3. 물리학자처럼 생각하기

3-1. 대칭성 — 자연은 규칙적이다

눈송이는 왜 아름다운가?

겨울, 하늘에서 내려오는 눈송이를 돋보기로 들여다본 적이 있는가? 눈송이는 놀라울 정도로 정교한 무늬를 가지고 있다. 그리고 더 놀라운 것은 — 눈송이를 60도 돌려보면, 돌리기 전과 똑같아 보인다는 것이다. 위아래를 뒤집어도, 거울에 비추어도, 원래 모습과 구별할 수 없다.

이것을 물리학자는 대칭성(symmetry)이라고 부른다.

그런데 잠깐, 눈송이의 아름다움이 물리학과 무슨 상관이 있을까? 놀랍게도, 대칭성은 단지 아름다운 무늬에 관한 이야기가 아니다. 대칭성은 물리학 전체를 관통하는 가장 강력한 사고 도구이며, 물리학자가 세상을 바라보는 방식 그 자체다. 20세기 물리학의 가장 위대한 발견 중 하나는 이것이다:

"자연의 법칙에 대칭성이 있으면, 반드시 그에 대응하는 보존법칙이 존재한다."

에너지가 보존되는 이유, 운동량이 보존되는 이유 — 이 모든 것의 뿌리에 대칭성이 있다. 이것이 어떻게 가능한지, 천천히 따라가 보자.

지금까지의 이야기

앞서 우리는 물리학이 던지는 질문들("이것은 왜 이렇게 움직이는가?")을 살펴보았고, 갈릴레오에서 양자역학에 이르는 물리학의 위대한 이야기도 만나보았다. 이제부터는 한 걸음 더 나아가, 물리학자가 세상을 바라보는 특별한 시선을 배워볼 차례다.

물리학자가 자연을 이해할 때 사용하는 가장 강력한 도구들이 있다. 그 첫 번째가 바로 대칭성이다.