태초에 입자가 있었다

하나님이 만든 미시세계는 양자역학의 세계

편집인 | 입력 : 2026/08/15 [01:39] | 조회수: 217

태초에 입자가 있었다. 그동안 우리들은 보이는 7일만에 창조한 가시적인 창조물에만 관심을 두었다. 

 

 

  

 

그러나 현대는 미시세계의 보이지 않는 창조물을 점령하는 사람들만이 살아남게 되어 있다. 최신 스마트폰에는 수십억 개에서 수백억 개의 트랜지스터가 들어 있다. 메인 프로세서(AP)와 메모리 칩 등에 아주 작은 크기로 수많이 집적되어 스마트폰의 모든 연산과 기능을 제어한다.

 

스마트폰의 두뇌 역할을 하는 메인 칩 하나에만 약 100억~200억 개 이상의 트랜지스터가 포함된다. 메모리 및 기타 칩으로 RAM과 저장장치(NAND 플래시), 통신용 모뎀 칩 등까지 모두 합치면 스마트폰 전체의 트랜지스터 개수는 더욱 늘어나 약 300억-500억 개의 수로 늘어난다.  

 

  

 

트랜지스터의 크기가 수 나노미터(nm) 수준으로 매우 작아 눈에 보이지 않는다. 그러나 트랜지스터는는 전자의 흐름을 켜고 끄는(Switch) 아주 작은 전자식 스위치 역할을 하여 사진 촬영, 인터넷, 앱 실행 등 모든 작업을 처리한다. 전세계는 보이지 않는 미시세계의 전쟁을 하고 있다.

 

여기서 밀려나면 국가가 휘청거린다. 독일이 중요한 예이다. 독일의 경제는 무너졌다. 영국, 프랑스도 마찬가지이다. 즉 핸드폰과 반도체, AI의 시장을 점유하지 못하면 경제적으로 추락하게 된다. 유럽의 최고 선진국인 독일의 경제가 무너져 노숙자, 절도자들이 늘어나고 있다.   

 

 

 

 

전세계는 미립자 세계에 관심을 갖고있다. 전 세계는 새로운 원소가 아니라 이미 발견된 원소에 관심을 갖는다. 특히 Si에 관심을 둔다.    

 

118개의 원소

 

2026년 현재까지 지구상에서 공식적으로 확인된 원소의 개수는 118개이다. 우리가 잘 아는 노벨상을 탄 폴란 출신의 퀴리부부는 라듐을 발견했다.

새로운 원소를 발견한 것만으로도 여성 최초의 노벨상 수상자가 되었다. 

 

남편은 유명한 물리학자 피에르 퀴리다. 이 부부는 방사성 원소인 폴로늄과 라듐을 발견했다.

원자력 연구의 새 시대를 열었고, 1903년 함께 노벨 물리학상을 받았다. ‘폴로늄’과 ‘방사능’이란 이름을 작명한 마리는 남편이 사고로 타계한 뒤에도 연구를 지속해 1911년 노벨 화학상도 수상했다.

 

  


폴로늄과 라듐은 하나님이 창조한 원소의 한 종류였다. 하나님이 창조한 새로운 원소를 발견한 사람은 노벨상을 받는다. 

원소 (Element)는 지구상에 나타난 물질을 이루는 기본 성분. 종류를 셀 때 쓴다(예: 수소, 산소, 탄소). 반면 원자 (Atom)는 물질을 이루는 기본 알갱이로서 최초의 입자이다. 여기서는 원자와 입자에 대해 관심을 갖는다. 

 

원자의 역사

 

고대 그리스 철학자 데모크리토스는 기원전 5세기경 스승 레우키포스와 함께 만물의 근원이 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 알갱이인 원자(Atomos)와 빈 공간(허공)으로 이루어져 있다고 주장하며 고대 원자론을 완성했다. 과학적 입증이 있는 것이 아니라 주장만 했을 따름이다. 

 

원자의 역사는 고대 그리스 철학자의 생각에서 시작해 과학 실험을 거쳐 현대 양자역학의 확률 모형으로 발전했다.

 

오늘날 우리가 사용하는 AI, MRI, 핸드폰도 원자를 연구한 양자역학의 산물이다.

