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source	https://www.quantamagazine.org/how-the-universe-differs-from-its-mirror-image-20250514/
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우주는 어떻게 자신의 거울상과 다른가

앨리스가 거울 속으로 들어갔을 때, 그곳에는 실로 기묘한 세계가 펼쳐져 있었습니다.

가공의 인물 앨리스는 이상한 나라에서의 모험을 마친 뒤, 루이스 캐럴의 1871년 소설 거울 나라의 앨리스(Through the Looking-Glass) 에서 벽난로 위 거울을 통과해, 거울에 비친 세계가 자신의 세계와 어떻게 다른지 알아봅니다. 그곳에서 앨리스는 책이 모두 거꾸로 쓰여 있고, 사람들이 “거꾸로 살아가며”, 결과가 원인보다 먼저 오는 세계를 살아간다는 사실을 발견합니다.

거울 속에서 물체가 원래와 다르게 보일 때, 과학자들은 그것을 키랄(chiral)하다고 부릅니다. 예를 들어 손은 키랄합니다. 앨리스가 거울 속 자신의 모습과 악수하려 한다고 상상해 봅시다. 현실 세계의 오른손은 거울 세계에서는 왼손이 됩니다. 손가락이 굽는 방향이 반대라 두 손을 완벽하게 맞춰 악수할 방법이 없습니다. (실제로 “카이랄리티(chirality)”라는 말은 그리스어의 “손”에서 유래했습니다.)

앨리스의 경험은 우리 우주에 관한 중요한 사실을 비춰 줍니다. 거울을 통해 본다고 해서 모든 것이 똑같지는 않습니다. 분자에서 기본 입자에 이르기까지, 익숙한 많은 대상의 거동은 우리가 어떤 거울상 버전과 상호작용하느냐에 따라 달라집니다.

거울 우유

거울 나라의 앨리스(Through the Looking-Glass) 의 첫머리에서 앨리스는 고양이 키티를 거울 앞으로 들어 올리며 저편으로 밀어 넣겠다고 장난스럽게 위협합니다. “거기서는 네게 우유를 줄까? 어쩌면 거울 나라 우유는 마시기 좋지 않을지도 몰라.”라고 앨리스는 말합니다.

앨리스의 말은 예리한 통찰이었습니다. 이 책이 출간되기 20여 년 전, 루이 파스퇴르는 상한 와인을 실험하던 중 특정 분자가 키랄할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 분자는 서로 겹쳐 놓을 수 없는, 뚜렷한 왼손형과 오른손형 구조를 가질 수 있습니다. 파스퇴르는 키랄 분자의 거울상은 같은 구성 요소를 모두 갖고 있어도, 서로 다른 화학적 기능을 수행할 수 있다는 점을 밝혀냈습니다.

우유에 들어 있는 당인 유당은 키랄합니다. 두 버전 모두 합성할 수 있지만, 생명체가 만들어 내고 소비하는 당은 언제나 오른손형입니다. 실제로 우리가 아는 생명은 오른손형 당만 사용합니다. 그래서 DNA의 유전적 계단 구조도 늘 오른쪽으로 비틀립니다. 이런 “호모키랄성(homochirality)”의 근원은 생명의 기원을 흐리게 하는 가장 큰 수수께끼 가운데 하나로 남아 있습니다.

키티는 거울 나라 우유를 소화하지 못했을 것입니다. 더 심각한 문제도 있습니다. 그 우유에 반대 방향의 손성을 지닌 박테리아가 들어 있었다면, 키티의 면역계와 항생제는 그것들과 싸우기에 적합하지 않았을 것입니다. 저명한 과학자들로 이루어진 한 연구진은 최근 바로 이런 이유로 거울상 생명체(mirror-image lifeforms)의 합성에 경고를 표했습니다. 만약 그런 생명체가 실험실 밖으로 유출되면, 일반적인 생명체의 방어 메커니즘을 피해 갈 수 있기 때문입니다.

더 작은 세계로

토끼굴을 더 깊이 따라 내려가면, 키랄성의 흔적은 기본 입자에까지 이어집니다.

