| 우주에는 무엇이 있으며, 어떤 법칙을 따라 그렇게 존재하는가?
시공간의 성질부터 물질과 에너지, 복잡성, 상보성, 그리고 최전선에서 탐구 중인 미스터리까지,
생각보다 크고 풍부하고 이상한 세계에 관한 10가지 심오한 통찰
★ 2004년 노벨 물리학상 수상 ★ 14개 언어 계약 ★ 아마존 베스트셀러
이 시대 가장 뛰어난 물리학자 중 한 명인 프랭크 윌첵이, 이 세계가 무엇이며 어떻게 작동하는지에 관하여 우리가 반드시 알아야 할 필수적인 개념들을 소개한다. 기본적인 질문과 사실, 사색을 종합하여 우주에 대한 우리의 이해를 형성하는 아이디어들, 즉 시간, 공간, 물질, 에너지, 복잡성, 상보성 등을 탐구한다. 과학의 역사를 되짚으면서 우리가 무엇을 알고 있으며 이를 어떻게 알게 되었는지 살펴보는 한편, 현대과학의 한계선까지 찾아가 우리가 곧 발견하게 될 것들을 살짝 보여주기도 한다.
대가다운 명징한 이해, 개념 전반을 높은 곳에서 조망하는 폭넓은 시야, 그런 눈에 포착된 원리들에 관한 독창적인 설명, 그리고 전염성이 있는 기쁨까지, 윌첵의 목소리를 따라가는 동안 독자는 그간 알던 것보다 세계가 훨씬 크고, 풍부하고, 이상하다는 점을 알게 되며, 동시에 이런 우주를 이해하는 인간의 지성과 상상력에도 경탄하게 된다. 세계와 마음을 확장시켜주는 이 여행을 마치고 나면, 이후 바라보게 되는 세계는 전과 같지 않을 것이다.
살아 있는 최고의 물리학자의 물리적 우주관 강의
프랭크 윌첵은 박사과정 시절의 연구로 데이비드 그로스, 데이비드 폴리처와 함께 2004년에 노벨 물리학상을 받았다. 멀어질수록 서로 간의 힘이 증가하고 극히 가까워지면 서로를 느끼지 못하는 쿼크들의 기이한 거동을 설명하는 새로운 이론적 접근을 시도한 “원자핵의 강력 이론에서 점근적 자유성을 발견한 공로” 때문이었다. 20대 초반의 연구로 노벨상을 수상했으니 대단한 행운아라고 할 수 있지만, 거기서 머물지 않고 이후로도 중요하고도 창의적인 아이디어를 다수 제시하며 물리학계를 풍성하게 만들었다. 1977년에 그가 이름을 붙인 입자 ‘액시온’은 유력한 암흑물질 후보로 현재 세계 여러 연구팀이 추적하고 있으며, 2012년에 제안한 ‘시간결정(Time Crystal)’은 이후 복수의 연구팀에 의해 실제로 관찰되어 그 존재가 확인되기도 했다. 그가 도입한 메모리를 지닌 준입자 ‘애니온’은 마이크로소프트사의 양자컴퓨터 개발에 활용되고 있다. 물리학 분야의 이런 성취 외에도 철학, 예술, 미래기술 등 다양한 분야에 대한 관심을 반영해 글쓰기에도 열의를 보이고 있는데, 〈월스트리트저널〉에 매월 “윌첵의 우주”를 연재하고 있고, 〈피직스투데이〉 〈노바〉 〈콴타매거진〉에도 많은 글을 기고했다.
노벨물리학상 수상자가 직접 쓴 흔치 않은 대중서인 이 책에는 이처럼 일급 물리학자이자 긴 시간 다방면에 관심을 갖고 글을 써온 저술가로서 윌첵의 매력이 잘 드러나 있다. 전문 분야인 이론물리학뿐 아니라 천문학과 우주론, 생물학, 기술의 미래, 예술, 인간의 도덕성까지, 전형적인 학문과 분야의 경계를 끊임없이 넘어서며 이야기의 실타래를 풀어가는데, 이를 통해 독자는 현대과학이 알아낸 물리적 사실들에 대한 수준 높은 이해를 경험함은 물론, 우주와 인간 존재에 대한 사색에도 동참하게 된다.