원자폭탄이나 핵무기도 마찬가지이다. 원자에 대한 연구가 없었다면 모두 불가능했던 것들이다. 이러한 원자는 양자의 세계까지 발전했다. 현재 세계는 양자역학의 전쟁이라고 말해도 과언이 아니다. 

 

양자 역학이란?

 

영어단어에 quantity가 있다.  quantity는 사물의 양, 수량, 또는 분량을 뜻하는 명사이다. 주로 셀 수 있는 명사와 잘 쓰이지만, 측정 가능한 전체적인 크기나 규모의 양을 나타낼 때도 폭넓게 쓰인다. 품질을 뜻하는 'quality'와 자주 대비된다. 

 

양자의 어원 "quantum"라는 낱말은 라틴어의 "quantus"에서 유래했다. 즉 수량에서 유래한 것이다. 입자의 수량역학이 양자역학이다. 

 

양자역학에서 양자(Quantum)란 에너지나 물리량이 연속적으로 이어져 있지 않고, 더 이상 나눌 수 없는 최소한의 덩어리(단위)로 이루어져 있는 상태나 그 개별 입자 알갱이를 뜻한다.

광자는 빛의 단일 양자이며, 이에 따라 '광양자'라고도 부른다. 빛에도 입자가 있다는 것이다. 

 

1. 막스 플랑크

 

 

 

양자역학의 효시는 독일 물리학자 막스 플랑크이다. 1900년 막스 플랑크는 어느날 흑체(black body)에서 나오는 복사 (방사)문제를 연구하면서 에너지가 연속적인 것이 아니라 불연속적인 최소 단위(양자)로 존재한다는 양자 이론을 창시했다.

흑체 복사란 오로지 온도의 변화로 물체가 빛을 흡수한 뒤 빛을 재방출하여 복사하는 형상을 말한다. 

 

그러므로 적외선 카메라를 이용한 체온 측정뿐 아니라 태양과 같은 별의 온도 측정에도 ‘흑체(black body)복사’의 원리가 이용된다.

 

흑체

 

 

  

 

흑체(Black body)는 입사하는 모든 파장의 전자기 복사(빛과 열)를 반사나 투과 없이 100% 흡수하는 이상적인 가상의 물체이다.

외부의 빛을 완전히 흡수하므로 반사되는 빛이 없어 우리 눈에는 검게 보이지만, 에너지를 흡수한 상태에서 온도에 따라 모든 파장의 전자기파를 다시 방출하는 성질을 가진다.

 

흑체에서 방출되는 에너지는 연속적인 파동이 아니라, 에너지가 띄엄띄엄 떨어진 '에너지 덩어리(양자)' 형태로 방출되므로 입자의 성질을 가진다.

빛(전자기파)이 파동이면서 동시에 광자라는 입자의 성질을 가지는 것과 같다. 빛은 입자였다. 하나님의 빛도 하나하나씩 나뉘어져 개별적인 사람들에게 입자로서 작용한다. 

 

  

 

이러한 혁명적인 아이디어로 1905년 아인스타인(Einstein)에 의해 광전자 효과(photoelectron effect)를 설명할 수 있게 된 계기가 되었다.

 

광전 효과는 금속 등의 물질 표면에 한계 진동수(문턱 진동수)보다 높은 진동수의 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 현상이다. 광전자는 빛의 입자이다. 빛은 질량도 없는데 입자로서의 성격을 갖는다.  

 

  광전효과


알베르트 아인슈타인은 빛이 에너지를 가진 입자(광자)라는 것을 밝혀내어 이 현상을 설명했고, 그 공로로 1921년 노벨 물리학상을 받았다. 아인쉬타인은 상대성원리로 노벨상을 받는 것이 아니다. 

 

 

  

 

광전자 효과 이전에 빛은 파동의 성질만 가지고 있다고 생각했으나, 광전자 효과의 실험적인 증명으로 물리학자들은 빛은 입자이자 파동의 성질을 동시에 가지고 있다는 사실을 알게 되었다.

