실험) 2010년 반수소가 1000초 동안 소멸되지 않고 유지하는 방법을 개발했다(알파 실험). 영하 266도의 극저온과 진공 환경에서 전기장과 자기장을 교묘히 배치한 용기 안에 반수소를 공중부양시켰다(물질인 벽에 닿으면 소멸하므로).

그 뒤 반수소의 물리적 특성을 측정하는 실험을 진행했고 2016년 반수소의 빛 흡수 스펙트럼 패턴이 수소와 같다는 실험 결과를 얻었다. 이 역시 예상한 결과였지만 실험으로 증명해 불확실성을 없앴다는 게 중요하다.

2018년 연구자들은 미미한 힘인 중력의 영향을 측정하기 위한 정교한 장치를 만드는 실험을 진행했다. 몸무게가 수십㎏인 우리에게는 중력이 엄청난 힘을 발휘하지만, 물체의 질량이 작아질수록 영향도 줄어든다. 하물며 질량이 10의 –27승㎏ 단위인 반수소 원자에게는 더욱 그렇다.

반수소에 미치는 중력의 영향을 측정하는 장치인 알파-g의 모식도로 통로 가운데 포획된 반수소(antihydrogen)가 위와 아래로 빠져나오는 개수를 검출한다. 실험 결과 중력만 있을 때 반수소의 약 72%가 아래로 떨어져 수소와 마찬가지로 중력이 인력으로 작용하는 것으로 밝혀졌다. 네이처 제공

연구자들은 통로가 수직인 용기 안에 양전자와 반양성자로 반수소를 만든 뒤 운동에너지를 최소화하기 위해 절대영도보다 불과 0.5도 높은 영하 272.6도까지 온도를 낮췄다. 그리고 전자기장을 서서히 줄여 반수소에게 자유를 줬다.

만일 중력이 작용하지 않는다면 운동량의 방향에 따라 통로 위나 아래로 빠져나가는 반수소 개수가 비슷할 것이다. 참고로 통로를 벗어난 반수소는 물질로 된 벽에 닿아 소멸하면서 검출돼 존재가 확인된다.

만일 물질(지구)의 질량이 척력인 반중력으로 작용한다면 반수소의 운동량 방향이 위쪽으로 치우치며 통로 위쪽으로 빠져나가는 반수소가 더 많을 것이다. 반대로 인력인 중력으로 작용한다면 운동량의 방향이 아래쪽으로 치우치며 통로 아래쪽으로 빠져나가는 반수소가 더 많을 것이다.

실제 실험 결과 용기 내 반수소의 72%가 통로 아래쪽으로 빠져나갔고 28%가 위쪽으로 빠져나갔다. 반수소 역시 수소처럼 중력이 인력으로 작용했다는 말이다. 한편 반수소가 중력을 인력으로 느낀다고 할 때 시뮬레이션 결과는 약 80% 정도가 아래쪽으로 빠져나가는 걸로 나와 약간 차이를 보였다.

다만 실험 조건이 아주 정밀하지 않아 정말 차이가 있는 것인지 단순히 실험 오차인지는 아직 언급할 단계가 아니다. 아무튼 이번 실험으로 반물질과 물질 사이에 반중력이 작용해 서로 밀쳐낸다는 가설은 폐기됐다.

1925년 21세의 오펜하이머는 하버드대를 졸업하고 대서양을 건너 영국 케임브리지 캐번디시연구소의 패트릭 블래킷 교수를 지도교수로 대학원 과정을 시작했다. 그러나 실험에 서툴렀고 향수병에 시달리며 정신이 이상해져 사과에 독을 묻혀 블래킷의 책상에 올려두는 충동 범죄를 저질렀다.

다행히 블랫킷은 사과를 먹지 않았지만, 살인 미수 사건은 대학 당국에 알려졌다. 그러나 마침 그곳에 머물렀던 부유한 아버지의 로비 덕분에 형사 처벌과 퇴학을 면했다. 영화 ‘오펜하이머’도 이 장면을 각색해 그리고 있다.

