원자(atom)라는 개념은 고대에도 있었습니다. 기원전 440년 무렵에 그리스 철학자 데모크리토스는 막대기나 돌, 혹은 어쩌면 꽃병을 들고 생각했습니다. "이걸 반으로 자르고, 또 자르고, 이런 식으로 영원히 자를 수 있을까?" 데모크리토스는 그럴 수는 없다고 생각하며, 더이상 자를 수 없는 물질을 '아톰(atom)'이라고 불렀습니다. 그리스어로 '아토모스(atomos)'가 '더는 자를 수 없다'라는 뜻입니다.
19세기에 스코틀랜드 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 이렇게 말했습니다. "물질이 지닌 특성 가운데 많은 부분은, 특히 기체의 형태일 때, 그 물질을 구성하는 극미하게 작은 부분들이 빠르게 움직이고 있을 때 온도가 올라감에 따라 운동 속도가 빨라진다는 가설에서 추론할 수 있다. 이상 기체에서 압력, 온도, 밀도의 관계는 등속 직선 운동을 하는 입자들을 가정함으로써 설명할 수 있다. 그 입자들이 폐쇄된 용기 안에서 벽에 충돌함으로써 압력이 생겨난다."
원자의 태양계 모형은 1911년에 영국의 물리학자 어니스트 러더퍼드(Emest Rutherford)가 추론했습니다. 러더퍼드의 제자인 한스 가이거(Hans Geifer)와 어니스트 마스던(Emest Marsden)은 1909년에 세상에서 가장 작은 기관총으로 방사성 라듐에서 나온 아원자(알파 입자) 총알을 얇은 금박을 향해 발사했습니다. 당시 과학계가 받아들였던 원자 모형은 크리스마스 푸딩처럼 양의 전하를 띤 구에 전자가 건포도처럼 박혀 있는 모습이었습니다. 결국 가이거와 마스던은 금박을 향해 쏜 아원자 총알이 모기떼를 거뜬히 통과하는 실제 총알처럼 금 원자를 거뜬히 통과하리라고 생각했습니다. 그런데 아원자 총알은 8000번을 쏠 때마다 한 번씩 금박에 부딪치고는 튕겨 나와 두 젊은 연구자를 깜짝 놀라게 했습니다. 끝내 러더퍼드는 2년 동안의 고민 끝에 원자는 크리스마스 푸딩처럼 생기지 않았으며 원자 질량의 99.9퍼센트는 아주 작은 원자핵에 몰려 있고 알파 입자 8000개당 한 개는 이 원자핵에 부딪친 뒤에 되튕겨 나온다고 결론을 내렸습니다.
궁극의 알갱이, 쿼크와 렙톤
현재 물리학자들은 양성자와 중성자가 쿼크로 이루어져 있다고 확신하지만, 신기하게도 양성자나 중성자를 분해해 쿼크를 분리할 수는 없습니다. 그 이유는 쿼크를 한데 묶는 강한 핵력의 독특한 특성 때문입니다. 강한 핵력은 아주 강할 뿐 아니라 두 쿼크 간의 거리가 멀어질수록 더 강해집니다. 쿼크는 마치 늘이면 늘일수록 저항력이 커지는 고무줄로 묶여 있는 것 같습니다. 두 쿼크가 서로에게서 벗어나기 훨씬 전부터 '고무줄'을 늘이는 데 사용하는 에너지는 새로운 입자를 만드는 질량 에너지로 전환됩니다 .에너지 보존 법칙에 맞게 말입니다. 구체적으로 말해서 입자물리학의 법칙이 쿼크와 반쿼크 쌍을 만드는 마법을 부리는 것입니다. 두 쿼크를 분리하려는 실험을 하는 순간, 두 쿼크는 분리되기는 커녕 새로운 두 쿼크가 만들어지는 것입니다.
입자물리학의 표준 모형
양자 이론에서는 힘을 운반하는 입자(force-carrying paticles)를 교환할 때 힘이 생긴다고 합니다. 테니스공을 주고받는 두 선수가 있다고 생각해봅시다. 각 선수는 테니스공을 받아칠 때마다 상대방의 힘을 느낄 것입니다. 현재 물리학자들은 네 가지 기본 힘을 압니다. 우리 몸의 원자를 한데 묶어주는 힘인 전자기력, 원자핵이라는 극히 작은 영역에서만 작용하는 약한 핵력과 강한 핵력, 별과 행성과 은하를 묶어주는 중력이 바로 그 네 가지 힘입니다. 전자기력은 광자가 운반합니다. 약한 핵력은 세 가지 벡터 보손(vector boson)이 운반하고, 강한 핵력은 여덟 가지 글루온이 운반합니다. 중력은 중력자(graviton)가 운반합니다. 하지만 아직 중력자를 발견한 사람은 한 명도 없고, 그런 교환 입자로 중력을 설명하는 양자적 기술은 여전히 물리학자들의 손에 잡히지 않고 있습니다.
초대칭 이론
초대칭 이론은 다양한 현상이 그저 통합적인 단일 현상의 여러 측면임을 보여주려는 현대의 한 시도입니다. 그러나 통일에 관한 이런 소망은, 실재는 소수의 기본 구성 요소들이 여러 조합으로 결합해 만들어졌다는 데모크리토스의 환원주의적인 소망과 분명히 충돌할 수밖에 없습니다. 데모크리토스의 생각처럼 물질을 구성하는 기본 요소가 점 같은 입자라면, 여러 경우가 있을 수 없습니다. 점 같은 입자는 어디에서 보나 같은 모습입니다. 그런데 통일을 고수하는 입장과 환원주의를 고수하는 입장이 갈등을 피할 방법이 한 가지 있습니다. 물질의 기본 성분이 점 같은 입자가 아니면 됩니다. 그래서 끈 이론이 등장했습니다.