현대 물리학은 무엇을, 어떻게 아는가? 곧 발견하게 될 것들은?
서문에서 밝힌 대로 이 책은 그가 만난 수많은 사람들, 즉 “물리적 세계를 궁금해하고 현대 물리학이 알려주는 것을 배우고 싶어 하는 ... 지성이 있지만 지식은 없는” 대중의 요구에 부응해 “현대 물리학의 중심적인 메시지를 최대한 단순하게, 그러면서도 정확성은 양보하지 않으면서” 전달하려는 노력의 산물이다. 10개의 원리를 선택해 각 장에서 하나씩 설명하고, 미래의 발전에 대한 전망과 추측도 덧붙였다. 고대 그리스의 기하학부터 오늘날의 최첨단 과학연구 현장까지, 빅뱅부터 우주의 먼 미래까지, 기본입자부터 암흑에너지까지, 물질의 진화부터 인간의 사유 능력까지 두루 탐사하며, 이 우주에 무엇이 있으며, 왜 그렇게 되었는지를 살펴본다.
크고 넓고, 138억 년이라는 긴 역사를 지닌 우주를 몇 안 되는 구성성분들이 놀랍도록 균일하게 채우고 있으며, 이것들은 몇 안 되는 물리법칙에 따라 작동하고 있다. 이를 설명하면서 저자는 우주의 시작점으로, 먼 미래로 독자를 데려가기도 하고, 천체와 생명, 인간 사회와 문화, 예술을 만들어낸 복잡성에 대해 간결하지만 우아한 스케치를 보여주기도 한다. 현미경과 망원경, 분광학이 가능하게 한 발견부터 LHC를 통한 힉스 입자 검출, LIGO의 중력파 검출까지, 물리 세계에 대한 인간의 지각이 어떻게 확장되어왔고 어디까지 확장될 수 있는지 보여주기도 한다.
많은 이론과 개념이 등장하지만 이를 그저 쉽고 재미있게 알려주는 것을 의도하기보다는 배경과 큰그림 속에서 어떤 의미인지를 설명하고, 공인된 이론을 설명하는 데 그치지 않고 자신의 사색, 상상, 전망을 제시하는 것이 특징이다. 예를 들어, 3장에서는 기본입자들의 성질, 질량/전하/스핀에 대한 상당히 깊이 있는 설명을 보여주는데, 이에 그치지 않고, ‘준입자’나 ‘스마트 물질’ 등 미래에 더 많은 발견이 이루어질 주제들을 소개한다. 수학도였던 자신이 어쩌다가 이론물리를 하게 되었는지, 새로운 입자에 왜 ‘액시온’이란 이름을 붙이게 되었는지와 같은, 윌첵 자신의 개인적인 이야기도 이따금 덧붙여 독자의 관심을 끈다.
생각보다 크고 풍부하고 이상한 세계에 관한 주요 아이디어들
“이 책은 현대 물리학과 우주를 가장 넓은 전망으로 일반 독자들에게 설명한다. 일반 독자들뿐만 아니라 모든 수준의 독자들이 이 책을 읽으면 저마다 얻는 바가 있을 것이다. 어쩌면 이 주제에 대해 알면 알수록 더 많은 것을 얻을 수 있을 것이다. 우주 전체와 물리학 전체를 다루면서도 분량이 아주 많지는 않다. 우주에는 어떤 것들이 존재하고 그 존재들은 어떤 법칙을 따르는지, 이 원리와 법칙들이 지금 우리가 보는 우주의 구조에 어떤 역할을 하고 있는지 등에 관해 설명한다. 이 책은 물리학의 세밀한 부분을 자세히 설명하지 않지만, 일반상대성 이론이 왜 나와야 했는지, 어떤 전제로부터 나왔는지에 대해 알려준다. 힉스 입자의 탐지, 중력파 탐지가 어떤 의미가 있는지에 대해서도 알 수 있다. 빅뱅 우주론이 안고 있는 문제, 표준모형(저자는 ‘코어’라고 부른다)에 대한 간략한 설명, 그것을 개선하는 것이 얼마나 어려운지와 그 전망 등을 알려준다.”(옮긴이의 글에서) 책에 등장하는 흥미로운 아이디어를 본문과 옮긴이의 글에서 추려 몇 가지만 소개해보면 다음과 같다.
