아인슈타인에서 카를로 로벨리까지, 물리학 혁명을 완성하기 위한 우리 시대, 가장 거대한 과학적 도전! 오늘날의 이론물리학자들에게 20세기의 두 위대한 이론인 양자역학과 일반상대성이론을 단일 구조로 묶는 양자중력은 현대판 성배와도 같다. 이 책은 그 성배를 향해 나아가는 주요한 접근법인 고리양자중력에 관한 이야기다. 그리고 이 이야기에는 공간과 시간, 우주 구조의 발현에 관한 기이하고, 거대하고, 숨을 멎게 하는 아이디어들이 담겨 있다. 이것은 또한 두 물리학자의 이야기이기도 하다. 절친한 친구 사이인 ‘리 스몰린’과 ‘카를로 로벨리’는 30여 년간 수많은 동료들과 함께 고리양자중력이 양자중력을 설명하는 독자적 이론으로 수립될 수 있도록 연구해왔다. 짐 배것은 복잡한 수식 없이 이론의 기본 아이디어를 설명하고, 스몰린과 로벨리와의 대화를 통해 이론물리학의 최전선에서 펼쳐지는 강렬하고 흥미진진한 순간들을 포착해낸다. 초끈이론과 고리양자중력, 입자물리학의 최전선 20세기에 우리는 특별한 성공을 거둔 두 이론을 목격했다. ‘양자역학’은 아주 작은 규모를 경이로울 만큼 잘 설명하고, ‘일반상대성이론’은 중력과 거대 규모 우주를 아름답게 설명한다. 문제는 이 둘이 ‘같이’ 돌아가지 않는다는 것이다. 양자역학은 공간과 시간이라는 무대를 가정하고, 모든 것이 암묵적으로 이 배경 위에서 행동하는 것처럼 가정한다. 반면 일반상대성이론은 이 배경을 없애버린다. 공간과 시간은 상대적이며 중력은 휘어진 시공간을 움직이는 물질에 의해 발생하는 효과일 뿐이다. 21세기의 이론학자들은 양자 규모의 우주를 설명할 단 하나의 방법을 개발함으로써 이 두 이론을 초월하는 길을 모색해 왔다. 바로 ‘양자중력’ 이론을 찾고 있는 것이다. 양자중력으로의 접근법으로는 크게 두 가지다. 그중 하나인 ‘끈이론’은 입자물리의 관점에서 태어난 이론으로 많은 이들로부터 인기를 얻어왔고 널리 알려져 있기도 하다. 이 책은 두 번째 접근법인 고리양자중력(LQG: Loop Quantum Gravity)에 대한 이야기다. 잘 알려지지는 않았지만, 고리양자중력에 관심을 갖는 사람들이 점점 늘어가면서 영향력을 더해가고 있다. 일반상대성이론에서 출발한 이 이론은 입자이론으로부터 수많은 아이디어와 기술을 빌려오고, 공간 자체가 태생적으로 양자상태라고 예측한다. 시간은 양자공간이 ‘스핀거품’을 형성하여 이루는 기하 안에서 도약의 결과로서 발현된다. 매우 추상적인 이야기이지만, 《퀀텀 스페이스》는 어려운 수학 없이, 공간, 시간, 그리고 우주에 관한 가장 깊고 가장 기본적인 최신 아이디어를 들여다볼 기회를 마련해 준다. 카를로 로벨리의 찬사, LQG를 이해하는 완벽한 안내서 고리양자중력은 이해하기 위해서는 일반상대성이론과 양자역학에 대한 기본지식을 바탕으로, 공간과 시간에 대한 전혀 새로운 아이디어에 도달해야 한다. 《퀀텀 스페이스》는 크게 세 부분으로 구성되어 있다. 1부, ‘토대’는 상대성이론, 양자역학, 빅뱅우주론에 대한 핵심적인 개념과 주요 아이디어를 소개한다. 특히 고리양자중력 이론의 주역인 리 스몰린과 카를로 로벨리가 학생시절과 이론 물리학자로서 성장하면서 배우고 깨달은 내용을 주축으로 이야기가 전개되는데, 이 분야에 입문하는 독자들도 마치 모험을 떠나듯 흥미롭게 새로운 양자중력 이론에 도전하는 그들의 생각을 따라 갈 수 있다. 2부 ‘형성’은 LQG(고리양자중력)의 탄생과 발전에 관한 이야기다. 1950년대 말 상대성이론과 양자역학을 결합시키려는 노력에서 출발해, 이를 가능하게 한 아브헤이 아쉬테카의 ‘새로운 변수’의 발견을 거쳐, 20세기가 끝날 무렵 아쉬테카, 스몰린, 로벨리 등 많은 과학자들의 협력으로 넓이와 부피의 양자, 스핀거품이 탄생한 과정을 이야기한다. 