[Science] 보이지 않는 분홍코끼리를 찾아서

2021.3.17

마이클 도저(Michael Doser) /유럽핵입자물리학연구소(CERN) 물리학자, 사이언스 커뮤니케이터

제한적인 세계관

우리 인간들은 감각, 특히 눈을 통해 환경을 이해하곤 했지만 다른 감각 역시 활용되었다. 촉각을 통해보고”, 귀를 통해 주변에 대한 모델을 구축하고, 동시에 여러 경험으로부터 얻은 입력정보를 바탕으로 보다 완전한 세계관을 구축해 나간다.

우리 감각은 입력 정보를 결합하고, 모델을 구축 수정하고 현실과 비교하여 테스트 하는 실질적인 작업을 하는 뇌로 정보를 전달하는 센서일 뿐이다. 물론 최적의 조건에서도 우리의 감각은 제한적이다. 우리는 돌고래가 사용하는 초저주파 또는 박쥐가 사용하는 초고주파를 들을 없다. 또한 벌이 있는 자외선이나 뱀이 있는 적외선을 없고, 많은 포유류에 비해 인간의 후각은 발달됐다.

다양한 기술의 발달로 보고 들을 있는 범위가 확장되었다. 이러한 영역을 감지하기 위해서는 우선 감각을 통해 얻은 정보를 감각중추에 매핑하여 인간의 감각과 뇌가 처리할 있는 것으로 변환해야 한다. 인간의 시각 범위에 있는 색상을 이용한 가색상(false color) 열화상 이미지, 인간의 청각 범위로 주파수 이동된 행성 또는 별의 전파 방출이 그것이다. 여기서보다(see)” 의미하는 바와보이지 않음(invisible)” 의미하는 바를 명확히 하는 것이 중요하다. 감지기 기술은 개념의 의미를 변경한다. “보기(seeing)” 신호가보기(seeing)” ​​원래 의미에 매핑될 있는 모든 기술을 사용하여감지(detecting)”하는 것을 의미하는 것으로 간주되어야 하며, “보이지 않음(invisible)” 확장되어 현존하는 기술로는 물체를 감지할 없음을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

어떤 의미에서 이것은 사소한 확장 전환이다. 알려진 물리학 기술을 기반으로 하며 살아있는 세포가 최적의 센서 기술이 아닌 영역으로 우리의 감각기관을 확장할 뿐이다. 더욱이 우리의 모든 감각(보다 일반적으로 지구상에 있는 모든 생명체의 감각) , 전기장, 자기장과 같은 전자기 상호 작용에 의존한다는 점이 주목할만하다. 이미 알려진 세가지 : 중력, 강한 상호 작용(strong interaction), 약한 상호 작용(weak interaction) 우리의 감각에 나타나지 않으며 우리는 모두 영향을 보지 못한다.

보지 못함으로 보고, 듣지 않음으로 듣다.

그러나 빛을 사용하는 것만으로도 눈에 보이지 않는 커다란 천체 물체를 간접적으로(see)” 있다. 왜냐하면 확장된 은하 질량 독립체(galaxy-mass entities) 뒤에 있는 은하에서 방출되는 빛에 대해 거대한 렌즈 역할을 하기 때문이다. 뒤에 있는 단일 또는 다중 광원의 중력 렌즈에 의해 형성된 이미지의 분포를 측정함으로써 비가시 렌즈의 파라미터를 계산하여 보이지 않는 분포와 질량을 측정할 있다.

기술 다른 관찰 기술은 중력의 영향을 받지만 빛을 방출하거나 흡수하지 않는암흑 물질(dark matter)이라고 불리는 물체가 존재한다는 것을 보여준다. 초거대 질량 블랙홀에서  양자 역학적 파장이 은하의 크기와 같을 정도로 가벼운 입자에 이르기까지 암흑 물질이 무엇인지에 대한 많은 가설이 제안되었다. 더욱이 우주는 많은 보이지 않는 엔티티(entity) 포함한다. 다시 광범위한 관측 입력값을 살펴보면 우주는 중력에 대항하고 우주의 급속한 팽창을 담당하는암흑 에너지(dark energy) 불리는 것을 포함하고 있는 것으로 보인다.

이것이 의미하는 바는 빛을 방출하거나 흡수하지 않기 때문에 효과적으로 보이지 않지만 중력을 통해 우리가 있는 발광 물체의 움직임에 영향을 미치는 것이 많다는 것이다. 우주의 대다수(정확하게는 96%) 암흑 물질(21%) 암흑 에너지(75%) 이루어진 것으로 보이며, 눈에 보이지 않는 중성미자는 약한 상호 작용을 통해 전자나 쿼크와 부딪히기도 한다. 가정된 암흑 물질 입자는 아직 측정되지 않았다.

무겁고 보이지 않는 분홍 코끼리 한마리 또는 연분홍 모기 수십억 마리?

