전자는 어디로 갔을까

전기는 어디에서 오는가? 발전소에서 생산한 전기가 구리선을 타고 집까지 온다는 사실은 알고 있었다. 화력발전소에서는 석유나 석탄을 태우고, 원자력발전소에서는 원자핵을 분열시키며, 수력발전소에서는 높은 곳에서 떨어지는 물을 이용한다. 이들은 서로 다른 에너지원으로 터빈을 돌린다. 터빈과 연결된 발전기에서는 전자기 유도 현상이 발생하고, 생산된 전기는 송전선을 통해 가정으로 전달된다. 여기까지는 어렵지 않았다.

그런데 발전소에서는 전자를 어디서 구하는가? 원자핵 주변에 있는 전자들을 떼어내어 구리선으로 보내는 것인가? 아니었다. 구리선에는 이미 자유롭게 움직일 수 있는 전자들이 존재한다. 발전기는 그 전자들을 새로 만들거나 공급하는 장치가 아니라, 자기장의 변화를 이용해 전압을 발생시키는 장치였다. 그렇다면 구리선 속 전자는 발전소에서 우리 집까지 이동하는가? 이것도 아니었다. 가정에서 사용하는 교류 전기에서는 전자들이 주로 제자리 근처에서 앞뒤로 움직인다. 발전소의 전자가 우리 집까지 장거리 여행을 하는 것이 아니었다.

여기서 한 가지 비유가 떠올랐다. 사람들이 일렬로 서 있다. 맨 뒤의 사람이 앞사람을 밀면 그 사람은 다시 앞사람을 민다. 그렇게 맨 앞까지 힘이 전달된다. 사람들은 멀리 이동하지 않는다. 전달되는 것은 움직임의 효과다. 전기도 그런 것인가? 완전히 같은 현상은 아니지만, 전자 자체의 장거리 이동과 에너지 전달을 구별하는 데에는 적절한 비유였다. 실제 전선에서는 전자기장이 중요한 역할을 한다.

이때 오래전에 본 영화가 생각났다. 덴젤 워싱턴이 출연한 《다크 엔젤》(Fallen, 1998)이었다. 영화에는 아자젤이라는 악마가 등장한다. 그는 사람을 접촉하는 순간 다른 사람에게 옮겨 간다. 숙주가 바뀌어도 악마의 정체성은 유지된다. 롤링 스톤스의 노래 Time Is on My Side가 흐르던 장면이 아직도 기억난다. 전기에너지도 이런 식으로 이동하는 것일까?

이 비유를 통해 전자와 에너지를 별개의 개념으로 생각하기 시작했다. 전자는 입자이고, 에너지는 전달된다. 발전소에서 전자가 우리 집까지 오는 것이 아니라, 전자와 전자기장의 상호작용을 통해 에너지가 전달되는 것이다. 그렇다면 전자는 소모되지 않는가? 그렇다. 전자는 청소기 모터를 돌렸다고 사라지는 것이 아니다. 전자는 계속 존재하고, 청소기는 전달받은 전기에너지를 운동과 열로 변환한다. 우리가 전기요금을 내는 것도 전자의 사용료가 아니라 전력망을 통해 공급받은 에너지의 사용량에 대한 비용이다. 여기까지 이해하고 나자 새로운 질문이 생겼다. 에너지는 도대체 무엇인가?

석유를 태우면 열이 발생한다. 그 열로 물을 끓이고, 증기로 터빈을 돌린다. 높은 곳에 있는 물은 떨어지면서 터빈을 돌리고, 태양에서 온 빛은 태양광 패널에서 전기에너지로 변환된다. 에너지는 열이었다가 운동이었다가 전기가 되고, 다시 빛이나 열이 된다. 마치 아자젤처럼 모습을 바꾸며 존재하는 것 같았다. 그렇다면 에너지는 물질인가? 입자인가? 아니면 물질 내부에 들어 있는 어떤 실체인가?

물리학의 설명은 예상과 달랐다. 에너지는 독립된 물질이 아니라 물체와 장이 가진 물리적 상태를 나타내는 양이었다. 움직이는 공은 운동에너지를 갖고, 높은 곳에 있는 물은 위치에너지를 갖는다. 에너지가 별도의 물질로 들어 있기 때문이 아니라 그 물체의 운동과 위치, 상호작용의 상태가 다르기 때문이다. 설명은 이해할 수 있었다. 그런데 여전히 직관적이지 않았다. 물질이라면 형태가 있어야 할 것 같았다. 형태가 없더라도 무엇인가 존재해야 상태를 가질 수 있는 것 아닌가?