이듬해 양자역학 논문을 읽고 흥미를 느낀 오펜하이머는 여름에 케임브리지에서 학위를 받게 될 두 살 연상의 디랙을 만났다. 그는 디랙의 작업에 대해 “이해하기 쉽지 않았다”면서도 “나는 그가 훌륭하다고 생각했다”라고 말했다. 오펜하이머는 실험과 결별하기로 하고 양자역학의 산실인 독일 괴팅겐의 막스 보른 교수팀으로 옮겨 이듬해 박사학위를 받았다.

이처럼 실험에 서툴렀던 오펜하이머가 수많은 실험물리학자와 공학자들을 지휘하며 맨해튼 프로젝트를 성공으로 이끌었다니 놀라운 일이다. 반수소를 만들고 물리 특성을 연구하는 알파 실험에는 현재 7개국 14개 기관이 참여하고 있다. 만일 오펜하이머가 반수소 프로젝트를 맡았더라도 거뜬히 해내지 않았을까.

※ 필자소개
강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com). LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했고 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페》(1~7권),《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.

K2-18b 행성의 모습. 사진출처 위키미디어.

천문학자들은 향후 몇 년 내에 지구 먼 곳에서 생명 징후를 발견할 수 있을 것으로 보고 있다. 생명 존재 가능성을 감지할 수 있는 기술적 발전을 이뤘다는 설명이다.

무수히 많은 별과 행성이 존재하는 우주에서 인간이 유일한 지적 생명체일 가능성은 낮다고 과학자들은 판단하고 있다. 과학자들이 현재 관심을 두고 있는 것은 우주 생명체의 존재 여부가 아니라, 우주 생명체를 언제 발견할 수 있을까다.

미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주망원경이 태양계 바깥 행성에서 생명체 존재 가능성을 암시하는 신호를 이미 감지했다. 망원경은 지구에서 멀리 떨어진 별의 주위를 도는 행성들의 대기를 분석할 수 있다. 이는 지구에서 살아있는 유기체만 생성하는 화학물질을 찾는 수단이 된다.

지난달 초 실질적으로 120광년 떨어진 K2-18b 행성의 대기에서 지구에서 해양 생물에 의해서만 생성되는 가스 신호가 감지됐다. 디메틸황화물 분자가 있을 잠재적 가능성이 확인된 것이다. 향후 1년 내에 이에 대한 명확한 결론이 날 예정이다.

이 행성은 천문학자들이 ‘골디락스’라고 부르는 영역에 위치해 있는데 골디락스는 ‘표면이 뜨겁지도 차갑지도 않은 상태’를 의미한다. 생명체 탄생과 유지를 위해 중요한 물이 액체 상태로 존재하기 위한 조건이 형성된 곳이다.

만약 이 행성에서 디메틸황화물 분자가 존재한다는 점이 증명된다면 이는 우주에 생명체가 흔하게 존재할 가능성을 크게 높이게 된다. 니쿠 마두수단 케임브리지대 천문학과 교수는 1일 BBC를 통해 “5년 안에 우주 생명체에 대한 우리의 이해에 ‘큰 변화’가 생길 것”이라고 예측했다.

K2-18b에서 생명 흔적을 발견하지 못했을 때는 골디락스에 있는 행성 10개가 연구 목록에 추가될 예정이다.

먼 우주뿐 아니라, 태양계 내 연구도 지속될 예정이다. 생명체 존재 가능성이 높은 목성의 위성 중 하나인 유로파 연구를 위해 나사의 우주탐사선인 클리퍼와 유럽우주국의 탐사선이 2030년대에 이곳에 도착할 예정이다. 과학자들은 목성의 얼음 위성 중 한 곳에 생명체가 없다면 오히려 놀라운 일일 것으로 평가하고 있다.

다만 현재 연구가 가진 한계도 존재한다. K2-18b는 지구의 8배 크기로, 지구처럼 작은 행성이 먼 거리에 있을 땐 그 대기를 감지할 수 없다. 태양의 밝은 빛도 관측을 방해하는 요인이 되고 있다. 이에 나사는 2030년대 발사 예정인 차세대 우주망원경 HWO에 햇빛 가리개를 더해 행성의 대기 발견 가능성을 높일 계획이다.