ㆍ 시공간도 물질의 한 형태이다 (71-73쪽)
아인슈타인의 일반상대성 이론에 따르면 공간은 일종의 물질이다. 휘기도 하고 움직이기도 한다. 일반상대성과 양자역학을 모두 고려한 계산에 따르면 공간은 끊임없이 요동치는 젤리와 같다. 공간은 엄청난 수의 동일한 단위인 ‘공간 입자’로 이루어지고, 각각의 공간 입자는 여러 이웃들과 접촉하며, 메시지를 교환하고, 합쳐지거나 쪼개지고, 탄생하고 사라지는 것일 수 있다.
ㆍ 우주에는 국소성이 중요한 역할을 한다 (103-111쪽)
어떤 물체에서 바로 다음에 일어나는 일은 그 물체의 지금 바로 근처의 조건에만 의존한다. 이것이 국소성이다. 덕분에 법칙을 공식화할 때 우리는 우주 전체나 역사 전체를 고려할 필요가 없다. 지금 여기에 대해서만 적절하게 주의를 기울이면 모든 관계되는 조건을 제어할 수 있다. 멀리 있는 숟가락을 휠 수 있는 초능력자가 원자시계의 진동수를 살짝 바꾸는 것은 결코 할 수 없다. 숟가락을 휘는 에너지의 아주 일부만 있어도 가능한 일인데도 말이다. 국소성의 원리가 성립하기 때문이다.
ㆍ 입자보다 장을 더 중요하게 받아들여야 한다 (144-155쪽)
과거에 ‘장(field)’은 입자를 보완하는 부가적인 성분으로 여겨졌으나, 20세기를 지나는 동안 입자의 자리를 넘겨받았다. 오늘날 우리는 더 심오하고 완전한 실재가 숨어 있고, 입자는 그 모습이 드러난 것이라고 이해한다. 입자는 장의 아바타이다. 모든 광자가 똑같은 이유는 동일한 보편적 장이 교란된 결과로 입자가 만들어지기 때문이다. 장과 입자는 동일한 실재의 두 측면이라고 할 수 있다. 한마디로, 양자장이 지배한다.
ㆍ 우주의 시간뿐 아니라 우리 내부의 시간도 풍부하다 (90-91쪽)
138억 년이라는 우주의 역사를 생각하면 인생은 찰나와 같다. 하지만 가만 생각해보면 인간의 한평생은 충분히 긴 시간이다. 100년이라는 시간은 우리가 1천억 개의 장면을 처리하고, 10억 개의 생각을 하기에 충분한 시간이다. 우리는 한 사람의 것이라고 하기엔 너무나 크고 놀라운 일들을 성취한 천재들을 보고 감탄하며 어느 시간에 그 많은 일을 할 수 있었는지 의아해하지만, 우리 모두가 이렇게 풍부한 시간을 갖고 있다.
ㆍ 가장 평범하고 단순한 것이 가장 심오하다 (69-70, 231-241쪽)
우주는 놀랍도록 균일하다. 우주 전체가 같은 물질로 채워져 있으며, 전자는 모두 동일하다. 거대한 우주의 세밀한 부분까지 심오한 영향을 주는 것이 바로 이런 단순하고 평범한 원리들이다. 놀랍게도 우주가 물리학의 법칙으로 구축되는 것, 그 안에서 인간과 같은 복잡성을 가진 존재가 나타날 수 있는 구조가 만들어지는 것이 모두 이 때문이다.
