인류의 미래는 이것의 연구 결과에 달려있다.
인류의 미래는 이것의 연구 결과에 달려있다. 비어있는 입자, 물질에 반대의 물질 물속에 물방울이 있다고 해보자.
이 물방울들은 겉으로 보기에는 입자처럼 보이지만 사실 배경이 되는 물이 입자들이고 물방울은 그저 물의 부재일 뿐이다.
이처럼 반입자(반물질)는 물질계에 어쩌다 관측되지만 사실은 텅 빈 입자(어쩌면 입자가 아닌 현상, 짧은 시간만 존재한다)라고 말할 수 있을 것이다.
어떤 시각에선 존재하는 물질에 대한 반대 개념으로서의, 입자인 것.
이런 반입자에 대한 개념은 아인슈타인 상대성 이론과 양자역학을 비롯현 현대의 다양한 공식들이 가져다주는 수학적 의문점에서부터 시작됐다.
수학적으로만 존재를 추측할 수 있던 것들
물질들의 단위인 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 핵과, 그 주변을 도는 전자로 이루어져 있다.
그리고 전자는 에너지를 머금고 들뜬상태에 있으면 원자의 바깥 껍데기에 존재하고 그 에너지를 방출하고 나면 더 안정적인 아래쪽 껍데기로 내려오게 된다.
그런데 가장 낮은 껍데기로 내려오고 나면, 그래도 최소한의 에너지를 가지고 원자 주변을 돌고 있다.
0에 가까운 에너지양이지만 그래도 양의 에너지 상태에 있기 때문에 물질을 이루는 구성요소가 되어주고 있는 것.
전자의 전하가 -라고 해도 에너지 상태는 +인 상태로서, 이것은 물질로서 존재하기 위한 최소한의 양의 에너지를 머금고 있다고 볼 수 있다.
이는 “물질 = 엄청 큰 에너지”라는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 근거한다. (E=mc^2, 핵폭탄의 이론적 배경)
수학적으로는 음수가 될 수도 있다는 결론
그리고 만약 이 음의 에너지가 존재할 수 있다면 원자 속의 전자는 첫 번째(가장 작은) 껍데기에서 안정적인 상태로 머물러 있기보다 더 내려앉아 가면서 무한한 에너지를 방출해야 한다.
이는 말이 안 된다. 물리 법칙 중 에너지 보존법칙(항상 에너지는 일정하다 여기저기로 흘러 다닐 뿐)에 위배되는 일인 것.
하지만 ‘폴 디랙’은 1928년 물질로서 존재하지 않는 음의 에너지 세상이 우주 전체에 존재하고 그 세상은 -전하를 지닌 전자로 꽉꽉 차있을 것이라고 생각했다.
그래서 전자가 원자 껍데기에서 에너지를 무한히 뿜어내면서 사라지지 않는다는 것. 사라져서 넘어가야 할 음의 에너지 세상에 꽉꽉 들어차 있는 전자들이 밀어내고 있다는 주장이었다.
이를 디렉의 바다라고 불렀다. 이 음의 에너지 바다는 물질로서 관측할 순 없지만 전우주에 펼쳐져 있다는 것.
이는 우주 이론의 암흑 물질이라는 개념과 비슷하다, 단 현재까지 그 관계가 밝혀진 건 없어 보인다. (그놈이 그놈인지)
아무튼 이 음의 에너지 바다에 전자기파를 쏴서 거기 있는 전자들을 튕겨 내면, 튕겨 나온 만큼 음의 바다에는 빈자리가 생기게 될 것이다.
이 빈자리라는 것은 개념상 “매우 공허한 곳에(음의 에너지인 곳)에 존재하는 공허”가 된다. 빈자리의 빈자리인 것.
이는 수학적으로 음수에 음수를 곱한 형태가 되면서 양수가 된다. 양의 에너지가 되는 것.
그래서 이 음의 바다에 전자기파를 쏘면 그 음의 바다에 꽉차있던 전자중 일부가 튕겨나오고 이 전자들의 빈자리에 양의 에너지로서 물질화된 입자들이 잠시 생긴다.
이 입자는 튕겨나간 – 전하들과 한쌍이기 때문에 + 전하를 가지고 있다. 이는 딱 전자 – 전하만큼의 + 전하이다. 때문에 이를 양전자라 부른다.
참고로 이 음의 바다에 전자기파를 쏘려면(에너지 주입) 아무것도 없는 완벽한 진공 공간에다가 쏘면 된다고 한다.
다시 말해 철저하게 공허한 공간에 전자기파를 쏘면 질량을 가진 두 종류의 물질이 생기는 것(전자와 양전자). 진정으로 무에서 유를 창조하는 일이다.
참고로 잠시 나타났다 사라진다. 튕겨나간 빈자리에 전자가 다시 들어가면서 쌍소멸 하는 것.
그리고 이때 발생한 양전자가 바로 물속의 물방울 같이 비어있는 입자와 같이 느껴지기에 이것을 “반물질”이라고 부른다.
음의 바다? 암흑 에너지?
이 반물질이 가지고 있는 무한한 가능성은 SF영화의 주 소재이기도 하다.
이론상 무한한 에너지의 근원이기 때문에 미래 문명의 스타쉽들이 이걸 연료로 쓰기도 하고, 핵폭탄과는 비교조차 될 수 없는 행성 파괴용 폭탄이나, 항성 파괴용 폭탄 등의 재료로 쓰이기도 한다.
실제로 이 반물질이 실제 어떤 작용을 할 수 있을지는 아직 미지수이다.
인류는 이제 겨우 그런 게 존재한다는 걸 증명했다.(1932년) 아직은 그 성질을 알아가는 과정에 있는 것(분자 가속기로?)
하지만 위에서 말했듯 이 음의 바다(디랙의 바다)는 천문학에서 우주를 팽창시키는 알 수 없는 미지의 에너지인 암흑 에너지와 비슷한 부분이 있다.
어쩌면 그게 그거일 수도 있는 것.
우주는 빛의 속도보다도 빨리 팽창하고 있으며 그 끝은 이 우주의 종말이 있을 것이다.
그 종말의 이름은 공허이다. 우주가 너무 넓어져서 물질들이 띄엄띄엄 존재하기 때문에 텅텅 빈 것 같은 세상이 우주의 마지막 모습인 것.
그러다 우주가 더 텅텅 비어져서 결국 전체가 거의 완벽한 진공상태가 되어버리면, 어쩌면 그땐 이 음의 바다가 다시 물질을 만들 준비를 하게 되는 걸지도 모르겠다.
그럼 우주는 빅뱅을 다시 시작할까?
만약 우주를 팽창시키는 힘이 이 음의 바다에 있는 전자들 때문이라면(서로 밀어내는 힘) 우주의 팽창이 가속되지는 않을 것이다.
넓어질 수록 전자들끼리 멀어질테니까, 그럼 이 음의바다에 유입되는 전자들이라도 있을까? 블랙홀이 주변 물질을 빨아들여서 전자를 음의바다로 넣어버리기라도 할까?
아무튼 반물질은 무에서 유를 창조한다.
어쩌면 무한에 가까운 에너지를 만들어 낼 수 도 있다.
인류가 까마득히 먼 미래에 생존의 위협을 느낀다면 그것을 극복할 수 있는 돌파구는 이 반물질의 활용에 있을지 모르겠다.