이 속에는 끈이론에서 초끈이론에 이르는 내용과 LQG와의 관계, 그리고 고리양자중력이 이론적 한계에 부딪힐 때마다 이를 극복하기 위한 과학자들의 치열한 고민이 담겨 있다. 3부는 LQG의 최신 소식들로, 고리양자중력을 이용해 이미 익숙한 물리량을 계산하려는 노력과, 양자우주론 그리고 블랙홀의 물리학이 미칠 영향을 논의한다. 또한 양자역학과 시간의 실체에 대한 해석을 탐구한다. 이 부분까지 읽고 나면 이후로 보이는 공간과 시간은 결코 예전과 같지 않을 것이다. 에필로그에는 저자가 리 스몰린과 카를로 로벨리와 주고받은 이메일과 화상통화로 인터뷰한 내용이 정리되어 있다. 과학자로서 중력양자 이론을 추구하는데 겪었을 어려움과 용기, 두 과학자간의 우정, 성취한 것에 대한 개인적 견해, 그리고 끈 이론과 고리 이론 커뮤니티간의 화해 가능성까지 묻는다. 로벨리는 《보이는 세상은 실재가 아니다》에서 이렇게 말했다. “[물질과 에너지의 밀도가] 플랑크 규모에 도달한 순간이 있었다. 140억 년 전이었다. 그 시점에서는 일반상대성이론의 방정식들은 더 이상 유효하지 않은데, 그 이유는 양자역학을 무시할 수 없게 되기 때문이다. 우리는 양자중력의 영역에 들어섰다.” 고리양자중력으로 가는 거대한 여정에 동참하게 된 것을 환영한다.

서문 프롤로그: 자연의 비밀을 이해하고픈 거부할 수 없는 갈망 1부 토대 1. 물리법칙은 누구에게나 동등하다 2. 중력 같은 것은 없다 3. 왜 양자역학을 이해하는 사람이 아무도 없나 4. 질량은 예전의 그 질량이 아니다 5. 우주의 방정식들을 어떻게 얼버무릴 것인가 2부 형성 6. 거길 가고 싶으면, 여기서 출발하면 안 되죠 7. 악마의 할머니로부터 받은 선물 8. 넘겨짚은 추측으로 방정식을 정확하게 풀었습니다 9. 베로나에서 구할 수 있는 열쇠고리는 모두 사용했죠 10. 현재라는 시간은 정말로 없는가? 3부 정교한 작품 11. 중력자, 홀로그램 물리학, 그리고 왜 사물은 낙하하는가 12. 페르미온, 발현하는 입자들 그리고 물질의 본질 13. 관계론적 양자역학, 그리고 왜 ‘이곳’은 실질적으로 ‘저곳’이 될 수 있는가 14. 뱅 없는 우주_ ‘빅 바운스’, 초팽창 그리고 스핀거품 우주론 15. 블랙홀 엔트로피, 정보 모순 그리고 플랑크별 16. 가장자리로 가까이_ 시간의 실체와 열린 미래의 원리 에필로그: 함께 밧줄로 몸을 묶고 산을 오르는 것처럼 용어집 미주

21세기가 시작되고 수십 년 동안 어마어마한 경제, 정치, 환경 문제에 직면하리라는 것은 기정사실이나 다름없었고, 어떤 문제는 다른 문제보다 훨씬 더 고질적이고 다루기 까다로울 것으로 예상되었다. 그러나 공간과 시간의 본질을 파악하고 물리적 실체의 가장 기본적인 구조를 이해하는 우리의 능력에 한정해 이야기한다면, 우리 시대의 가장 거대한 과학적 문제는 중력의 양자이론이다. 이 이론은 ‘존재’라는 궁극의 위대한 질문을 다룬다. 이 문제를 해결하려면 심도 깊은 과학적 전문성이 필요하다. 