지난 2일 제2물리관 403호 강의실에서 ‘핵자(nucleon), 우주를 구성하는 기본요소’ 특강이 열렸다. 김현철(인하대 물리화학) 교수가 연사로 나온 특강의 주제는‘ 우리는 어디에서 와서 어디로 가는가’였다. 물리학을 통해 주제에 대한 해답을 찾고자하는 물리학자들의 노력과 핵자에 대한 설명을 다뤘다.

물리학은 세 가지 분야로 이뤄져있다. 입자물리학, 핵물리학, 천체물리학이 바로 그것이다. 이 세 가지를 기초물리학이라 부른다. 김현철 교수는“세 가지 물리학은 우주를 서로 다른 관점에서 들여다본다”며“ 서로 상호보완적인 모습을 지니고 있다”고 설명했다. 입자물리학은 우주의 구조에 대해, 핵물리학은 물체 자체에 대해 관심을 갖고 연구를 진행한다.

우주의 탄생에 대한 정설은 빅뱅이론이다. 빅뱅 이후 우주는 급속도로 식으며 1초 만에 양성자가 생겼고, 물체가 구성되기 까지 3초가 걸렸다. 물리학자들은 이 과정을 역추적해 우주의 기원을 밝히려고 노력 중이다. 우주가 식어온 역사를 추적하는 것이다. 김현철 교수는“ 현재에는 우주 시작 후 초 까지 밝혀졌다”며“ 우주 시작 전에는 완전 유체만이 존재한 것으로 나타났다”고 설명했다.

그렇다면 물질을 구성하는 것은 무엇일까? 물질은 원자로 이뤄진다. 원자를 쪼개면 그 안에 전자와 핵자로 통칭되는 양성자, 중성자가 존재한다. 김현철 교수는“ 핵자는 보이는 우주의 99%를 차지한다”고 설명한다. 핵자의 질량이 전자보다 2000배 크기때문에 전자가 물질을 구성하는 비율은 거의 존재하지 않는다는 것이다. 때문에 핵물리학자들은 전자보다는 핵자에 대한 연구를 계속하고 있다.

물질을 구성하는 핵자는 가속기를 통해 관찰된다. 이때까지 발견된 현미경으로는 관찰이 불가능하기 때문이다. 가속기는 m의 크기까지 관찰할 수 있다. 가속기를 통해 핵자에 스핀을 강하게 걸고, 여기에 충격을 가해 핵자를 터뜨린다. 그 후 터져 나오는 입자들을 추적해 물체의 구성을 밝힌다. 이들은 충격 직후 붕괴하는데 길면 초, 짧으면 초 만에 붕괴된다. 김현철 교수는“ 현대 물리학에서 초는 영겁의 시간이기 때문에 측정하기 쉽다”고 말했다.

그는 물리학이 갖는 의미를 전하는 것으로 특강을 마지막을 장식했다. 물리학은‘ 비싼’ 학문이다. 연구하는데 수천, 수조 원의 자금이 필요하기 때문이다. 그렇다면 우리는 왜 이런‘ 미친 짓’을 하는 것일까. 김현철 교수는“철학, 문학처럼 물리학 역시‘ 인간이란 무엇인가?’라는 질문에서 시작된 학문”이라고 설명한다. 맥스웰의 방정식이 휴대전화에 응용된 것처럼 산업적인 측면에서 물리학이 이바지하는 것도 있지만, 물리학을 통해 우주를 이해할 수 있다. 특강을 들었던 한 학생은 “물질과 근본에 대해 관심을 갖게 해준 강의였다”고 강의 소감을 밝혔다.