여기서 전자기장이라는 개념이 등장했다. 전자기장은 전하를 가진 입자들과 상호작용하며 에너지를 전달할 수 있다. 더욱 놀라운 것은 전자가 없는 진공에서도 전자기파가 전파된다는 사실이었다. 태양빛이 우주 공간을 가로질러 지구까지 도달하는 것도 같은 전자기학으로 설명된다. 전기와 빛이 서로 연결된 현상이었던 것이다. 그렇다면 빛을 이루는 광자는 무엇인가?

광자는 전자와 다르다. 양성자나 중성자처럼 쿼크로 이루어진 복합 입자도 아니다. 현재 물리학에서는 내부 구조가 발견되지 않은 기본 입자로 분류한다. 전자도 기본 입자다. 업쿼크, 다운쿼크, 스트레인지 쿼크, 참쿼크 등도 기본 입자다. 그렇다면 기본 입자라는 것은 정말 더 이상 쪼갤 수 없다는 뜻인가? 아니면 현재 인간의 기술로 더 작은 구조를 발견하지 못했다는 뜻인가? 인류는 한때 원자를 더 이상 나눌 수 없는 존재라고 생각했다. 이후 원자핵과 전자를 발견했고, 양성자와 중성자 내부의 쿼크도 발견했다. 그렇다면 지금 기본 입자라고 부르는 것들도 언젠가 내부 구조가 발견될 수 있지 않을까? 그 가능성은 열려 있다. 초끈이론처럼 입자를 더 근본적인 존재의 서로 다른 진동 상태로 설명하려는 시도도 있다. 아직 실험적으로 확인된 것은 아니다.

광자를 설명하는 과정에서는 더 낯선 말이 나왔다. '전자기장의 양자적 들뜸.' 양자화란 무엇인가? 들뜸이란 무엇인가? 양자화는 특정한 물리적 상태나 에너지의 교환이 연속적인 값이 아니라 정해진 단위로 나타날 수 있다는 뜻이었다. 들뜸은 낮은 에너지 상태보다 높은 에너지 상태에 있다는 의미였다. 따라서 광자는 전자기장의 특정 진동 상태에 에너지 한 단위가 더해진 양자적 상태로 이해할 수 있었다. 그런데 이것이 자연의 궁극적인 실체인가? 아니면 인간이 자연을 관찰한 뒤 만들어 낸 설명 방식인가? 자연현상은 인간의 발견보다 먼저 존재했다. 양자화와 들뜸은 그 현상을 설명하기 위해 인간이 발전시킨 개념이다. 이론이 정확한 예측을 제공한다고 해서 그 이론의 표현 방식이 자연의 최종적인 모습이라는 보장은 없다.

생각은 다시 입자의 형태로 돌아왔다. 전자에는 질량이 있다고 한다. 그 질량은 킬로그램으로 나타낼 수 있다. 아주 작은 숫자이지만 분명히 0은 아니다. 그렇다면 질량을 가진 전자는 어떤 모습인가? 현재 물리학은 전자의 질량과 전하, 스핀 등을 정밀하게 측정하지만 고유한 공간적 크기나 내부 구조는 발견하지 못했다. 질량이 존재한다는 사실이 반드시 부피나 표면의 존재를 의미하지는 않는다고 설명한다. 이 설명에도 의문은 남았다. 질량이라는 용어 자체가 우리에게 물질의 덩어리와 형태를 떠올리게 하기 때문이다.

그렇다면 입자물리학자들은 무엇을 보고 입자의 존재를 확인하는가? 입자가속기에서는 입자들을 높은 에너지로 충돌시키고, 충돌 과정에서 생성된 입자들이 남긴 흔적을 분석한다. 궤적과 에너지, 운동량 등을 측정하고 그 결과로 입자의 종류와 성질을 추론한다. 우리가 사진이나 영상에서 보는 선과 곡선은 입자 자체의 외형이 아니라 입자가 지나가면서 남긴 흔적이거나 검출 기록을 재구성한 것이다. 인간은 입자의 얼굴을 보는 대신, 입자가 남긴 행동을 통해 그 존재를 알아내고 있었던 것이다.

