1928년, 폴 디랙이 전자의 반입자인 양전자가 존재한다는 걸 처음으로 예언했다. 그는 발견되지도 않는 입자가 존재할 수 있다는 것을 예언한 첫 번째 물리학자였다. 사람들의 반응은 싸늘했다. 볼프강 파울리는 자신이 쓴 물리 핸드북에서 디랙의 양전자를 신랄하게 비판했다. 파울리의 비판이 무색하게 1932년에 캘리포니아 공과대학(칼 텍)의 칼 앤더슨(Carl Anderson)이 양전자를 발견했다. 반입자가 존재 한다는 것을 처음으로 알린 사건이었다. (21p)
1947년에 세실 파월(Cecil Powell)이 이끄는 그룹에서 유카와 가 예언한 파이온을 발견했다. 파이온이 발견되면서 비로소 네 가 지 근본 힘의 하나인 강력이 존재한다는 사실이 확증되었다. (22p)
스완은 물리학이 단지 지금까지 발견된 사실만을 가르치는 학문이 아니라고 여겼다. 그에게 물리학이란 생각의 태도를 익히는 것이었다. 지금까지 알게 된 사실은 교과서나 논문을 뒤지면 다 찾을 수 있다고 했다. 그래서 학생들이 물리학을 배우면서 익혀야 할 것은 사실 그 자체가 아니라 새로운 걸 창조할 수 있는 능력이라고 보았다. 배운 사실은 다 잊어도 생각하는 태도는 없어지지 않는다고 말하곤 했다. (50p)
하이젠베르크는 파스쿠알 요르단, 막스 보른과 양자역학의 시작을 알리는 논문을 발표 했다. 이 논문은 "세 사람의 작품(Dreimännerwerk)"이라는 이름으로 잘 알려져 있는데, 양자역학의 도래를 알리는 위대한 논문이었다. (95p)
이사야 벌린은 "여우는 많은 것을 알지만, 고슴도치는 제대로 된 것 하나를 알고 있다"라는 그리스의 시인 아르킬로코스의 말을 빌려와 《고슴도치와 여우》라는 책을 썼다. 거기서 벌린은 예술가와 지식인을 고슴도치와 여우, 두 부류로 나눴다. 고슴도치에 속한 이는 모든 걸 명료하고 일관되게 하나로 수렴해서 연결 짓는다. 여우에 속한 사람은 다양한 목표를 추구한다. 이들은 적극적이고 행동 지향적이며, 생각의 방향을 끊임없이 발산시킨다. 벌린이 분류한 대로 물리학자를 나누면, 바이스코프는 여우에 가까운 사람이었다. (96p)
파이스는 크리스티안 뮐레르와 연구하면서 전자와 중성미자, 뮤온과 같이 가벼운 입자를 통칭하는 용어 '렙톤(lepton)'을 만들었다. 렙톤은 그리스어의 '작다(λεπτός)'라는 단어에서 왔다. 지금은 렙톤 중에서도 양성자보다 무거운 입자인 타우가 있어서 가볍다는 뜻이 무색해졌지만, 이 렙톤은 여섯 종류의 입자인 전자, 뮤온, 타우, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자를 통칭하는 단어다. (120p)
양성자와 중성자는 스핀이 같고 질량도 거의 같았다. 전하는 서로 달랐지만, 강력의 관점에서 그 둘은 다르지 않았다. 양성자 대신 중성자를 넣어도 강력에는 큰 변화가 없을 것이었다. 다른 말로는 '강력에서는 아이소스핀이 바뀌지 않는다'라고도 표현했다. 그리고 어떤 상황에서 무언가 변하지 않는다는 건 대칭성이 있다는 말이다. 그래서 강력에는 아이소스핀 대칭성 (isospin symmetry)이 있다고 표현하기도 했다. (122p)
삼차원 공간에 놓인 원자핵을 기술하려면, 삼차원 좌표가 필요하 다. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 모두 스핀이 1/2이었다. 그러나 삼차원 좌표와 스핀만으로는 양성자와 중성자를 구분할 방법이 없었다. 이 둘을 가름하려면 스핀과 다른 꼬리표를 달 필요가 있었다. 양성자는 전하가 있었고, 중성자는 전하가 없었다. 전하만 빼면 둘을 하나로 묶어 다룰 수 있었다. 이 꼬리표는 한동안 동위체 스핀(isotopic spin)으로 부르다가 원자핵의 동위원소(isotope)와 혼돈을 가져올 위험이 있어 아이소스핀이라고 바꿔 불렀다. (123p)
