우주에 관해 우리가 알 수 있는 한계가 있을까? 있다면, 이미 그 한계에 도달했을까? 우리는 우주의 나이도 아주 정확하게 알고 있고, 우주를 구성하는 물질과 에너지 그리고 대규모의 구조도 알게 되었다. 우주가 초기에 복잡하지 않고 단순한 상태에서 우리가 사는 지금의 풍부하고 복잡한 상태로 진화하게 만든 물리적 체계도 파악되었다. 하지만 공간과 시간의 경계 쪽으로 가다 보면, 우리의 도구와 개념을 심각한 시험에 들게 하는 문제와 마주하게 된다. 우주는 유한할까, 무한할까? 공간과 시간은 시작이 있었으니 끝도 있을까? 자연법칙이 과거에는 달랐을 수 있을까? 우리 우주 외에 다른 우주가 존재할까? 왜 아무것도 없는 것이 아니라 무엇인가가 있는 것일까? _본문 p. 17 미국, 유럽연합 등이 공동개발해 발사한 제임스 웹(James Webb) 우주 망원경이 태양계 외부의 별과 은하들에 대한 기대 이상의 결과를 보내오면서 우주 관측의 신기원을 열었다는 평가가 지배적이다. 실제로 속속 공개되는 매우 사실적인 이미지들은 지금껏 최고의 망원경이었던 허블이 보내온 결과물에 비해 훨씬 더 생동하는 우주의 경이로움을 만끽하게 해준다. 더군다나 천체물리학의 숙원이었던 외계 생명체의 힌트가 발견될 수 있으리라는 기대감을 그 어느 때보다 키우고 있는 것이 사실이다. 이는 분명, 지난 세기 이래 인류가 축적한 과학 발전의 놀라운 결과물로서, 먼 우주 지평선 밖 무지의 경계를 좁히고, 어둠에 가려진 우주를 알고자 하는 인류의 또 하나의 진전으로 평가받을 만하다. 그런데, 이렇듯 가파르게 발전하는 현대 천체물리학이 우리가 알고 싶어 하는 우주에 관한 만족스러운 답을 주고 있는지 생각해보면 조금은 다른 문제가 된다. 이상하게 들릴 수 있지만, 우리에게 상당한 고품질의 새로운 데이터들이 넘쳐나게 되었고, 기존 우주에 관한 그림의 아주 미세한 부분들이 상당한 수준으로 재구성되고 있지만, 20세기 우주의 시대를 연 아인슈타인의 일반상대성이론에서 시작해 우주의 전체적인 그림을 그려낸 빅뱅 모형이 확립된 세기말 이래, 최근 십수 년간의 성과는 이러한 우주에 관한 전체적인 형세를 극적으로 변화시키지 못했다. 새천년 이후 무슨 일이 있었을까? 이 책의 저자이자 이탈리아의 천체물리학자 아메데오 발비는 “실망스럽기 그지없게, 놀라울 정도로 별일이 없었다”라고 지적한다. 우리는 여전히 우주가 팽창하기 시작한 그 직전 우주의 시작(급팽창)을 여전히 규명하지 못했고, 우주 대부분을 차지하는 암흑 물질이 있는 건 짐작하지만, 그게 뭔지 전혀 모른다. 우주 상수(암흑 에너지)는 우주 가속화를 설명하는 데 최선의 선택지이지만, 이론적인 면에서 여전히 의혹이 남아 있다. 우주 지평선 밖으로 가면, 우리가 사는 우주가 유일한 하나의 우주인지 여러 우주 중 하나인 우주인지 알지 못하고, 이 넓은 우주의 유일한 우주인지도 확신하지 못한다. 더 안 좋은 소식은 저 먼 풍경의 그림자 부분을 비출 수 있는 빛이 있을 거라는 보장이 없다는 것이다. 간혹 작은 변수로 보이는 것들이 나올 때마다 새로운 길을 알 수 있을 것이라는 희망을 품었지만, 진실을 파보면 의미 있어 보이는 것이 단 하나도 없었다. 친숙한 영토가 끝나는 지평선 너머, 우리는 무엇을 알고 무엇을 모르고 있을까? 