 

에너지는 입자로 합쳐진 것이라고 하여 입자물리학의 세계를 연다. 그 이후에도 입자와 파동의 논의가 끝나지 않았다. 이 공로로 1918년 노벨 물리학상을 받았으며 현대 물리학의 문을 연 인물이다. 

 

이러한 양자 개념은 물리학자들에게 미시세계의 특성을 설명하고 이해하기 위한 근본 골조의 일부로 여겨지고 있다.

요약하면 양자역학은 원자핵을 둘러싸고 있는 양성자의 역학이 아니라 양자가 아니라 셀수 있는 입자의 양이라는 의미에서 양자역학이다. 입자의 양을 연구하는 것이 약자역학이다. 

 

  

 

2. 양성자

 

전자가 원자핵 주변을 돌며 음(-)의 전하를 띠는 기본 입자라면 양성자(陽性子, 영어: proton)는 +1e인 전하를 가지는 원자를 구성하는 입자다. 전자의 반대 개념이 양성자이다. 

 

  


양성자는 중성자와 함께 원자핵을 이루며 이 둘을 '핵자'라고도 부른다. 모든 원자에 있는 핵에는 양성자가 하나 이상 포함되어 있고 이 양성자 개수가 원소 성질을 결정한다. 주기율표의 숫자는 양성자의 숫자를 말한다. 

 

  

 

양자역학이란 보이지 않는 미시세계의 입자들의 양을 연구하는 학문이다.

 

양자역학의 응용

 

양자역학은 반도체, 레이저, 의료용 MRI, 그리고 차세대 기술인 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신, 양자 센서 등 일상 기기부터 첨단 과학까지 아주 넓은 분야에 쓰인다.

 

대한민국이 내세우는 반도체, 방산무기, 조선, 자동차 등 양자역학이 들어가지 않는 부분이 없을 정도이다. 그래서 지금은 보이지 않는 입자의 전쟁이다.

입자를 누가 어떻게 잘 연구하느냐에 따라서 나라의 경제가 좌지우지 되고 있다. 일본 경제가 한 때 세계적인 활항을 누린 이유도 그들은 기초과학에 충실하였기 때문이다.  

 

일본은 노벨 과학분야에서 21명의 수상자를 배출했다. 일본의 힘만으로 성과를 낸 것은 아니다.  일본은 국내파학자들이 많이있고 심지어 지방대 출신이 노벨상을 받기도 했다.

미국을 한번도 방문해 보지않은 학자들도 많이 있다. 당시 일본은 노벨상을 받은 아인쉬타인 등 세계적인 학자들을 일본에 초청을 하기도 했다.

 

닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 폴 디랙, 알베르트 아인슈타인, 로버트 오펜하이머, 어니스트 로렌스는 모두 노벨상을 받았다.

 

일본의 노벨상 수상자들

 

아인슈타인의 수상은 1921년 그가 일본행 배를 타고 있을 때 발표됐다. 그는 과학 열풍을 일본에 선물했다. 그 결과 일본은 수 십명의 노벨상 수상자가 나온다. 

 

  

 

이처럼 일본이 입자연구에 전문성을 갖추자, 응용과학과 기술문명으로 이루어져 세계적인 자동차 산업, 전자산업의 중심이 되었던 것이다.

노벨상은 경제로 표현되었다. 중국의 경제도 발전할 수 밖에 없었던 이유도 기초과학이 발전했기 때문이다.

  

3. 이휘소

 

불행하게도 아직까지 대한민국은 노벨물리학상, 노벨화학상 한 명 나오지 않고 있다. 가장 유력했던 이휘소박사는 노벨상을 앞두고 자동차 사고로 일찍 타계(1977년)하고 말았다.

 

 

 

그러나 그는 7 명이 노벨상을 받게 하는 노벨상 메이커였다. 그들은 대부분 이휘소의 이론에서 자극을 받아 노벨상을 받았던 것이다. 

 

  

 

1979년 노벨물리학상을 받은 압두스 살람은 "현대 물리학을 10여년 앞당긴 천재 이휘소가 있어야 할 자리에 내가 있어 부끄럽다"고 까지 했다.   

 

  

   

  

 

이휘소는 핵물리학자가 아니라 소립자 물리학자였다. 서울대학교 53학번이었다.