오늘의 질문은 전기가 어디에서 오는가에서 시작했다. 발전소에서 전자를 만드는지 물었고, 그 전자가 어디로 이동하는지 물었다. 전자가 소모되지 않는다는 사실을 알게 되자 에너지의 정체를 물었다. 에너지를 이해하려다가 전자기장을 만났고, 전자기장에서 광자로, 광자에서 양자화와 기본 입자로, 다시 물질의 형태와 질량이라는 문제로 이동했다. 마치 소크라테스의 문답처럼 질문과 대답이 반복되었다. 대답은 질문을 끝내지 않았다. 오히려 이전에는 생각하지 못했던 문제를 드러냈다.

전자는 전기에너지를 사용한다고 사라지지 않으며, 에너지는 전자기장을 통해 전달될 수 있다는 사실을 알게 되었다. 에너지는 별도의 물질이 아니라 물체와 장의 상태를 나타내는 물리량이었다. 그런데 에너지는 왜 존재하는가? 물리적 상태라는 것은 궁극적으로 무엇인가? 전자기장은 자연의 최종적인 실재인가, 아니면 우리가 아직 발견하지 못한 더 깊은 구조의 표현인가? 나는 오늘 전기가 어떻게 흐르는지 알아보려다가 결국 물질과 에너지가 무엇인지 묻게 되었다. 헤라클레이토스는 만물은 흐른다고 했다. 오늘의 질문을 통해 나는 그 말을 조금 다르게 생각하게 되었다. 만물이 흐르는 것이 아니라 에너지가 흐르는 것은 아닐까.

그런데 에너지가 흐른다면 어디에서 어디로 흐르는가? 흘러간 에너지는 어디에 남는가? 이 질문을 따라가다 보니 아주 익숙한 말 하나가 다시 낯설어졌다. 에너지는 보존된다. 학교에서도 배우고 일상에서도 당연하게 사용하는 말이다. 에너지는 새로 만들어지거나 사라지지 않고 형태만 바뀐다고 한다. 전기에너지가 운동에너지로, 운동에너지가 열에너지로 바뀌어도 전체 에너지는 보존된다는 것이다. 그렇다면 이 법칙은 어디까지 증명되었는가? 우주에 존재하는 모든 에너지가 단 한 번도 사라지지 않았다는 사실을 인간이 확인한 것인가?

물리학은 에너지 보존 법칙을 수많은 실험으로 검증해 왔다. 입자들의 충돌에서도, 화학반응에서도, 열과 운동의 변환에서도 보존 법칙은 정밀하게 성립한다. 시간에 따른 물리 법칙의 대칭성과 에너지 보존을 연결하는 수학적 설명도 있다. 일반상대성이론에서는 국소적인 에너지와 운동량의 보존이 성립한다. 그런데 팽창하는 우주 전체의 에너지를 하나의 숫자로 정의해 언제나 일정하다고 말할 수 있는 것은 아니다. 우리는 실험실에서 확인한 법칙을 먼 우주에도 적용한다. 그것은 충분한 근거가 있는 과학적 판단이다. 그렇다면 그 법칙이 우주의 모든 장소에서, 모든 시간에, 예외 없이 성립한다는 사실까지 확인한 것인가? 이 질문은 기존 법칙이 틀렸다는 주장이 아니었다. 우리가 실제로 확인한 것과 확인한 결과를 바탕으로 믿고 있는 것의 경계가 어디인지 알고 싶었다.

다시 광자 하나를 떠올렸다. 완벽하게 밀폐된 거울방을 만들고 그 안에 광자 하나를 발사한다고 가정해 보자. 벽은 광자를 전혀 흡수하지 않고, 반사 과정에서도 에너지가 손실되지 않는다. 광자는 이쪽 벽에서 저쪽 벽으로, 다시 저쪽 벽에서 이쪽 벽으로 움직일 것이다. 이상적인 조건이 계속 유지된다면 광자는 반복해서 반사될 수 있다. 그런데 여기서 거울방을 조금 다르게 만들어 보기로 했다. 가로세로가 10미터인 공간에 극단적인 시간 지연이 발생한다고 가정하는 것이다. 외부 관측자의 시간으로 광자가 반대편 벽에 도착하는 데 무려 1천억 년이 걸린다고 해 보자. 이것은 실제로 광자가 자기 주변에서 광속보다 느리게 움직인다는 뜻이 아니다. 중력에 의한 시간 지연을 극단적으로 확대해 광자의 이동을 외부에서 아주 느리게 관측한다고 설정한 사고실험이다.