ㆍ 급진적 보수주의가 과학혁명의 본질적 혁신이었다 (24-25쪽)
사실을 존중하고 자연으로부터 배우는 겸허함과, 배운 것을 원래의 범위를 넘어 가능한 모든 곳에 적용해보는 체계적인 과감함, 이 두 가지 태도의 결합을 ‘급진적 보수주의’라 할 수 있는데, 이것이 과학적 방법의 핵심적인 면이다. 사실을 존중하고 자연으로부터 배우되(보수주의), 이를 가치 있는 모든 곳에 적용해보는(급진적) 것을 통해 과학은 최첨단을 유지한다.
ㆍ 비록 불완전하지만, 우리가 우주를 이해한다는 것은 놀라운 사실이다 (9-10쪽)
어쩌면 이 모든 것들 중에서 가장 근본적인 메시지는, 우리가 물리적인 세계를 매우 깊이 이해한다는 사실 자체이다. 알베르트 아인슈타인이 말했듯이, 우주를 이해할 수 있다는 사실은 기적이다.
과학의 눈으로 세상을 이해한다는 것은 다시 태어나는 것
그러면 이런 근본 원리를 배우며 얻게 되는 유익은 무엇인가? 사람은 아기 때부터 자신들의 지각과 환경이라는 한계 내에서 경험을 통해 세계 모형을 만든다. 이러한 모형은 일상을 살아가는 데는 확실히 유용하지만, 현대 과학은 물리 세계가 이러한 모형과는 아주 다르다는 점을 보여준다. 과학은 오감을 넘어서는 확장된 지각을 제공하며, 그 지각으로 받아들인 정보를 재구성해야 우주를 더 정확하게 파악할 수 있다. 이렇게 새롭게 보는 법을 배울 때, 우리는 심오한 세계를 이해할 수 있다. 저자의 말에 따르면 세계를 이렇게 이해하는 것은 ‘다시 태어나는’ 것과도 같은 경험이다.
“다시 태어나는 과정은 혼란스러울 수 있다. 하지만 롤러코스터를 타는 것처럼 짜릿한 경험이 될 수도 있다. 그리고 이 과정은 선물을 가져다준다. 과학으로 다시 태어난 사람들에게 세계는 신선하고, 명쾌하고, 놀랍도록 풍부해 보인다.” _19쪽 |
| 을 사용해서 상을 얻는 현미경은 그 거리 이하에서는 흐릿하게 번져 보인다. _61쪽
다음과 같은 답은 아인슈타인의 말이라고 잘못 알려져 있지만, 과학소설 작가 레이 커밍스가 처음 한 말이다. “시간은 모든 일이 한꺼번에 일어나지 않도록 해주는 것이다.” 또 다른 의미심장한 대답은 얼핏 보기에는 전혀 진지해 보이지 않는다. “시간은 시계가 재는 것이다.” 그러나 나는 이것이 올바른 답의 씨앗이라고 생각한다. 우리는 여기에서부터 출발해야 한다. _78-79쪽
중력자는 결코 개별 입자로 관찰된 적이 없다. 중력자는 보통의 물질과 너무나 약하게 상호작용하므로 관찰하는 것이 현실적으로 거의 불가능하기 때문이다. 관찰되는 것은 중력의 힘이고, 최근에는 중력파도 관찰되었다. 이론적으로 이러한 관찰 가능한 효과는 많은 개별 입자들의 누적적인 작용으로 일어난다. _132쪽
내가 처음 물리학자로 일을 시작했을 때는 전통적인 의미의 기본 입자를 집중적으로 연구했다. 그러나 그보다 오래 전에 학생 시절에 견학 갔던 벨 연구소에서 어떤 과학자의 강연을 들은 적이 있었다. 그는 자기가 하는 연구를 우리에게 설명하면서, 포논phonon이 진동의 양자라고 말했다. 나는 그의 말을 이해하지 못했지만, 그때까지 들어본 것 중에서 가장 멋진 말이라고 생각했다. 포논과 진동과 양자라는 이상한 세 가지 개념들이 서로 공명하고, 어떤 의미에서 하나로 뭉쳐져 있는 것이었다. _136쪽