따라서 광범위한 천체 물리학적 관찰이 암흑 물질의 존재를 강조하고 있지만, 본질은 알려져 있지 않다. 지난 수십년 동안 암흑 물질을 탐지하기 위한 노력이 광범위하게 이루어졌으며 사냥감이 어떻게 생겼는지 또는 전자기적으로 얼마나 강하게 상호 작용하는지 있는 방법이 없기 때문에 현재 기술로 측정할 가능성이 있는 가지 유형에 초점을 맞추었다. 한편으로는 거대한 소형 헤일로 물체(“MACHOs”), 다른 한편으로는 약하게 상호 작용하는 초경량 입자(“WIMP”) 있다. 전자는 정상적인 물질로 만들어져 있거나 감지 가능한 적외선을 방출하기에는 너무 차갑거나 질량이 다른 다양한 블랙홀로 구성되어 있다고 가정한다. 당연히 전자기 복사와 상호 작용하지 않으며 색상도 없다(따라서 확실히 분홍색이 아니다). 수년 동안 많은 망원경으로 관찰하며 개의 MACHO 발견한 이것은 암흑 물질이 아니라는 점이 분명해졌다.

어두운 바다에서 수영

따라서 이러한 확인 노력은 사냥감만큼 이국적인 이름을 가진 훨씬 가벼운 아원자 물체에 초점을 맞추었다. WIMP 액시온(axion), 암흑 광자(dark photon), 포티노(photino), 무균 중성미자(sterile neutrino), WIMPzilla, 와이노(wino), 카멜레온(chameleon), 스쿼크(squark) 또는 낯선 형태로 나타날 있으며 거의 ​​모두 존재하지 않는다. 이를 찾고자 하는 실험에서 아무런 결과를 얻지 못하는 경우 목록은 짧아진다. 왜냐하면 특성은 조정되어 보이지 않는지설명 가능하기 때문이다. 이러한 노력은 거의 (그리고 아마도 완전히) 보이지 않는 (대부분 존재하지 않는) 유형의 입자를 찾는 것으로 세계 과학자들의 상상력과 창의력을 발동시킨다. 이들 연구진들은 감지하여 가시화하기 위해서 최고의 민감도를 가져야 하는 가장 약한 링크를 제외하고 우리와 상호작용 없이 거쳐가는 WIMPs 바다에 빠져 가능성에 대해 연구하는 사람들이다.

악몽

그러나 악몽 시나리오가 있다. 암흑 물질은 중력을 통해서만 평범한 물질과 상호 작용하고, 사실상 평범한 물질과 암흑 물질 사이에는포털(portal)” 없으며, 따라서 암흑 물질은 중력 상호 작용을 통해서만 감지할 있다는 것이다. 만약 그렇다면, 독창성 정도와 관계없이 암흑 물질을 관찰하려는 모든 시도는 수포로 돌아갈 것이며, 사실 우리를 둘러싸고 있어야 하는 엄청난 양의 암흑 물질은 여전히 보이지 않을 것이다. 은하수 질량의 80% 암흑 물질의 형태이기 때문에 우리가 최선의 노력을 다하더라도 성질을 밝혀내지 못한다면 그것은 엄청난 지적 패배가 것이다.

블라인더(blinder), 학제간 연구, 절충주의

실제로 눈에 보이지 않게 존재하는 것을 보지 않고 감각과 관련이 없으며 감각기관의 정보를 조합, 해석, 이해하는 처리장치와 관련이 있는 것이 있다. 바로 뇌이다. 이것 역시 무지의 형태이다. 좁은 참호에서 빠져나와 전체적인 풍경을 생각할 없는 무능함이다.

결국 이것은 보이지 않는 것을 보려고 시도하는 진정한 도전이다. 알려진 것을 확장하려면 이전에 탐험한 적이 없는 영역을 탐험해야 한다. 그러기 위해서는 불완전하고 리스크가 상태에서 출발해야 한다. 번의 도전이 아닌 반복적으로 도전하고, 용기와 상상력을 가진 대부분의 사람들이 빈손으로 돌아올 것이라는 사실을 받아들여야 한다. 그들이 무능한 사냥꾼이라서가 아니라 그들의 사냥감이 애매하고, 그들을 사냥하는 필요한 기술이 아직 발명되지 않았으며, 사냥감이 존재하지 않을 수도 있기 때문이다. 희망에 대한 희망을 가지고 미지의 세계로 나아가려면 다른 사람의 기술, 세계관 전문 지식에서 배우고 다른 사람들이 도전해서 이미 빈손으로 돌아온 과정이 아닌 다른 과정을 탐험해야 한다.

어둠을 저주할 것이 아니라 우리는 새로운 형태의 빛을 발명해야 한다. 반드시 존재한다고는 없지만, 존재할 수도 있는 보이지 않는 세상을 진정으로 있다는 마음으로 이러한 발명을 해야 한다.

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