세 개의 꼬리표인 아이소스핀의 세 번째 성분(I3), 기묘도(S), 중입자수(B)를 잘 배열하자, 기존의 입자뿐 아니라 낯선 입자까지 훌륭하게 분류할 수 있었다. 게다가 입자의 전하수도 이 세 개의 꼬리표로 표현할 수 있었다. 전하수(Q)는 Q=I3+(B+S)/2로 나타냈다. 겔만은 기묘도와 중입자수를 합쳐 초전하(hypercharge, Y)를 Y=B+S라고 정의했다. 그러자 좀 더 간단한 식 Q=I3+Y/2를 얻을 수 있었다. (130p)
불안정한 핵에 있던 중성자는 양성자로 바뀐다. 동시에 전자와 중성미자가 원자핵 바깥으로 나온다. 원자핵 속에는 전자가 없다. 전자와 중성미자는 중성자가 양성자로 바뀌는 순간 태어난다. 이 것이 페르미의 베타 붕괴 이론이었다. 혁명적인 생각이었고, 역사 를 바꿀 웅장한 이론이었다. (141p)
강력은 세상을 만들고, 약력은 세상을 단순하게 정리한다. 우주 선에서 발견된 낯선 입자는 생긴 지 얼마 지나지 않아 모두 붕괴했다. 이들 대부분은 약력 때문에 붕괴했다. 붕괴한 뒤 남는 건 전자와 양성자밖에 없었다. 중성미자나 반중성미자가 함께 튀어나오기도 했지만, 이들은 유령 같은 입자라 검출기에 흔적을 남기지 않았다. 낯선 입자는 그 어떤 물질도 이룰 수 없었다. 그렇게 약력은 세상을 단순하게 했다. 그렇게 많은 낯선 입자가 발견되었어도 세상은 오직 양성자와 중성자, 전자로만 이루어진다. 약력이 없었다면, 어쩌면 어떤 사람의 몸속에는 람다 중입자가 있을 수도 있고, 또 어떤 사람에게는 시그마 중입자가 있을 수도 있다. 아니 어쩌면 이런 입자들이 계속 존재하는 한, 생명이 존재할 수 없을지도 모른다. 저 빛나는 태양조차도 약력이 없었다면, 단번에 모두 타버렸을지도 모른다. 약력은 우리가 지금처럼 존재하려면 반드시 있어야 하는 근본적인 힘이다. (142p)
어쨌거나 V-A 이론은 약력을 이해하는 데 필요한 두 번째 돌파구라고 할 만큼 중요했다. 무엇보다도 V-A 이론은 훗날 스티븐 와 인버그와 셀던 글래쇼, 압두스 살람이 약력과 전자기력을 통일하는 데 중요한 열쇠가 되었다. (169p)
공명 입자의 질량은 양성자에 가해진 수억 전자볼트의 에너지와 양성자의 질량을 합한 것과 같다. 그래서 공명 입자는 에너지와 질량이 서로 다르지 않다는 것을 증명해 주는 입자이기도 하다. (186p)
거품상자를 처음 제안한 사람은 글레이저였지만, 거품상자를 새 로운 입자를 찾아내는 강력한 무기로 바꿔놓은 사람은 앨버레즈였다. 거품상자는 앨버레즈의 표상이었다. (188p)
머리 겔만이 이런 입자들 속에 감춰진 패턴을 찾아 헤매는 동안, 제프리 추는 근본 입자란 애초부터 존재하지 않는다는 쪽을 선택했다. 양성자의 성질을 설명하려면 중간자가 있어야 했고, 벡터 중간자를 설명하려면 파이온이 필요했다. 다시 파이온이 상호작용하는 걸 설명하려면 벡터 중간자가 필요했다. 모든 입자는 실타래처럼 얽혀 있었다. 제프리 추는 모든 입자는 동등하다는 생각을 펼쳐 나갔다. 입자들의 민주주의 이론의 시작이었다. (189p)
도모나가의 말을 빌리자면, 재규격화란 물리학자가 계산할 수 있는 것과 계산할 수 없는 걸 나누는 걸 의미했다. 이 나뉘는 곳이 수학과 물리학이 나뉘는 지점이기도 했다. 계산할 수 없는 부분은 계산해 봐야 무한대가 되어 버린다. 이 발산 문제는 이미 양자역학이 나온 지 얼마 지나지 않았던 1930년에 오펜하이머가 제기했다. 그때부터 발산 문제는 1940년대 말까지 이론물리학자들의 골치를 썩였다. (244p)
네덜란드 레이던 대학의 헤이커 카메를링 오너스는 1908년에 세계 최초로 헬륨을 액화하는 데 성공했다. 이 년 후에 오너스는 액체 헬륨에 고체 수은을 넣고 저항을 측정했다. 온도를 영하 270도 근처까지 떨어뜨리자 놀라운 일이 벌어졌다. 수은의 저항이 급격하게 떨어지더니 어느 순간 영이 되는 것이었다. 온도를 초저온으로 유지하면, 한번 흐른 전류는 거의 영원히 흐른다. 이것을 초전도 현상이라고 부른다. 이 발견으로 오너스는 1913년에 노벨물리학상을 받았다. 약한 자기장 위에 초전도체를 살짝 올리면 자기장이 침투하지 못해 초전도체는 자기장 위에 뜬다. 이 현상은 1933년에 발터 마이스너와 로베르트 옥젠펠트가 발견해서 마이스너-옥젠펠트 효과라고 부른다. (249p)