우주에 관해 우리가 알 수 있는 한계가 있을까? 있다면, 이미 그 한계에 도달했을까? 이런 질문은 특히 우리가 길을 가는 데 목적지에서 점점 멀어지는 느낌이 들 때, 혹은 극복할 수 없을 것 같은 장애물을 마주하게 됐을 때 생각해볼 가치가 있다. 그런데 과학사에 두 가지 극단적인 상황에 빠질 때가 잦았다는 점을 염두에 두고 있어야 한다. 그 두 가지는 ‘우리는 결코 우주에 관해 알 수 없을 것이다’와 ‘우리는 이미 알아야 할 것은 다 알고 있다’이다. _서문 中에서 그러면 오늘날 우리가 우주에 관해 알고자 하는 수많은 노력이 과소평가되어야 할까? 물론 그렇지 않다. 저자는 “엄청난 노력과 시간을 써가며 매우 다양한 수단과 방법을 동원해 누적된 엄청난 양의 관측을 통해 해석해낼 수 있었다는 사실을 과소평가하면 안 된다”라고 말한다. 다만 “원숙한 나이에 느껴지는 느림과 비슷해 보이는 시기”라는 것이다. 따라서 지금 이 시기에 물리학의 과거와 현재를 되돌아보고, 인간의 인식과 과학의 한계를 성찰하고, 할 일과 알아야 할 것이 무엇이 남았는지 자문하는 일이 먼저다. 극적으로 빅뱅 모형이 자리 잡은 후 과학의 낙관론이 팽배해지면서 우주의 기원과 구조, 물질 등이 규명될 것이라고 기대했지만, 결정적 증거가 나오지 않았음을 기억해야 한다. 과학이 우주의 모든 것에 답할 수 있다는 오만함에 사로잡혀 길을 잃고 있는 것은 아닌지 자문해야 한다. 그런 면에서 이 책은 정체기(혹은 원숙기)에 이른 우리 천체물리학에 관한 자기성찰적 과학서다. 20세기 이래로 확립된 우주에 관한 생각을 정리해보고, 새로운 세기로 들어선 이래 교착상태에 빠진 생각들, 그리고 오늘날 과학의 권위에 도전하는 주요한 물음에 답함으로써 우주를 향한 과학의 현재와 앞으로 가야 할 길을 모색하는 것이다. I부에서는 아인슈타인마저 고집했던 정적인 우주 모형에서 동적인 우주 모형이 자리 잡게 되기까지, 일반상대성이론의 발견과 우주 팽창의 증거 등을 통해 우리가 어떻게 우주가 지금과 같은 방식으로 존재한다고 확신하게 되었는지 설명한다. II부에서는 우리 물리학의 확신이 덜하고 불완전한 개념을 갖는 새로운 풍경에 관한 이야기가 담겨 있다. 우주를 구성하는 미지의 물질과 에너지, 구조, 기원, 급팽창 등 천체물리학계에서 여전히 풀리지 않는 논점을 점검한다. III부에서는 논의를 잠시 멈춰 우리를 혼란스럽게 하는 난관과 우주에 관한 우리 지식의 한정적, 혹은 영구적인 한계를 성찰한다. 일반상대성이론과 양자역학의 불협화음, 팽창하는 우주 공간에서 빛을 통해 우주를 관측해야 하는 한계(우주 지평선), 시공간의 시작과 끝을 인식할 수 있는지 등 우주에 관한 좀 더 근원적인 물음이 포함되어 있다. 그리고 대단원 VI부에서는 우리가 아는 것의 극단까지 밀고 나가 과학 연구의 권위에 도전하는 질문들에 답한다. 다중우주, 외계 생명체의 존재, 지적설계 등 과학이 애써 외면해왔지만, 반복해서 제기되는 궁금증들을 하나하나 풀어보면서 천체물리학의 역할, 더 나아가 과학이 답할 수 있는 한계와 과제에 관해 생각하는 시간을 갖는다. 