이제 100억 년이 지났다. 외부 관측자의 기준에서 광자는 아직 반대편 벽에 도착하지 못했다. 거울에 한 번도 반사되지 않았다. 그래도 우리가 어떤 방법으로든 광자의 존재를 계속 확인할 수 있다고 가정하면, 그 광자는 아직 거울방 안에 존재한다. 공간이 작고 관측이 가능하다는 사실이 우리에게 확신을 주는 것이다. 이번에는 광자 하나를 우주 공간으로 발사했다. 아무런 물질과 충돌하지 않고 100억 년 동안 날아간다고 가정하자. 광자가 출발한 지점에서 멀리 떨어져 있기 때문에 우리는 그 광자를 계속 추적할 수 없다. 그렇다면 거울방의 광자와 우주의 광자는 무엇이 다른가? 둘 다 아직 목적지에 도착하지 않았고, 둘 다 이동하고 있다. 하나는 가까이 있어서 관측할 수 있고, 다른 하나는 너무 멀어서 관측할 수 없다.

물론 두 공간의 물리적 조건이 완전히 동일한 것은 아니다. 이상적인 거울방과 달리 실제 우주는 팽창하고, 중력장도 균일하지 않다. 우주 공간을 여행하는 광자는 팽창에 따른 적색편이로 에너지가 감소할 수도 있다. 그렇지만 내가 비교하고 싶었던 것은 거울의 성질이 아니었다. 관측할 수 있는 작은 공간에서 확인한 광자의 존재를 관측할 수 없는 거대한 공간에도 똑같이 적용할 수 있는가라는 문제였다.

생각은 다시 오래된 별빛으로 이어졌다. 우리는 100억 년 이상을 여행해 지구에 도달한 빛을 관측한다. 그렇다면 그 빛은 출발할 때의 상태를 그대로 유지한 것인가? 초신성이 폭발하면서 지구 방향으로 광자 100개를 보냈다고 가정해 보자. 지구에 도착한 광자가 100개인지, 99개인지, 50개인지 우리는 어떻게 알 수 있는가? 여기서 지구 방향이라는 조건이 중요하다. 별빛이 사방으로 퍼졌기 때문에 지구에 극히 일부만 도착했다는 이야기를 하려는 것이 아니었다. 처음부터 지구에 도달하도록 정해진 경로로 광자 100개가 출발했다고 가정한 것이다. 그렇다면 그중 몇 개가 실제로 도착했는지 확인할 수 있을까?

천문학자들은 광원의 원래 밝기를 추정하고 관측된 밝기와 비교한다. 거리 때문에 희미해지는 효과, 우주 먼지에 의한 흡수와 산란, 우주 팽창에 따른 적색편이 등을 분석한다. 초신성의 밝기와 독립적으로 측정한 거리를 비교해 예상하지 못한 광자 손실이 있는지도 검증한다. 이처럼 관측과 이론을 대조하는 방법은 존재한다. 그러나 출발 순간에 광자 100개를 직접 세고, 100억 년 뒤에 도착한 광자를 다시 세어 일대일로 대조하는 것은 아니다. 현재의 관측은 알려진 상호작용과 표준적인 물리 법칙으로 설명되며, 아무런 이유 없이 광자가 소멸한다는 현상은 확인되지 않았다. 광자는 단순히 오랜 시간이 흘렀다는 이유만으로 사라지는 입자로 취급되지 않는다. 그렇다고 우주를 여행하는 모든 광자의 행방을 개별적으로 확인한 것도 아니다.

