매우 중요하면서도 무척 어려운 질문을 던지셨네요. 힘의 근원을 찾는 것은 고대 그리스 자연철학으로부터 지금까지 사실상 모든 자연철학의 가장 근본적인 과제일 것입니다. 아마 neomay3님의 질문에서 ‘힘’은 ‘중력’을 가리키는 것이리라 생각합니다.

물리학자들은 힘의 원천에 대해 손쉽게 말합니다. 여러 가지 현상적인 힘들이 있지만, 결국 따지고 보면 모든 힘들은 네 가지 중 하나라고 말합니다. 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력이 그것이죠. 그리고 각각 그 힘을 만들어내는 원천(source)이 있습니다. 중력을 만들어내는 것은 질량과 에너지이고, 전자기력을 만들어내는 것은 전하와 전류입니다. 약한 핵력을 만들어내는 원천은 전자기력과 비슷한 모양새로 만들어진 이론에서 ‘약한 초전하’라 부르는 것이 됩니다. 강한 핵력은 조금 더 복잡한 역사와 논쟁이 있지만, 여하간 지금 정립된 이론에 따르면 ‘색(color)’이라 부르는 것이 원천입니다. 이 색은 세 가지가 있어서 이 이론을 $SU(3)_C$이라고 부릅니다. 여기에서 ‘C’가 바로 ‘색’입니다. 물론 이 ‘색’은 우리에게 익숙한 색과는 아무 관련이 없습니다.

그런데 이휘소의 이름도 연결되어 있고 미국의 물리학자 스티븐 와인버그와 파키스탄의 물리학자 압두스 살람의 이름으로 흔히 소개되는 이론은 전자기력과 약한 핵력을 하나의 이론 안에서 설명하는 데 성공했습니다.

(이어서) 여기에다 강한 핵력까지 포함하는 더 통합된 이론을 만들어내는 것이 이론물리학자의 꿈인데, 이런 종류의 접근들을 대략 ‘대통일 이론(Grand Unified Theory, GUT)’이라 부릅니다. 여러 가지 이론들이 경합하고 있지만, 아직은 천하통일까지는 가지 못했고, 단지 ‘표준 모형’이라 부르는 것이 정립되어 있습니다. 하지만 여기에는 중력이 고스란히 빠져 있습니다.

그래서 중력의 원천은 여전히 오리무중입니다. 중력의 원천을 질량, 즉 물질의 양이라고 말하는 것은 거의 동어반복에 가까운 정의입니다. 모든 물질은 서로 끌어당기는데, 그 물질의 양에 비례하여 끌어당기는 힘의 크기가 정해진다는 식이니까요. 물질이 무엇인지도 모르는데, 중력과 같은 힘의 원천이 물질이라고 말하는 것은 사실상 아무 것도 말하지 않는 텅 빈 주장인 셈입니다.

그리고 저는 일반상대성이론의 계보를 거슬러 올라가면 힘의 원천에 대한 사유로 데카르트가 아니라 루크레티우스의 자연철학이 있다고 믿고 있습니다. 이것은 데모크리토스와 에피쿠로스의 계보를 잇는 자연철학의 전통이기도 합니다. 스티븐 그린블랫의 책 1417년, 근대의 탄생 - 르네상스와 한 책 사냥꾼 이야기가 이와 관련된 문제를 다루고 있습니다. (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Swerve 참조)

조금 맥락은 다르지만, 2013년 노벨물리학상이 캐나다의 프랑수아 엉글레르와 영국의 피터 힉즈에게 돌아갔습니다.

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013

이 업적의 가장 중요한 부분은 ‘힘(더 정확하게는 상호작용)’의 대칭성이 깨짐으로서 질량이 생겨난다는 개념을 이론으로 만든 것에 있습니다. 1960년대의 일이었습니다. 표준적으로는 브라우트-엉글레르-힉즈(BEH) 메커니즘이라 부릅니다. <장회익의 자연철학 강의> 5장 우주뫄 물질에 이 ‘힉즈’에 대한 이야기가 나옵니다.

실험으로 확인되지는 않았어도 오랫 동안 질량의 기원으로 널리 공인되어 왔는데, 2012년에 그 직접적인 결과가 실험으로 확인됨으로써 명실 공히 입자 질량의 표준적인 메커니즘으로 확립되었습니다.

요컨대, 약간 과장하면, 질량이 힘에서 나온다는 관념인 셈입니다.

첨부파일 : popular-physicsprize2013-1.pdf

$E=mc^2$이라는 공식은 상대성이론을 오해하게 만든 악명 높은 공식입니다. 제가 이전에 쓴 글 “운동질량, 상대론적 질량, 정지질량”에서 이 부분을 해명하려 애썼습니다.

그런데 여기에서 ‘에너지’란 개념은 실상 ‘힘’이란 개념과 거의 같습니다. 그런 점에서 이 악명 높은 공식이 말해 주는 것은 질량이 힘에서 나오며, 질량에서 힘이 나온다는 관념이기도 합니다. 핵물리학이라 부르는 전문분야에서는 아예 질량을 여러 가지 에너지들의 합으로 표현하는 “질량의 경험 공식(semi-empirical mass formula)”이란 것이 있습니다.