시공간의 기원에서 다중우주, 외계 생명체 존재까지 현대 우주론과 천체물리학의 최전선! “우주 지평선의 존재는 빛이(혹은 기타 다른 신호) 공간을 이동하는 데 걸리는 시간에 제한이 있다는 사실과 밀접한 관련이 있다. 그래서 우리는 빅뱅 모형에서 138억 년 이전으로는 거슬러 올라갈 수 없다. 반면, 영원하고 변하지 않는 우주라면 지평선이 없을 것이다. 이 우주에서는 매 순간 멀리 떨어져 있는 임의의 지역에서 오는 신호를 받을 수 있는데, 이 신호는 엄청나게 오랜 시간이 걸리더라도 충분한 시간 동안 이동해 우리에게 전달될 것이다.” _본문 p. 163 中 이 책을 읽다 보면, 과학과 인문이 훌륭히 버무려진 한 편의 과학 서사를 만끽하는 경험을 느낄 수 있다. 그도 그럴 것이, 우발적으로 탄생한 모르는 것투성이 우주에서 규칙을 찾아내려 했던 물리학자들의 인간적인 환희와 절망이 생생하게 담겨 있기 때문이다. 우주에 관해 이미 알 만한 것은 알고 있다는 환희가 한순간 아무것도 모른다는 사실로 뒤바뀌었을 때 오는 절망, 그리고 그 절망을 떨치고 다시 도전해온 것이 우리 과학의 진면모였다. 저자 자신도 우주 급팽창 모형에 헌신해온 현장 천체물리학 연구자로서 환희와 절망을 함께 맛본 장본인이다. 그런 덕분에 최신 우주론에 정통한 학자로서 이 표준 우주 모형을 포함해서 우리가 우주에 관해 무엇을 알고 있고 무엇을 모르고 있는지를 제대로 알고 있으며, 이것들을 독자의 눈높이에 맞게 친절하게 설명해주고 있다. 우주에 관해 어떤 질문을 해야 하는지를 잘 알고 있고, 그 질문에 대한 답을 어떻게 찾아야 할지 잘 알고 있다. 학문적인 내용임에도 저자는 다양한 대중 강연과 과학서 집필 경험 덕분에 독자들이 궁금해하는 취향을 제대로 알고 설명해준다. 특히 우주를 연구하다 보면 자연스레 인간과 우주의 기원에 관해 관심이 가게 되고, 그러다 보면 인간과 신의 존재에 대한 근본적 의문을 품을 수밖에 없는데, 이 책은 마치 잘 쓰인 인문서처럼 사고의 맥락을 따라 물 흐르듯이 전개된다. 이 책은 과학 서적으로는 드물게 베스트셀러에 오르며 이탈리아 대중의 큰 사랑을 받은 저작물이다. 특별히, 이탈리아 정부가 주관한 2021년 아시모프상(Premio Asimov 2021) 수상작으로 선정되는 등 이탈리아 최고의 대중 과학 저작으로 평가받기도 했다. 아시모프상은 유명한 작가이자 과학자인 아이작 아시모프를 기려 만든 여러 상 중 하나로, 이탈리아어로 편집된 책 중에서 가장 우수한 대중 과학 저작물에 수여되는 이탈리아 과학계에서 가장 권위 있는 상이다. 이 상이 특별한 이유는 1만 명의 고등학생, 고등학교 선생님, 연구원, 대학원생, 교수, 기자 등 다양한 분야의 사람들이 참여해 읽고 검토하고 직접 투표해서 결정되는 만큼 많은 사람의 사랑을 받은 책이라는 점이다. 여러모로, 내용의 깊이 못지않게 읽는 재미가 아주 인상적인 책이다. 왜 많은 이탈리아 사람들이 이 책을 최고의 과학서로 선택했는지 궁금하다면, 찬찬히 아득하고 먼 우주를 함께 만끽하기를 바란다.

추천사 서문 I부 | 알려진 세상 1. 질문 2. 탐험 3. 시공간 4. 팽창 5. 원소 6. 열 7. 초석 II부 | 그림자 선 8. 모형 9. 급팽창 10. 물질 11. 진공 12. 기하학 13. 미지수 III부 | 헤라클레스의 기둥 14. 한계 15. 지평선 16. 유한성 17. 독창성 18. 시간 19. 에너지 20. 원칙 IV부 | 더 먼 곳을 향해 21. 기원 22. 우발성 23. 법칙 24. 다중우주 25. 생명체 26. 계획 후기 미주