게다가 번득이는 통찰력과 영감의 순간들, 그리고 물리학 역사 전체를 통틀어 어디에도 뒤지지 않을 만한 지적 창의성도 필요하다. _ 서문(9쪽) QED의 문제들을 해결하기 위해 무엇이 필요했는지를 이해하려면, 양자 세상에서 비롯된 두 가지 핵심적인 아이디어를 알아야 한다. 첫 번째는 양자장이론에서 장 또는 입자 사이로 힘이 전달되는 방식에 관한 것이다. 기본 입자는 크게 물질의 성질과 행동을 지배하는 입자(예: 전자)와 물질 입자들 사이에서 힘을 매개하거나 ‘나르는’ 입자(예: 광자)로 구분한다. 이러한 구분법은 독일의 물리학자 한스 베테(Hans Bethe)와 이탈리아의 엔리코 페르미(Enrico Fermi)가 1932년에 최초로 소개한 것이다. _ 4.질량은 예정의 그 질량이 아니다(93쪽) 1980년대 초, 리 스몰린은 초끈이론에 흥미를 느끼게 되었고 좀 더 알아보고 싶은 마음이 들었다. 그러나 끈이론이 양자중력이론이라는 주장 이상의 뭔가를 보여주려면(만물의 이론은 둘째 치고), 이론이 가정하는 배경 시공간을 손봐야 한다는 걸 알게 되었다. 점 입자를 기반으로 한 서술에서 끈이론으로 넘어가면서 수학적인 문제 일부가 제거되었고, 초대칭이 도입되면서 얼토당토않게 많은 시공간 차원 일부와 골칫거리였던 타키온이 제거되었다(물론 수많은 매개변수와 초대칭 깨짐 문제를 도입한 대가이기는 하다). 그러나 초끈은 여전히 아홉 개의 공간 차원과 하나의 시간 차원 안에서 움직이고 있었다. _ 8.넘겨짚은 추측으로 방정식을 정확하게 풀었습니다(179쪽) 앞에서 봤던 것처럼, 초끈이론이 예측하는 ‘닫힌 끈’은 중력자의 고유한 성질을 예측한다. 아쉬테카와 로벨리, 스몰린은 이미 1991년에 LQG가 중력파와 관련된 준입자로 중력자를 예측할 것이라 추론했다. 스몰린은 “우리는 LQG에 중력자가 포함되어 있음을 상당히 일찍부터 알고 있었다”라고 말한다.6 이를 바탕으로, 중력자가 존재할 가능성은 상당히 높아 보인다. 뿐만 아니라, 중력을 유발하는 물체로 가득 찬 시공간에 둘러싸여 살고 있다는 점을 감안하면 중력자는 정말로 어디에나 있어야 한다. 그렇다면 왜 여태 중력자를 전혀 발견하지 못했던 것일까? _ 11.중력자, 홀로그램 물리학, 그리고 왜 사물은 낙하하는가(253쪽) 현재의 우주배경복사 관측으로는 아직 결정적인 답을 얻을 수 없지만, 이 관측의 정확도는 꾸준히 개선되고 있다. 그리고 앞으로 20년 정도 더 지나면 원시 중력파 스펙트럼도 상세하게 관측할 수 있을 것이다(원시 중력파가 정말로 존재한다면). 로벨리는 이렇게 말한다. “상황은 여전히 유동적이다. 그러나 나를 포함해 인생 대부분을 양자우주의 비밀을 탐구하며 보낸 사람들은 깊은 관심과 염원, 그리고 우리의 관측, 측정, 계산 능력이 더 나아질 것이라는 희망을 가지고 계속 그 뒤를 쫓고 있다. 그러면서 우리가 옳았는지 아닌지를 자연이 말해줄 그 순간을 기다리고 있다. _ 14.뱅 없는 우주(329쪽) 로벨리의 꿈은 플랑크 규모에서의 물리를 탐색하며 몇 가지 암시를 얻는 것이었다. 그는 이 꿈이 이루어졌다고 믿는다. “나는 어떤 의미로는 우리가 진정한 발전을 이루었다고 생각합니다. 그것이 중대한 발전일 수도 있고, 아닐 수도 있습니다. 그건 정말로 모르겠어요. 지금 상황도 충분히 만족스럽지만 나는 좀 더 알고 싶습니다. 오래오래 살아서 이런 암시들이 경험적 확증을 얻는 것을 보고 싶어요. 분명히 언젠가는 명백해질 내용이니까요. 결론이 어떻게 나든 상관없이, 그럴 만한 가치가 있는 일이었습니다.” _ 에필로그(383쪽)