원자 껍질의 전자와 핵의 쿼크는 실제임에도 불구하고 공간을 차지하지 않으며 가속기는 그 부피를 측정할 수 없기 때문입니다. 물질의 실제 모양은 우리가 경험하는 것과 완전히 다릅니다. 그 구성 요소는 고정된 모양이 없습니다. 기본 입자는 작은 공이 아니라 에너지 상태입니다. 진공 상태에서 갑자기 번쩍이는 불과 같습니다.
우리는 이러한 기본 입자를 공간에서 매우 얇은 연필 끝으로 그린 점으로 상상할 수 있습니다. 이 점은 끊임없이 앞뒤로 움직입니다. 그리고 우리가 살과 피로 인식하는 물체는 실제로 빈 공간에 연필로 그린 방황하는 윤곽선입니다. 마치 아이들이 선을 연결하도록 안내하는 그림책의 작은 숫자와 같습니다. 이 춤추는 숫자 중에는 원자의 다양한 부분 사이의 연결이 형성되는 다른 입자도 있습니다. 원자핵과 원자 껍질의 전자 사이에 교환되는 것은 빛의 기본 입자인 광자입니다. 광자는 전자기력을 전달하는 순수한 에너지체입니다.
파인만 씨는 서로 다른 입자 사이의 상호 작용을 매우 생생하게 설명했습니다. 전자가 에너지를 방출하면 광자가 생성됩니다. 이 광자는 전자에 의해 손실된 에너지의 일부를 얻은 다음, 광자는 핵을 향해 이동하여 이 에너지를 전달합니다. 핵이 이 에너지를 받으면 광자는 사라진다. 그러나 원자핵 자체도 에너지를 방출하여 광자를 뱉어내어 전자로 보냅니다. 광자의 상호 교환을 통해 원자핵과 전자가 서로 연결됩니다. 이와 같은 시나리오는 물리학자들 사이에서 일반적인 계산으로 해석되었습니다.
광자를 교환함으로써 원자 내부에 특정 형태가 형성됩니다. 이는 마치 축구장에서 킥이 시작될 때 즉시 발생하는 질서와 같습니다. 팀은 가능한 최상의 패스 패턴을 만들기 위해 줄을 서기 시작합니다. 원자 내 광자의 작용은 녹색 필드 위의 축구공과 같습니다. 이는 전체 전송 과정의 적절한 간격과 공간 범위를 결정합니다. 또한 전자기력의 작용을 통해 원자를 결합하여 구름, 물방울 및 결정을 생성합니다. 질서를 만드는 것은 광자입니다.
결과적으로 우리는 다양한 실제 사물로 구성된 세계에 살고 있다는 착각을 갖게 된다. 형태나 부피가 없는 이 입자들이 서로 연결되어 있기 때문에 공극은 형태를 갖게 됩니다. 이 유령 같고 불규칙한 물체 사이의 연결 때문에 우리는 망치와 엄지 손가락이 모두 3차원이라고 느낍니다. 게다가, 이러한 연결은 우리가 망치에 맞은 후에도 고통을 느낄 수 있게 해준다. 망치 내부의 입자와 손가락 내부의 입자 사이에는 강한 연결이 있기 때문에 망치의 공극은 엄지 손가락의 진공을 쉽게 통과할 수 없습니다.
아인슈타인이 말했듯이 모든 에너지 조각에는 상응하는 질량이 있으므로 상호 연결된 유령 입자도 질량을 갖습니다. 이들 결합 중 가장 강한 결합은 원자핵에서 발견됩니다. 내부에는 일부 글루온이 쿼크 사이를 왕복하며 핵과 전자를 연결하는 광자처럼 핵에서 작용합니다. 원자폭탄이 폭발하는 동안 글루온이 운반하는 막대한 에너지 중 일부가 방출됩니다. 그리고 우리가 물체를 들어올리거나 망치로 목표물을 세게 내리칠 때 우리가 느끼는 질량은 원자폭탄이 터질 때 방출되는 에너지와 유사합니다. 그러나 우리가 질량으로 느끼는 이 에너지는 자연적으로 존재하지 않으며 입자 사이에 연결이 이루어질 때만 발생합니다.
입자 자체에는 질량이 있지만 이 질량은 위의 연결에 의해 생성된 질량보다 훨씬 작습니다. 망치를 구성하는 모든 쿼크와 전자의 무게를 저울로 측정할 수 있다면 이들의 총 질량은 아마도 9%에 불과할 것입니다. 그러나 망치에 있는 이러한 입자의 질량이 매우 작더라도 여전히 과소평가할 수는 없습니다. 이 작은 질량 비율이 매우 중요하기 때문입니다. 쿼크와 전자가 서로 연결될 수 있는 질량을 가지고 있기 때문입니다. 이 입자들이 가속에 대한 저항을 경험하는 것은 바로 자체 질량 때문입니다. 그렇지 않으면 질량이 없는 쿼크와 전자가 빛의 속도로 서로 통과하여 궁극적으로 원자를 형성하지 못할 것입니다.
그런데 부피가 없는 입자가 질량을 갖는 이유는 무엇일까요? 물리학자들은 이 문제를 연구하는데 수십 년을 보냈습니다. 2012년이 되어서야 이 미스터리가 제네바의 입자 가속기의 도움으로 풀렸습니다. 소위 진공은 절대적인 공백이 아닙니다. 실제로 이 공허에는 스코틀랜드 물리학자 힉스의 이름을 딴 힉스 장(Higgs field)이라는 것이 있습니다. 힉스장에 있는 입자의 성질은 우리가 알고 있는 것과는 다르다. 빛이 완전히 투과되고, 형태도 없고, 직접 증명할 수도 없지만 어디에나 존재한다.