시작이 없는 모든 역사에서는 현실의 존재를 불가해한 사실로 받아들인다. 세상에서 현실이 취하고 있는 형태, 즉 우리가 관찰하는 구조의 기원을 설명할 뿐이다. 하지만 이 경우 현기증이 나도록 끝없는 회귀의 굴레 속으로 빠질 수밖에 없다. 최초의 원인은 없지만, 어떤 사건 이전의 원인은 끝없이 존재하니까. 원래 존재한 우주나 과거의 어느 시점부터 존재하기 시작한 우주나, 논리적이거나 개념적인 어려움과 상관없이 두 가능성 중 한 가지만이 우리가 사는 우주를 정확히 짚고 있는 것이다. 과연 어느 쪽이 옳을까? _ p. 31, ‘질문’ 中 과학은 현실을 탐구하는 과정이고, 과학 지식은 세계지도와 비슷하다고 볼 수 있다. 지도만이 우리가 현실을 탐사하는 과정에서 조금씩 넓어지는 영토를 포용하는 것도 아니며, 점점 더 정확하고 상세해지는 것도 아니다. 여기서 중요한 것은, 지도는 현실이 아니라는 점을 기억하는 것이다. 우리의 이론이 아무리 정교해도, 복잡한 현실 세계에서 우리가 방향을 찾기 위해 사용하는 이상화된 단순화, 즉 개념적 도구일 뿐이다. _pp. 43~44, ‘탐험’ 中 고전적인 빅뱅 모형, 즉 프리드만-르메트르 모형은 아주 단순하다. 우주의 진화를 설명할 때, 얼마나 많은 물질을 포함하고 있는지(우주의 평균 밀도)와, 우주가 팽창하는 속도(허블의 이름을 딴 상수)만 알면 된다. 이 두 가지 물리적인 양은 측정이 가능하고 사실상 수십 년 동안 우주론의 주요 목적이 이 값에 관한 개념을 만드는 거였다. 하지만 안타깝게도 이 모형의 단순함은 극복이 안 된다. 우주는 이 모형보다 훨씬 더 복잡하기 때문이다. _p. 98, ‘급팽창’ 中 1960년대 말, 우주배경복사의 발견은 빅뱅 모형을 지지하는 결정적인 증거였을 뿐 아니라, 원시 우주에 무슨 일이 일어나고 있었는지 살펴볼 가능성도 열어주었다. 은유가 아니라, 아주 예민한 안테나로 하늘의 사방을 스캔하고 쏟아지는 원시 광자 비를 수집해, ‘빅뱅’ 이후 38만 년이 갓 지난 시점의 양성자와 전자가 재결합되었을 시기에 우주에 있던 물질의 분포를 이미지화할 수 있게 되었다. 물론 ‘갓’ 지났다는 표현은 상대적인 말인데, 138억 년이나 되는 우주의 역사와 비교하면 38만 년 정도는 아무것도 아니지 않은가? _p. 131, ‘기하학’ 中 우리가 접근한 현실은 일상적인 감각이나 기술이 제공한 진보를 통해 인식할 수 있다. 그래서 세상의 요소들은 각 시대에 우리가 얻을 가능성의 변화에 따라 달라진다. 18세기 과학자의 비전에는 원자나 바이러스, 은하, 전기장, 암흑 물질이 포함되지 않았다. 우리는 아직까지 우리에게 알려지지 않은 ‘실질적인 대상’의 실체를 후손들의 보관함에 넣게 될 가능성을 열어둬야 한다. 다른 한편으로 우리 시선의 궁극적인 한계를 인식해야 한다. _p. 154, ‘한계’ 中 우주에 ‘지평선’이 있다는 말이다. 우리는 동그란 정보의 거품 속에 갇혀 그 지평선 너머는 볼 수 없다. 거품 밖에 또 다른 우주가 있을 거라 추정되지만, 관측할 수가 없다. 