지난 4월 10일Physics Review letters라는 물리학관련 과학저널에 매우 흥미로운 연구 논문이 발표되었습니다. 미국 워싱턴 주립 대학교(Washington State University)와 몇몇 다른 공동 연구단체가 함께 한 이 연구는 실험적으로 음의 질량을 갖고 있는 물질의 움직임을 측정하는 것을 성공했다고 설명하고 있습니다. 우리는 일반적으로 물질이 존재하면 그 물질의 질량(Mass)이 존재하고, 질량이 없다는 것은 고전역학적으로는 단지 물질이 존재하지 않음을 의미하는 것으로 이해하는데, 도대체 상상하기조차 힘든 음의 질량이란 무엇을 의미하는 것일까요?

음의 질량이라는 개념이 쉽게 이해되지 않는 것은 우리가 질량(Mass)이라는 개념과 무게(Weight)라는 개념을 쉽게 혼동하고 있기 때문입니다. 일반적으로 질량을 ‘물체가 얼마나 무거운가?’라는 개념으로 생각하곤 하는데, 이는 사실 무게의 개념이고 질량의 개념이 아닙니다. 질량이라는 개념은 물체가 현재 갖고 있는 움직임을 유지하려는 능력, 즉 관성(inertia)의 정도가 얼마나 강한가를 나타내는 물리량입니다. 질량이 크다는 것은 그 물체의 관성, 즉 움직임을 유지하려는 정도가 강하다는 것을 의미하는 것이고, 반대로 질량이 작다는 것은 그 물체의 관성이 작다는 것을 의미합니다. 조금 더 쉽게 풀어 설명해보자면, 질량이 큰 물체를 움직이기 위해서는 상대적으로 강한 힘이 필요한데, 이것이 바로 물체가 외부력에 저항하려는 정도가 강하기 때문입니다. 힘은 두 물체간의 상대적인 개념입니다. 지구가 달을 만유인력에 의해 잡아당기고 있다는 것은 달도 정확하게 동일한 힘으로 지구를 잡아당기고 있다는 것을 의미합니다. 그렇게 동일한 힘을 서로 주고 받고 있는 것이라면, 왜 달이 지구 주변을 돌고, 지구는 달 주변을 돌지 않는 것일까요? 어차피 동일한 힘을 주고 받는 것이라면, 그 힘 자체로는 지구가 달 주변을 돌지 않을 이유가 전혀 없는 것임에도 말입니다. 그 이유가 바로 지구의 질량, 즉 움직이지 않으려는 성질이 달의 질량보다 엄청나게 크기 때문입니다. 동일한 힘을 주고 받고 있지만, 움직임에 저항하려는 정도, 즉 질량 값에 따라 누가 움직이는 가가 결정되는 것입니다. 실제로 두 항성이 서로 인력에 의해 끌어당겨지는 쌍성(binary star)의 경우는 두 별의 질량이 비슷하기 때문에 한 별을 중심으로 다른 별이 공전하는 것이 아니라 두 별이 공통의 무게중심을 중심으로 함께 공전을 합니다. 

짧게 설명 드린 바와 같이 질량이란 얼마나 무거운가를 의미하는 것이 아니라, 외부의 힘에 저항하려는 정도가 얼마나 강한가를 의미하는 것이기에 물리적으로는 음의 부호를 갖는 것에 전혀 문제가 되지 않습니다. 즉, 음의 질량을 갖는 다는 것은 외부로부터 힘을 받았는데, 그 힘에 반대되는 방향으로 가속될 수 있다는 것을 의미합니다. 자동차에 가속페달을 밟았더니 차가 뒤로 가는 것과 비슷합니다. 물론, 가해지는 힘의 반대방향으로 움직인다는 것 역시 일반적인 경험으로는 이해하기 힘든 모습이긴 합니다. 하지만, 이러한 움직임이 극저온에서 만들어지는 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate) 상태라는 특이한 상태의 물질에서 가능하다는 것이 이론적으로 주장되었고 이번 실험은 이러한 이론을 뒷받침하는 실험적 증거라고 할 수 있습니다. 이들 연구진은 루비듐(Rubidium, Rb) 원자를 절대 0도 (섭씨 -273도)에 가깝게 냉각하여 만들어진 보즈-아인슈타인 응축 상태에서 레이저를 이용하여 힘을 가했을 때, 힘과 동일한 방향으로 움직이는 것이 아니라, 되려 힘이 주어진 방향 쪽을 향해서 가속되는, 즉 음의 질량의 물질의 움직임을 확인한 것입니다. 이러한 음의 질량을 갖는 물질에 대한 실험적 발견은 앞으로 우리가 잘 알지 못하는 암흑 물질이나 암흑 에너지 등을 이해하는 데에 중요한 열쇠가 될 것으로 기대되고 있습니다.

있을 수 없을 것으로 생각되는 일이 일어났다는 이야기를 들으면, 우리는 보통 말도 안되는 일이라며, 상식적으로 있을 수 없는 일이라고 말합니다. 하지만, 많은 경우에 그러한 것들은 ‘그동안의 경험을 바탕으로 생각했을 때’ 말도 안되는 일, 상상할 수 없는 일들일 경우가 많습니다. 실제로 그것이 불가능한 것이 아니라, 나의 경험부족에 의한 우물 안 개구리와 같은 실수를 범하게 되는 것이지요. 이처럼 과학적 연구에서 뿐만 아니라, 우리가 각각 살고 있는 삶 속에서도 자신의 제한된 경험이나 무지에 따른 편견에 의해 나 아닌 다른 사람 혹은 그의  생각이나 문화를 무시하는 실수를 하지 않도록 겸손해야 할 것이라 생각됩니다.