또 하나의 문제가 있었다. 광자가 사라지는 것과 광자의 에너지가 감소하는 것은 같은 현상이 아니었다. 팽창하는 우주에서는 광자가 물질에 흡수되지 않고도 적색편이로 에너지가 작아질 수 있다. 광자의 파장이 길어지면 그 에너지는 감소한다. 그렇다면 감소한 에너지는 어디로 갔는가? 일반상대성이론에서 팽창하는 우주 전체의 에너지 보존을 다루는 방식은 실험실의 닫힌 물리계를 다루는 방식처럼 단순하지 않았다. 결국 처음의 질문으로 돌아왔다. 에너지는 보존되는가? 우리가 알고 있는 물리 법칙은 그렇다고 말할 충분한 근거를 제공한다. 그러나 우주 전체를 하나의 완벽한 거울방으로 생각하고 그 안의 모든 광자와 에너지를 빠짐없이 확인할 수 있는 것은 아니다. 우리가 관측할 수 있는 우주의 범위와 우주 전체의 경계는 같은 개념이 아니기 때문이다.

이 모든 질문은 새로운 소설을 구상하는 과정과 연결되어 있었다. 《은하 멸망 사전》의 출발점 가운데 하나는 아주 단순한 가정이었다. 만약 광자 하나가 아무런 상호작용 없이 사라진다면 어떻게 될까? 물질에 흡수된 것도 아니고, 다른 입자로 전환된 것도 아니며, 관측 범위를 벗어난 것도 아니다. 알려진 물리 법칙으로 설명할 수 없는 방식으로 광자 하나가 실제로 소멸한 것이다. 그것은 현재 물리학에서 확인된 현상이 아니라 소설을 위해 설정한 가정이다. 그리고 그 가정이 사실로 확인된다면, 인간이 우주를 이해하는 데 사용해 온 중요한 법칙 하나를 다시 검토해야 한다.

나는 여기서 광자 하나의 소멸이 얼마나 큰 에너지 손실을 일으키는가를 계산하려던 것이 아니었다. 광자 하나가 지닌 에너지는 극히 작을 수 있다. 그 하나가 사라졌다는 사실이 은하 문명을 움직이는 발전소와 함선을 곧바로 멈추게 하지는 않을 것이다. 내가 관심을 가졌던 것은 그토록 작은 사건이 문명의 확실성을 무너뜨릴 수 있다는 가능성이었다. 문명은 자신이 발견한 법칙을 바탕으로 기술을 만들고, 기술을 바탕으로 사회를 조직한다. 수많은 사람은 그 법칙이 성립하는 이유를 직접 확인하지 않아도 그 법칙에 의존해 살아간다. 그런데 모든 것이 안정적으로 작동한다고 믿었던 어느 날, 광자 하나가 사라졌다는 관측 결과가 나타난다. 처음에는 측정 오류로 여길 수 있다. 장비를 교체하고 실험을 반복할 것이다. 그래도 설명되지 않는 결손이 확인된다면 어떻게 될까?

그때 문명이 마주하는 것은 광자 하나의 문제가 아니라 자신이 알고 있다고 믿었던 우주에 대한 의문이다. 그 의문은 과학자들의 연구실에만 머물지 않을 수 있다. 정부와 기업, 종교와 언론, 정치인과 시민들이 서로 다른 판단을 내리기 시작할 것이다. 무엇을 공개하고 무엇을 숨길 것인가? 무엇을 위험이라고 판단하고 누구를 보호할 것인가? 아직 원인조차 모르는 현상 앞에서 인간은 어떤 행동을 선택할 것인가?

《은하 멸망 사전》은 이러한 질문에서 출발했다. 광자 하나가 사라졌다는 사건은 은하 문명의 바닥에 작은 균열을 낸다. 그 균열 앞에서 인간들은 각자의 판단과 선의에 따라 행동한다. 그 선택들이 어떤 결과를 낳는지는 소설 속에서 펼쳐진다.

오늘 나는 전기가 어디에서 오는지 알아보려다가 전자가 무엇인지 물었고, 에너지가 무엇인지 물었으며, 에너지가 정말 보존되는지까지 묻게 되었다. 그리고 그 질문은 다시 오래전부터 구상해 온 소설의 출발점으로 돌아왔다. 처음에는 광자 하나였다. 그 광자가 사라졌다는 사실만으로 은하 전체가 무너지지는 않는다. 중요한 것은 그 사건 이후 인간들이 무엇을 믿고 어떤 선택을 하느냐는 것이다.