물론, 이 지평선은 우주의 가장자리가 아니고 우주도 구형이 아니다. 지구의 지평선에서와 마찬가지로, 우주에서 우리의 위치를 변경할 수 있다면 지평선의 둘레도 변할 것이고, 우리는 우주의 다른 영역들을 보게 될 것이다. 하지만 우리가 직접 탐험할 수 있는 우주의 규모에는 어쩔 수 없는 한계가 있다는 결론은 똑같다. _p. 163, ‘지평선’ 中 우리는 실험실에서 우주를 만들 수도 없을뿐더러, 우주에 관한 다양한 예를 관측할 수도 없다. 우주는 있는 그대로이고 우리는 그것을 받아들여야 한다. 우리가 할 수 있는 것은 알려진 물리적 법칙을 사용해, 이 법칙이 우주 전체에, 즉 모든 지점의 공간과 모든 시대에 적용된다고 가정하고, 우주의 진화에 관한 만족스러운 설명에 도달하는 것이 전부다. 하지만 이러한 진화는 불가능한 것은 아니지만 설명하기에 어려운 측면들이 많다. 특히, 특정한 우주 진화의 양상이 우발적인지, 초기 조건의 특별한 조합과 관련이 있는지, 혹은 반드시 필요한 것인지 등에 관한 문제를 알아낼 방법을 찾을 수 없다. _p. 180, ‘독창성’ 中 우주는 급격한 인구 감소 추세에 놓였다고 말할 수 있다. 그리고 그 앞에는 점점 더 어두워지는 미래가 있다. 가장 밝은 별들이 먼저 하나둘 사라지겠지만, 가장 작고 덜 밝은 별들은 마지막 빛이 꺼질 때까지 불그스름한 빛으로 우주를 비추며 수십억 년 동안 계속 빛날 수 있다. 밝게 빛나는 하늘로 이루어진 우주의 시간 규모에 비하면 우리는 상대적으로 짧은 기간 동안 살았다. 이 점도 우리가 우주쇼를 즐겨야 할 가치를 더한다. _p. 190, ‘시간’ 中 궁극적으로 원시 우주는 현실에 관한 본질을 이해하는 데 필요한 우리의 이론을 검증할 수 있는 유일한 실험실이다. 그래서 이미 알려진 물리학을 현실 불가능한 에너지 수준에까지 적용하고, 그러한 조건에 놓인 우주의 움직임에 관한 예측을 해야 하며, 우주론적 관측을 통해 우리의 가설을 확인하거나 폐기해야 하는 악순환에 빠지게 된다. 하지만 애초에 검증될 가능성이 차단된 생각을 바탕으로 한 예측이라면, 어떤 결론이든 문제가 있을 수밖에 없다. 이는 극복하기 쉽지 않은 근본적인 약점이다. _p. 202, ‘에너지’ 中 절대자에 관한 끌림은 유한하고 종속적이며 한계가 있는 과학자에게는 해당하지 않고, 당연히 과학이 다루어야 할 주제가 아니라고 말할 수 있다. 과학은 관계를 통해 무언가를 알아낸다. 그러나 과학은 우주를 세상에 존재하는 모든 것으로 이해하려는 방향으로 이끈다. 그래서 나는 과학자가 우리가 알 수 있는 한계를 기억하는 일이 중요하다고 믿는다. 왜냐면 완전히 경험적인 평가 가능성의 범주를 벗어나는 질문들이 존재하고, 이 질문들을 풀려면 궁극적인 분석에서 과학적이기보다는 철학적인 가정이나 선택에 기대야 한다는 점을 보여주기 때문이다. _p. 213, ‘원칙’ 中 가장 큰 장애물은 일반상대성이론과 양자물리학이라는 위대한 두 현대 물리학 이론이 서로 호환되지 않는다는 점이다. 두 이론 모두 각자의 영역에서 전례 없는 유효성과 효율성을 증명해 보였다. 일반상대성이론은 중력이 결정적인 대규모 시공간의 특성을 아주 정확하게 설명했고, 양자역학은 중력이 무시되어도 되는 미시적 현상을 다루는 데 큰 성공을 거뒀다. 