물질을 준입자의 집으로 생각한다면, 심오한 질문이 곧바로 다가온다. ‘빈 공간’ 자체가 물질이고, 그 준입자가 우리의 ‘기본 입자’가 아닐까? 그렇게 볼 수 있고, 그렇게 보아야 한다. 이것은 매우 생산적인 사고의 방향이며, 뒤에서 더 자세히 살펴보겠다. _138-139쪽
약한 핵력은 쿼크가 있는 곳이면 어디에서든 작용한다. 또한 약한 핵력은 중성자가 고립되어 있을 때뿐만 아니라 원자핵 속에 있을 때도 중성자를 양성자로 바꿀 수 있다. 이런 일이 일어난 다음에는, 새로운 핵에 양성자가 하나 많아지고 중성자가 하나 줄어든다(전자와 반중성미자가 빠져나간다). 원자핵 속의 양성자 수가 그 원자의 전기적 성질을 결정하고, 그리하여 화학적 성질도 결정하므로, 약한 핵력이 개입하는 과정에서 원자가 화학적으로 다른 원자로 바뀐다. 이것은 연금술사들이 열망했으나 현대 화학의 선구자들은 불가능하다고 말했던 것이다. 약한 핵력은 자연의 연금술을 행한다. _177쪽
약간의 비교를 통해 우주적 에너지의 크기를 사람의 규모로 알아보자. 성인의 전형적인 영양 섭취량은 매일 2,000칼로리이다. 이것은 대략 100와트 전구를 켤 수 있는 에너지이다. 1년 동안 이 에너지를 계속 사용하면 30억 줄에 해당한다. ... 1년 동안 사람에게 필요한 에너지인 이 양을 1어휴먼AHUMAN(물론, 발음은 ‘a human’이다)이라고 하자. 이 에너지 중에서 대략 20퍼센트가 뇌 활동에 사용된다.
2020년의 세계 에너지 소비량은 약 1,900억 어휴먼이다. 2020년의 세계 인구는 약 75억이므로, 대략 1인당 25어휴먼의 에너지를 사용한 셈이다. ... 미국인들은 대략 1인당 95어휴먼을 사용한다.
태양에서 나오는 연간 에너지 출력은 1인당 대략 500조 어휴먼을 공급하기에 충분하다.
... 더 겸손하게, 지구로 오는 태양 에너지만 고려해도, 현재 에너지 소비량의 ‘겨우’ 10,000배까지 수확할 수 있다. 이 값이 태양 에너지의 경제적 잠재력을 평가하는 더 현실적인 숫자이다. 분명, 다이슨 구가 없어도 성장을 위한 여유는 풍부하다. _188-189쪽
우주에서 복잡성이 나타나는 가장 중요한 이유인 중력 불안정성은 일종의 마태 효과이다. 우주에서 밀도가 큰 영역에서는 더 강력한 인력이 작용해서 더 많은 물질이 모이고, 따라서 더 밀도가 커진다. 반면에 밀도가 작은 영역은 평균적으로 경쟁에서 밀려서, 점점 더 텅 비게 된다. _232쪽
이런 이유로, 근본 법칙들을 완벽하게 이해한다고 해도, 이것은 ‘모든 것의 이론’도 아니고 ‘과학의 종말’도 아닐 것이다.(대중과학 보도에서 고질적으로 사용되는 이 두 문구가 나는 심하게 거슬린다) 우리는 여전히 실재에 대한 상보적 설명이 필요하다. 여전히 거대한 질문들이 대답되지 않은 채로 남아 있을 것이고, 수행해야 할 위대한 과학적 연구가 남아 있을 것이다. _307쪽
이렇듯 상보성은 다른 관점을 고려하자는 권유이다. 상보성에 의해, 익숙하지 않은 질문들, 익숙하지 않은 사실들, 익숙하지 않은 태도들이 새로운 관점과 그 관점에서만 보이는 것들을 배울 기회를 준다. 상보성은 마음을 확장시켜준다. _310쪽 |
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