[알쏭달쏭 과학세상⑨] 빛보다 빠른 물질은 왜 없는걸까

[알쏭달쏭 과학세상⑨] 빛보다 빠른 물질은 왜 없는걸까
기사입력 2011.11.23 17:22:55 | 최종수정 2011.11.23 18:00:11

최근 아인슈타인의 상대성이론을 뒤집을 수도 있는 실험이 잇달아 성공하면서 학계는 물론 일반인들의 관심을 끌고 있다. 스위스에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)는 9월에 이어 지난 18일 또다시 중성미자(뉴트리노ㆍ물질의 최소 단위인 소립자의 하나) 속도가 빛보다 빠르다는 실험 결과를 얻었다고 발표했다. 물론 아직 대부분 과학자들은 실험에 오류가 있다는 쪽에 무게를 두고 있다. 다른 과학자 그룹이 비슷한 연구 결과를 내지 않는 한 의구심이 사라지지는 않을 듯하다. 그만큼 빛보다 빠른 물질이 없다는 지식은 현대과학의 기본 상식으로 받아들여지고 있는 것이다. 왜 빛보다 빠른 물질은 있을 수 없다고 하는 걸까. 답은 질량, 공간ㆍ시간 차원에서 구할 수 있다. 일단 빛(광자ㆍphoton)은 우주에서 질량이 없는 유일한 물질이다. 과학자들이 빛보다 빠른 물질이 있을 수 없다고 굳건히 믿는 이유를 쉽게 설명하면 이렇다. 빛보다 빠르려면 어떤 물질의 질량이 빛보다 가벼워야 한다. 하지만 `0`보다 작은 질량은 있을 수 없다. 빛보다 빠른 물질을 `타키온`이라 하지만 이는 가상의 입자일 뿐이다. 김수봉 서울대 물리ㆍ천문학부 교수는 "음의 질량은 수학적으로는 상상할 수 있겠으나 마이너스 질량은 존재할 수 없다"며 "중성미자도 정확한 질량은 몰라도 질량이 있다는 사실은 증명됐기 때문에 빛보다 빠를 수 없다"고 말한다. 전자기파로 설명할 수도 있다. 맥스웰은 19세기에 전기와 자기의 발생에 관련한 이론을 정립했다. 유명한 맥스웰 방정식이다. 여기서 빛이 곧 질량이 없는 전자기파임을 이론적으로 증명했다. 이어 약 20년 뒤 헤르츠가 전파를 발생시켜 전자기파가 빛이라는 사실을 실험적으로 보여주었다. 아인슈타인은 빛의 속도를 `우주의 제한속도(Universe`s speed limit)`라고 불렀다. 그 제한속도는 진공 상태에서 초당 2억9979만2458ｍ다. 그리고 빛보다 빠른 물질은 있을 수 없다는 전제로 특수상대성이론을 완성했다. 아인슈타인은 만약 그런 물질이 있다면 인과율(원인이 없는 결과는 있을 수 없다는 법칙)이 깨진다고 주장했다. 이후 모든 과학적 현상이 상대성이론과 들어맞으면서 현대과학의 탄탄한 토대가 됐다. 만약 우주에 최대 속도가 없다면 무한의 속도라는 개념을 받아들여야 하지만 이는 불가능하다. 속도는 시간당 공간 이동을 얼마나 하는지 보여준다. 수학적으로 보면 공간의 변화량을 시간의 변화량으로 나눈 것인데 무한한 속도가 존재하려면 공간의 변화가 무한하거나 또는 시간이 흐르지 않아야 한다는 결론이 나오기 때문이다. [심시보 기자] [ⓒ 매일경제 & mk.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지]