하지만 이 두 이론을 한 집에 두려 하면 양쪽 모두 광란 상태에 빠지게 된다. _p. 219, ‘기원’ 中 시간의 흐름 속에서 우주에 기원이 있었는지 그 여부와 상관없이, 우주가 왜 우리가 관측한 방식으로 이루어졌는지를 설명하는 데 문제가 있다. 여기서도 우리는 여러 가능성과 마주치게 된다. 첫 번째 가능성은 우주가 ‘우발적’이라는 것이다. 이것이 무슨 의미일까? 이것은 우주가 현재 실재하는 바와 다를 수 있었다는 것을 의미한다. 이 경우, 우리는 선택된 체계에 관한 설명, 즉 다른 가능한 방식들이 아닌 이 방식으로 실재하는지에 관한 설명이 필요하다. _p. 228, ‘우발성’ 中 엔트로피 증가의 전체적인 영향은 과거와 미래 사이의 균형을 깨뜨리고, 시간의 방향을 엔트로피가 커지는 쪽으로, 즉 시간의 화살이 날아가는 방향으로 규정하는 것이다. 하지만 주의할 점이 있다. 과거 우주의 엔트로피가 매우 낮아야 한다. 원시 우주는 깨진 컵이 아니라 온전한 컵과 같았어야 한다는 뜻이다. 여기서 문제가 생기는데, 지금까지 말한 것처럼 우주는 질서 있는 상태이기보다는 무질서한 상태일 가능성이 훨씬 크다. 믿기 힘들 정도로 그럴 확률이 높다. 따라서 우주가 과거에 엔트로피가 가능한 최대 상태와는 거리가 아주 멀었던 이유를 설명해야 한다. _p. 237, ‘우발성’ 中 생명체와 유기체 그리고 우주의 작동을 이해하려고 하는 지능 있는 관찰자에 이르기까지, 우주 내 다른 존재들을 우리와 크게 관련 없는 사소한 것으로 취급하는 것이 마땅할까? 또 우주의 독특한 특성과 우주가 생물학적 활동에 필요한 복잡한 물리적 조직을 생성할 수 있다는 사실 간에 어떤 관계가 있을까? 사실, 이 문제에 관한 우리의 오랜 접근 방식은 일반적으로 외면하는 것이었다. 달리 말하면, 우주를 내부에 있는 관찰자의 존재와 상관없이 이해되어야 하는 물리적 시스템으로만 여겼다. _p. 264, ‘생명체’ 中 우리는 과학이 설명할 수 없는 것을 누가 어떻게 설명할 수 있을지 생각해봐야 한다. 과학은 문화와 사회적 계급의 장벽을 초월해 범세계적으로 공유되어야 하는 결론에 도달하기 위해 우리가 찾은 최고의 방법이다. 그리고 지식과 진보, 민주주의를 대변할 수 있는 위대한 수단이기도 하다. 주머니 속에 진실이 있다고 생각하는 사람들, 그렇지 않은 것을 확실하다고 전달하는 사람들, 권위나 권력, 폭력을 동원해 자신의 생각을 강요하는 사람들이 설령 의미와 확실성을 필요로 하는 우리의 열망을 충족시켜주려 한다 해도, 우리는 이들을 의심해야 한다. _pp. 285, ‘계획’ 中 저 밖에 우주가 있다는 사실만큼 나를 놀랍게 하는 것이 또 있다. 이 모든 것을 경험할 수 있는 자각이 존재한다는 사실이다. 자각은 정말 확실하게 유일한 것인데, 공간과 시간이 정확하게 접합하는 지점에서 내가 ‘나’라고 부르는 일시적인 원자 집합체에 주관적인 경험, 즉 계속 변화하는 지각의 덩어리가 동반되는 것이다. 그런데 우리가 외부에서는 현실 전체에 대한 전반적인 시각을 가질 수 없는 것처럼, 초점의 중심에 근거를 두면 모든 것이 그 중심을 향해 모이는 것 같아 보인다. 그러면 우주와 의식 모두 관찰 대상이 될 수 없다. _p. 290, ‘후기’ 中