그는 공교롭게도 우리나라 최초의 의사선교사 호레이스 알렌이 졸업한 오하이주의 마이매이 대학에 편입하여 졸업을 했다. 알렌은 마이애미 대학 의대를 졸업했고 이휘소는 물리학과를 졸업했다.

 

 

 

 

그는 펜실베니아 대학에서 박사학위를 받자 마자 바로 조교수로 취임하였다. 이희소는 아인슈타인에 버금갈정도로 당대 최고의 천재 물리학자였다.

한국에서는 김진명 작가의 '무궁화 꽃이 피었습니다'에서 소설화 되기도 하였다. 그러나 그는 핵물리학자도 아니었고 박정희 정권의 핵개발에도  도움을 준 사람도 아니었다.

 

대칭성이 부서진 게이지 이론의 재규격화

 

이휘소는 한인 역사상 최고의 천재 과학자 중 하나로, 그는 20세기 후반 입자물리학에서 자발적으로 대칭성이 부서진 게이지 이론의 재규격화 문제의 해결에 결정적인 역할을 하였고, Cham 쿼크의 질량을 예측하여 그 탐색에 공헌하였다.

C쿼크가 나올 것을 예측했는데 그것이 현실화되었다. 이처럼 쿼크 중 하나를 예측한 것이 이휘소 박사였다.

 

  

 

물리학적으로, 재규격화란 어떤 에너지 스케일을 지나면 물리 이론을 더 이상 적용할 수 없기 때문에, 고에너지에서의 무식을 나타낸다. 재규격화라는 이름은 어떤 크기에서, 물리량의 크기(norm)를 다시(re-)세워준다(normalization)는 뜻이다.

 

즉 게이지 이론의 재규격화는 양자장론 계산에서 발생하는 무한대(∞) 값을 수학적으로 처리해 유한하고 의미 있는 실제 값으로 바꾸는 핵심 과정이다.  

 

양자역학적 계산을 할 때 확률과 에너지를 구하면 불필요한 무한대 값이 나타난다. 대칭성이 중요한 게이지 이론은 기존 방식으로는 이 무한대를 없애기 아주 어려웠다. 이 일을 이휘소가 해내자 그는 물리학자로서 세계적인 명성을 떨친다. 

 

무한대를 해결하지 못하면 이론이 물리적 현상을 제대로 설명하지 못한다.

이휘소(벤자민 리) 박사와 헤라르뒤스  '호프트, 마르티뉘스 벨트만 등의 연구를 통해 게이지 이론이 재규격화 가능함이 증명되었으며, 이는 현대 입자물리학 표준모형 확립의 결정적 계기가 되었다. 

 

이휘소, 110편의 논문 발표

 

이휘소는 물리학자로서 본격적인 활동을 시작한 이래 약 20년간 모두 110편의 논문을 발표하였으며, 이 중 77편의 논문이 학술지에 게재되었다.

10회 이상 인용된 논문은 이 중 69편에 달하며, 500회 이상 인용된 논문은 모두 8편이다. 2013년 10월 이후 그의 모든 논문들은 13,400회 이상 인용되고 있다.

 

  


1961년 가을, 이휘소는 한국인으로서는 최초로 프린스턴 고등연구소 자연과학부의 연구회원이 됐다. 아인쉬타인은 1933-1946년  이 연구소에서 연구했다. 

  


이처럼 막스 플랑크로부터 이휘소까지 그들은 소립자 물리학을 연구하는 학자들이었다. 

이러한 양자역학은 원자로부터 출발했다. 인간의 소립자 학문은 쪼개고 또 쪼개서 더이상 쪼갤 수 없는 상황까지 이르렀다.

 

그러나 학자들은 원자를 여전히 쪼 갤 수 있다고 판단하고 수학공식으로 계속 입자를 연구하고 있다.

물리학자들은 하나님이 만든 미시세계에 끊임없이 접근하여 미시세계와 우주를 연결하고 싶었다.

그래서 아인쉬타인의 일반 상대성 원리와 양자역학을 통일하려는 노력까지 하고 있다. 하나님이 만든 우주의 실체를 파악하고 싶은 것이다.

