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(번역) 우주는 거울 이미지와 어떻게 다른가

이상한 나라에서 모험을 마친 가상의 앨리스는 루이스 캐럴의 1871년 소설 '거울나라의 앨리스'에서 벽난로 위의 거울을 통해 거울에 비친 세계가 자신의 세계와 어떻게 다른지 발견했습니다. 앨리스는 책이 모두 거꾸로 쓰여 있고 사람들이 원인보다 결과가 앞서는 세상을 '거꾸로 살아가고' 있다는 사실을 발견했습니다.

거울에 비친 물체가 다르게 보일 때 과학자들은 이를 카이랄이라고 부릅니다. 예를 들어 손은 카이랄입니다. 앨리스가 거울에 비친 자신의 모습과 악수하려고 한다고 상상해 보세요. 거울 세계의 오른손은 왼손이 되고, 손가락이 잘못된 방향으로 구부러져 악수를 하기 위해 두 손을 완벽하게 정렬할 수 없습니다. (사실 '키랄리티'라는 단어는 '손'을 뜻하는 그리스어에서 유래했습니다.)

앨리스의 경험은 우리 우주에 대한 깊은 통찰을 반영합니다: 모든 것이 거울을 통해 똑같지 않다는 것입니다. 분자부터 소립자에 이르기까지 친숙한 많은 물체의 행동은 우리가 어떤 거울 이미지 버전과 상호작용하는지에 따라 달라집니다.

거울 우유

'거울나라의 앨리스'의 초반부에서 앨리스는 고양이 키티를 거울에 대고 반대편으로 밀어버리겠다고 협박합니다. "저기서 우유를 주면 안 될까? 아마 거울 속 우유는 마시기에 좋지 않을 거예요." 앨리스가 말합니다.

앨리스는 무언가를 알아챘습니다. 이 책이 출판되기 20여 년 전, 루이 파스퇴르는 유통기한이 지난 와인을 실험하던 중 특정 분자가 키랄 성분이 될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 키랄은 왼손과 오른손이 서로 다른 구조적 형태로 존재할 수 있으며 중첩이 불가능합니다. 파스퇴르는 동일한 성분을 모두 포함하고 있지만 거울 버전의 키랄 분자가 서로 다른 화학적 기능을 할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

우유에서 발견되는 당분인 유당은 키랄입니다. 두 가지 버전 모두 합성이 가능하지만, 생명체가 생산하고 소비하는 당은 항상 오른손잡이 당입니다. 실제로 우리가 알고 있는 생명체는 오른손잡이 당만 사용하므로 DNA의 유전적 계단은 항상 오른쪽으로 꼬여 있습니다. 이 '동형성'의 근원은 생명의 기원을 흐리는 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아 있습니다.

키티는 유리처럼 보이는 우유를 소화할 수 없었을 것입니다. 더 나쁜 것은, 만약 반대 성질을 가진 박테리아가 들어 있었다면 키티의 면역 체계와 항생제로는 싸울 수 없었을 것입니다. 최근 한 저명한 과학자 그룹은 이러한 이유로 거울 이미지 생체 분자가 실험실을 탈출할 경우 모든 생명체의 방어 메커니즘을 회피할 수 있다는 점을 들어 거울 이미지 생체 분자의 합성에 대해 경고한 바 있습니다.

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토끼굴을 계속 내려가다 보면 소립자까지 키랄성의 흔적을 발견할 수 있습니다.

파스퇴르의 분자 연구는 1822년 서로 다른 석영 프리즘이 빛의 전기장을 시계 방향 또는 시계 반대 방향 중 하나로 돌릴 수 있다는 사실을 깨달은 오귀스탱-장 프레넬의 이전 발견에 기반을 두고 있습니다. 빛의 각 입자가 그 여파로 연기 흔적을 남길 수 있다면, 한 프리즘에서는 오른쪽 방향의 나사가, 다른 프리즘에서는 왼쪽 방향의 나사가 나올 것입니다.

오늘날 물리학자들은 카이랄성을 전하나 질량과 마찬가지로 모든 기본 입자의 기본 속성으로 간주합니다. 질량이 없는 입자는 항상 빛의 속도로 이동하며, 마치 팽이처럼 회전하는 것처럼 고유한 각운동량을 가지고 있습니다. 입자가 엄지손가락 방향으로 날아가는 경우 입자의 회전은 오른손이든 왼손이든 손가락이 말리는 방향을 따릅니다.

전자나 쿼크와 같은 거대 입자의 경우 상황은 조금 더 복잡해집니다. 거대한 입자는 더 느리게 이동하기 때문에 빠른 관찰자가 이를 추월하여 운동 방향을 효과적으로 뒤집을 수 있으며, 따라서 겉으로 보이는 손의 방향이 뒤집힐 수 있습니다. 이러한 이유로 물리학자들은 거대 입자의 카이랄성을 설명할 때 입자의 양자 속성에 대한 수학적 설명을 자주 언급합니다. 입자를 회전시키면 입자의 키랄성에 따라 양자 파동 함수가 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동합니다.

거의 모든 기본 입자는 쌍둥이를 가지고 있습니다. 음전하를 띤 왼쪽 전자는 음전하를 띤 오른쪽 입자인 반양전자에 의해 미러링됩니다.

거울 속 세상에서 앨리스는 모든 논리가 뒤집힌 것을 발견합니다: 사람들은 제자리를 지키기 위해 달리고, 태어나지 않은 날에는 '생일이 아닌 날'을 축하합니다. 마찬가지로 우리 우주는 거울 이미지와 다릅니다. 방사성 붕괴를 일으키는 약한 힘은 왼손잡이 입자에서만 느껴집니다. 즉, 어떤 입자는 정상 세계에서는 붕괴하지만 거울 속의 입자는 그렇지 않다는 뜻입니다.

게다가 거울에는 전혀 나타나지 않는 입자가 하나 있습니다. 중성미자는 왼손잡이 형태로만 관측된 적이 있습니다. 입자 물리학자들은 오른손잡이 중성미자가 존재하는지 또는 중성미자의 거울 이미지가 단순히 동일한지 조사하고 있으며, 이를 통해 우주가 무가 아닌 무언가를 포함하는 이유를 설명할 수 있습니다.

우리는 거울을 통해 우리 세계에 대해 많은 것을 배울 수 있습니다. 다만 우유를 마시지 않도록 주의하세요.