쿼크로 이루어진 모든 강입자는 무색이다. 중입자는 세 개의 쿼 크로 이루어져 있지만, 중간자는 쿼크 한 개와 반쿼크 한 개로 되어 있다. 반쿼크의 색깔도 정해줘야 한다. 빨간 쿼크에 대응되는 반쿼크는 노란(yellow)색이 되고, 초록 쿼크에는 심홍색(magenta) 반쿼크, 파란 쿼크에는 청록색(cyan) 반쿼크가 대응된다. 이렇게 쿼크와 반쿼크에 색깔을 부여하면, 쿼크와 반쿼크로 이루어진 중간자도 무색이 된다. (262p)
게이지라는 말은 1929년에 수학자 헤르만 바일이 전자기력과 중력을 합쳐 보려고 전개한 이론에서 나온 말이다. 어떤 물체의 길이를 잴 때, 센티미터 자를 쓰든 인치 자를 쓰든 물체의 길이는 변하지 않는다. 게이지 대칭성이란 자를 바꿔 재더라도 성질은 변하지 않는다는 의미다. 양자전기역학은 게이지 대칭성을 만족하는 이론 중에서 가장 단순하다. 게이지를 변환해도 전하는 변하지 않는다. 그래서 양자전기역학은 게이지 불변이라고 말한다. 게이지 불변이면 입자들 사이에 힘을 매개하는 게이지 입자가 반드시 존재한다. 양자전기역학에서는 광자가 전하를 띤 입자들 사이에 힘을 매개하는 게이지 보손(gauge boson)이다. (328p)
경로 적분은 디랙이 제안하고 파인먼이 박사과정 동안에 완성한 이론이었지만, 정작 양자장론에 경로 적분을 부지런히 적용한 사람들은 소련 물리학자들이었다. 이 방법은 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, 파스쿠알 요르단이 행렬을 써서 표현한 양자역학과 슈뢰딩거의 미분방정식과는 또 다른, 양자역학으로 가는 제3의 길이었다. (332p)
전자와 전자 사이의 힘을 광자가 매개하듯이 쿼크와 쿼크 사이도 광자와 비슷한 입자가 힘을 매개할 것이라고 생각했다. 그렇게 나온 것이 글루온(gluon) 모형이었다. 글루온이라는 말은 접착제(gluc)에서 왔다. 이 말을 가장 먼저 제안한 사람은 에드워드 텔러였지만, 겔만도 이 말을 쓴 적이 있었다. (360p)
바네레 드 비고르 학술회의에서 중간자라는 이름을 정의할 때 원 래는 질량이 파이온과 양성자 사이에 있는 입자들을 칭하려고 지 은 이름이었다. 웁실론은 양성자보다 열 배나 더 무거웠으니, 중간자라는 명칭이 어울리지 않았다. 그때부터 중간자라는 호칭은 쿼크와 반쿼크로 이뤄진 입자를 일컫는 단어가 되었다. 제이-프시나 웁실론처럼 쿼크와 반쿼크로 된 무거운 중간자에는 쿼코니움(quarkonium)이라는 이름이 붙었다. 웁실론은 다섯 번째 쿼크가 존재 한다는 걸 사람들에게 알렸다. 위쿼크, 아래쿼크, 기묘쿼크, 맵시쿼크에 이어 바닥쿼크가 쿼크의 맛깔 목록에 들게 되었다. 그리고 마지막 남은 하나, 꼭대기쿼크는 1995년 페르미 연구소에서 발견된다. 그러나 꼭대기쿼크는 워낙 수명이 짧아서 강입자를 이루지 못한다. 이 여섯 개의 쿼크가 모두 발견되면서 여섯 개의 렙톤과 더불어 표준 모형의 기틀이 잡혔다. (414p)
이론 핵물리학자 제럴드 브라운이 이런 말을 했다.
"물리학자들은 뉴턴의 고전역학에서 물체가 두 개 있을 때는 완벽하게 풀 수 있지만, 물체가 세 개 있는 삼체 문제는 완벽하게 풀 수 없다는 걸 깨달았다. 그러나 양자역학이 도래하자, 물체가 두 개 있는 이체 문제도 완벽하게 풀 수 없다는 걸 알았다. 오직 수소 원자만을 완벽하게 풀 수 있었다. 그리고 양자전기역학에서는 입자가 하나 있는 것도 제대로 풀리지 않는다는 걸 깨달았다. 이제 양자색역학에서는 아무것도 없는 진공이 복잡하기 짝이 없어 아무것도 풀 수 없다는 사실을 알게 되었다." (434p)