파스퇴르의 분자 연구는 오귀스탱장 프레넬의 선행 발견에 기반하고 있었습니다. 프레넬은 1822년, 서로 다른 석영 프리즘이 빛의 전기장을 두 방향 가운데 하나로, 즉 시계 방향이나 반시계 방향으로 소용돌이치게 만들 수 있다는 사실을 알아냈습니다. 만약 각각의 빛 입자가 지나간 자리에 연기 자국을 남긴다면, 어떤 프리즘에서는 오른손 나사 모양의 연기가 나타나고 다른 프리즘에서는 왼손 나사 모양의 연기가 나타날 것입니다.

오늘날 물리학자들은 키랄성을 전하나 질량처럼 모든 기본 입자의 근본 성질로 봅니다. 질량이 없는 입자는 언제나 빛의 속도로 움직입니다. 또 팽이처럼 회전하는 것과 같은 고유 각운동량도 지닙니다. 입자가 여러분의 엄지손가락이 가리키는 방향으로 날아간다면, 그 스핀은 오른손이든 왼손이든 손가락이 감기는 방향을 따릅니다.

동영상: 대부분의 유기 분자에는 거울상 쌍둥이가 있습니다. 이 개념을 키랄성(chirality)이라고 합니다. 그러나 생명은 두 키랄 분자 가운데 하나만 사용할 뿐, 다른 하나는 사용하지 않습니다. 이런 비대칭의 이유는 생물학의 가장 큰 수수께끼 가운데 하나입니다. 에밀리 부더/콴타 매거진

전자나 쿼크처럼 질량이 있는 입자의 경우는 조금 더 복잡합니다. 질량을 가진 입자는 더 느리게 움직이므로, 매우 빠르게 움직이는 관찰자는 그 입자를 추월해 사실상 운동 방향을 반대로 보이게 만들 수 있습니다. 그러면 겉보기 손성도 뒤집힙니다. 이런 이유로 물리학자들은 질량이 있는 입자의 키랄성을 설명할 때, 그 입자의 양자적 성질을 수학적으로 기술한 표현을 자주 사용합니다. 입자를 회전시키면, 그 양자 파동함수는 키랄성에 따라 왼쪽 또는 오른쪽으로 변합니다.

거의 모든 기본 입자는 거울 건너편에 쌍둥이를 하나씩 갖고 있습니다. 음전하를 띤 왼손형 전자에 대응하는 것은, 거울상인 음전하의 오른손형 입자인 반양전자(anti-positron)입니다.

거울 나라에서 앨리스는 모든 논리가 완전히 뒤집힌 세계를 만납니다. 사람들은 제자리에 머물기 위해 달리고, 태어나지 않은 날마다 “비생일(un-birthday)”을 축하합니다. 이와 비슷하게, 우리 우주도 자신의 거울상과는 다릅니다. 방사성 붕괴를 일으키는 힘인 약한 힘은 왼손형 입자에게만 작용합니다. 그래서 어떤 입자는 현실 세계에서는 붕괴하지만, 거울 세계의 대응 입자는 붕괴하지 않습니다.

게다가 아예 거울 속에 나타나지 않는 듯한 입자도 하나 있습니다. 중성미자(neutrino)는 지금까지 왼손형 형태로만 관측됐습니다. 입자물리학자들은 오른손형 중성미자가 존재하는지, 아니면 중성미자의 거울상이 그저 자기 자신과 동일한지 조사하고 있습니다. 이 질문은 왜 우주에 무(無)가 아니라 무언가가 존재하는지를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

거울 너머를 들여다보면 우리 세계에 대해 많은 것을 배울 수 있습니다. 다만 우유를 마실 때는 조심해야 합니다.

정정: 2025년 5월 15일

이 기사는 처음에(편집상의 오류로) 과학자들이 최근 거울상 생체분자(mirror-image biomolecules)의 생성에 대해 경고했다고 썼습니다. 하지만 실제로 과학자들이 우려한 대상은 거울 생명(mirror life)이었습니다.