힉스장을 거대한 설원에 비유할 수 있다. 보행자는 설원을 한 발 내딛을 때마다 다리와 발이 눈에 빠질 때 설원에 의해 발생하는 저항을 느껴야 합니다. 마찬가지로 힉스 장은 입자의 움직임을 방해합니다. 입자의 속도가 느려집니다. 제네바의 물리학자들이 자신의 발견을 세계에 발표했을 때 뉴스에 나온 것은 힉스 장의 발견이 아니라 "힉스 보존"의 발견이었습니다. 힉스 보존은 눈 속의 조각과 같습니다. 힉스 장과 달리 이 작은 구조는 단조로운 공간에서 감지될 수 있습니다. CERN은 이를 성공적으로 입증했습니다.
연구비만 100억 유로가 넘는데 그럴만한 가치가 있나요? 대답은 '예'입니다. 연구자들은 힉스 보존의 붕괴 특성과 붕괴 경로를 파악함으로써 마침내 이를 발견했고, 입자 이론가들의 이론이 옳았다는 사실도 확인했습니다. 또한 눈에 보이지 않는 힉스 장이 실재한다는 것도 증명했습니다. 물질 입자의 내부는 공극으로 채워져 있지만 이 입자는 여전히 힉스 장에서 질량을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다. 왜냐하면 쿼크나 전자가 움직이려면 눈밭을 통과해야 하는데, 힉스장 전체가 움직이는 입자에 저항을 일으키고 속도를 늦추게 되기 때문입니다. 사실, 우리가 느끼는 것은 진공 상태에서 힉스 보손의 점성 효과입니다.
또한 힉스 보존은 모든 입자의 무게가 정확히 동일하지 않은 이유도 설명합니다. 힉스 장은 일부 입자에는 강한 끌림이 있고 다른 입자에는 작은 끌림이 있습니다. 이것은 마치 스키어가 눈밭을 빠르게 미끄러질 수 있는 것과 같지만, 부츠를 신은 등산객은 무릎 높이의 눈밭을 천천히 걸을 수밖에 없고, 날아가는 새는 어떤 것에도 방해받지 않고 빠르게 지나갈 수 있는 것과 같습니다. 전자는 스키어와 같고, 쿼크는 등산객과 같으며, 광자는 하늘을 나는 새와 같습니다. 힉스 장에서는 전자가 매우 빠르게 이동하고, 쿼크는 상대적으로 느리며, 힉스 장에서는 광자가 전혀 방해받지 않고 이동할 수 있습니다. 따라서 전자는 질량이 작고, 쿼크는 질량이 크며, 광자는 질량이 전혀 없습니다. 그러나 세상에 안정된 물질을 생성하는 것이 가능한 것은 바로 힉스 장의 이러한 특성 덕분입니다. 그러나 힉스 보존 자체는 물질이 아니라 진공의 산물입니다.
이 독특한 힉스장은 빅뱅 이후 우주의 팽창과 냉각 단계에서 형성됐다. 그 전에는 우주의 온도가 상상할 수 없을 정도로 높았고, 힉스 장은 한없이 온화해 아무런 저항도 일으키지 않는 것처럼 보였습니다. 모든 입자는 빛의 속도로 날아갈 수 있으므로 질량도 없고 서로 연결되어 있지도 않습니다. 그러나 물이 식으면서 눈송이와 얼음으로 변하는 것처럼, 힉스 장은 서서히 점성을 띠게 됩니다. 그 후, 힉스장이 서로 다른 입자에 가하는 서로 다른 저항력에 따라 기본 입자 간의 차이가 나타납니다. 진공에 의해 생성된 이 저항을 질량이라고 합니다. 우주에서 다양한 모양의 다양한 물질이 생성되는 것은 바로 이러한 저항의 존재 때문입니다. 우리 인간 존재가 공허의 미묘한 변화로부터 이익을 얻는다는 것을 알려주는 것은 이러한 값비싼 실험입니다.
그럼 이 세상은 현실인가요? 최종 답이 무엇이든, 세상의 본질은 우리가 경험하는 것과 완전히 다릅니다. 우리는 '매트릭스' 속에 살고 있습니다. 그러나 우리가 경험하는 환상은 영화 속 전능한 컴퓨터에 의해 만들어지는 것이 아니라, 인간 스스로가 이 복잡하고 혼란스러운 세계에서 길을 잃지 않기 위해 주변에 환상을 만들어내도록 강요받는다.
'왜 사물은 존재하고 아무것도 존재하지 않는가?' 아무것도 존재하지 않는 상황을 생각해 볼 이유가 없습니다. 왜냐하면 이 경우 사람들은 존재하지 않는 것이 실제로 존재한다고 조용히 가정해야 하기 때문이다. 따라서 정의 자체가 모순적이다. 라이프니츠가 구상한 모든 것을 포괄하는 "무"는 유니콘이 보호하지만 유니콘이 없는 우주와 같습니다.
물질이 우리가 상상하는 것과 완전히 다른 것처럼, 우리가 이해하는 것과 완전히 다른 것도 없습니다. 무(無)는 절대 진공상태가 아니라 보이지 않는 상태이다. 아직 시작되지 않은 무대는 없고, 모든 것이 가능한 공간이다. 우리가 경험하는 모든 것은 이 무대에서 일어나는 드라마입니다. 질서 있고 덧없는 것입니다. 우리가 망치, 엄지손가락, 땅, 하늘, 남자와 여자라고 부르는 이러한 질서 있는 것들입니다.