우리나라 학자들도 양자역학과 상대성 원리를 하나로 통합하기 위해서 노력하고 있다.

 

  

 

태초에 하나님은 입자를 창조했다. 고대 철학자 데모크리토스의 철학적 주장부터 돌턴, 톰슨, 러더퍼드, 보어를 거쳐 현대에 이르는 원자 모형의 변천 과정을 거쳤다.

 

4. 돌턴의 원자설

 

존 돌턴(John Dalton, FRS, 1766년 9월 6일~1844년 7월 27일)은 잉글랜드의 화학자이자 물리학자, 기상학자로서 "같은 원소의 원자는 같은 크기와 질량, 성질을 가진다. 원자는 더 이상 쪼개질 수 없다. 원자는 다른 원자로 바뀔 수 없으며 없어지거나 생겨날 수 없다" 라고 주장한 원자설의 첫 제창자로 알려져 있다.

 

  

 

5. 톰슨의 음극선

 

1897년 영국의 물리학자 J. J. 톰슨은 진공 유리관(크룩스관)을 이용한 음극선 실험을 통해  질량을 가지며 음(-)전하를 띤 미립자인 전자를 발견했다.

음극선은 진공관(진공방전관)의 양쪽에 높은 전압을 걸었을 때, (-)극(음극)에서 (+)극(양극)으로 흐르는 선(ray)을 의미한다. 이런 실험을 하다가 전자를 발견한다. 

 

  

 

톰슨은 음극선은 질량을 가지며, 음극선이 지나는 길에 바람개기비를 설치하면 바람개비가 회전하고, 장애물을 설치하면 그림자가 생기고, 음극선은 (-)에서 (+)로 직진한다. 자석을 가까이 하면 음극선이 휘어져 전하를 띤다. 음극선이 지나는 길에 전기장을 걸어주면 음극선은 (-)전하를 띤다. 

 

  

 

6. 러더퍼드의 양성자


어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 1911년 알파 입자 산란 실험을 통해 원자 중심에 양전하를 띤 작고 단단한 원자핵이 존재한다는 사실을 발견했다.

이는 당시 통용되던 톰슨의 원자 모형을 뒤집고 현대적 원자 구조의 기틀을 마련한 사건이다.

음전하와 양전하를 띤 원자핵을 처음 발견한 사람이 러더포드이다. 양성자를 최초로 주장한 사람이다. 

 

  

 

알파 입자 방출 장치를 통해 알파 입자를 발사하고 얇게 편 '금박(Gold Foil)'에 입자를 충돌시킨다. 금박을 통과하거나 튕겨 나온 알파 입자의 경로를 주변에 설치한 형광 스크린을 통해 확인한다.

 

대부분 (약 99%): 금박을 그대로 직진하여 통과했다. 일부 경로가 조금 휘어져서 통과했다.

극소수 입자가  금박에 정면으로 충돌하여 큰 각도로 튕겨 나왔다. 튕겨나는 현상에 대하여 (+)전하를 띤 알파 입자를 밀어내거나 튕겨내려면, 원자 내부에 강력한 (+)전하를 띤 부분이 존재해야 한다고 판단했다. 

 

  

 

대부분 (약 99%): 금박을 그대로 직진하여 통과했다. 일부: 경로가 조금 휘어져서 통과했다.

대부분 입자는 금박에 정면으로 충돌하여도 마이너스 입자가 있기 때문에 잘 통과하였다. 그러나 일부는 튕겨 나왔다. 똑같은 양전하가 있기 때문이다.

 

  

 

 

  

 

7. 채드윅의 중성자

 

영국의 물리학자 제임스 채드윅은 1932년 베릴륨에 알파 입자를 충돌시키는 실험을 통해 전하가 없고 양성자와 비슷한 질량을 가진 중성자를 발견했다. 이 공로로 그는 1935년 노벨 물리학상을 받았다.

 

채드윅은 폴로늄에서 나온 알파 입자를 베릴륨 원자에 쏘았다. 이 과정에서 전자기파(감마선)보다 훨씬 강한 에너지를 가진 정체불명의 투과성 복사선이 발생했다.

이 미지의 입자를 파라핀 등 가벼운 물질에 충돌시켜 튀어나오는 양성자의 속도를 측정했다.

 

운동량 보존 법칙을 적용해 계산한 결과, 이 입자는 감마선이 아니라 양성자 무게와 거의 같으면서 전기가 없는(중성인) 새로운 입자임을 증명했다.

 

  


원자 모형의 변천사는 돌턴, 톰슨, 러더퍼드, 채드윅으로 이어졌다. 
  

 

원자(atom)는 모든 물질을 이루는 기본 단위이다. 그리스어 '아토모스(atomos)'에서 유래했으며, '더 이상 쪼갤 수 없다'는 뜻을 가지고 있다. 하나님이 만든 원자를 더이상 쪼갤 수 없다는 것이다.  

 

원자(原子, atom)는 화학 원소의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소 입자이다. 중심에는 원자핵이 있고 그 주변은 전자들로 둘러싸여 있다.

 

원자핵은 양성자와 중성자로 되어 있다. 하나님은 태초에 물질을 창조할 때 그 안에 전자, 양성자, 중성자까지 창조했다. 우리가 모를 뿐이었다. 

모든 물질의 원자핵에는 전자와 양성자가 있었고 심지어 쿼크까지 있었다. 그리고 아인슈타인은 우주에 중력이 있는 것이 아니라 물체가 떨어지는 구부러진 공간이 있다는 것을 발견했다.

 

 


대한민국은 노벨상이 한 명도 없는 상태에서 반도체 강국이 되었다. 독일, 영국, 프랑스, 일본이 경제적으로 어려운 상황에서 한국은 입자 물리학의 영역인 반도체로 먹고 살고 있다.

 

삼성, SK하이닉스 법인세 8.5조 납부

 

2026년 삼성전자와 SK 하이닉스가 낸 법인세는 8.5조이다. 

 

 

  


이는 대한민국이 소립자물리학 분야에 노벨상은 없어도 소립자 연구에 많은 관심을 기울였기 때문이다.   

 

반도체와 트랜지스터는 양자역학의 원리를 바탕으로 작동한다. 반도체 안에서 전자의 에너지 밴드 구조와 전류 흐름을 제어하는 기본 원리가 모두 양자역학에 근거하고 있다. 

 

반도체는 전자가 어떻게 움직이는지 다루는 기술이며, 그 근본적인 작동 원리는 미시 세계의 법칙인 양자역학에 완전히 의존한다.

양자역학이 없다면 반도체의 성질이나 전류의 흐름을 설명할 수 없다. 최근 초미세 공정에서는 양자 터널링 같은 양자 효과가 한계이자 과제로 다뤄진다. 

 

노벨상이 없어도 반도체의 연료인 규소는 하나님의 은혜로 3일에 만든 땅에서 발견되는 SI(실리콘)이다. 사막은 모두 반도체로 구성되어 있다.

신앙을 갖고 하나님의 창조물을 보면 원자나 입자의 미시세계가 보이는 것이다. 하나님은 보이는 거시세계만 아니라 보이지 않는 미시세계에 까지 간섭하였다. 앞으로 전세계는 미시세계를 볼 수 있는 국가만이 살아남게 되어 있다.       

 

대한민국이 노벨물리학상이 한 명 없어도 미시세계를 통하여 먹고 살 수 있는 것은 전적 하나님의 은혜이다.

하나님의 눈은 아인쉬타인이나 오펜하이머, 하이젠베르크, 막스 플랑크의 눈보다 입자를 더욱 잘게 찔러 쪼개기까지 할 수 있는 분이기 때문이다.

 

이제는 전 세계가 입자 전쟁이다. 입자를 만드신 분은 하나님이다. 하나님의 눈을 가질 때 우리는 입자의 속성에 대해서 더 잘 파악하고 이를 현실에 응용할 수 있는 눈을 갖게 되는 것이다.

우리는 단지 물질을 만든 하나님의 속성을 발견할 뿐이다. "태초에 입자가 있었다." 

입자의 연구 발전에 한국인 이휘소가 기여하였다는 것은 하나님의 축복이자 한국인의 자존심이다. 고려인들은 하나님이 함께하는 아리랑 민족이었기 때문이다.

 

 

 

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