세상 모든 것이 궁금한 과학자의 지적 여정

‘세상은 어떻게 존재하고 왜 있는 것일까?’ 이는 세상의 근원과 존재의 이유를 묻는 ‘궁극적 질문’이다. 이처럼 근본적이고 심원한 질문에 대한 응답은 종교와 철학의 영역으로 간주해 왔다. 하지만 종교와 철학 또는 인문학은 저마다 주관적이고 사변적인 대답을 내놓으며, 미궁에 빠지기 일쑤였다. 반면 현대과학은 20세기 후반 이래 무수한 발전을 이루며, ‘궁극적 질문’에 대한 최종적 답을 제시하기 시작했다. 우주 또는 생명의 근원과 이유를 이처럼 경이롭고 분명하게 설명하는 과학은, 무엇으로도 대체 불가능한 ‘대서사시’에 비유될 만하다. 〈유니버스〉는 현대 물리학과 우주과학의 최신 이론과 연구 동향을 집대성한 과학 교양서다. 지난 20여 년간 과학은 급속히 발전하며 전대미문의 성취를 이뤄냈다. ‘표준빅뱅 이론’, ‘양자역학’, ‘표준모형’, ‘끈 이론’, ‘고리양자중력 이론’ 등이 그 대표적 성과로, 이러한 이론들은 우주가 ‘어떻게’뿐만 아니라 ‘왜’ 생겼는지를 명확히 답하는 ‘궁극의 이론’으로 발전 중이다. 이 책은 복잡한 수식을 배제하고, 일반인들도 쉽게 이해할 수 있는 문장으로 누구나가 우주와 물질의 근원을 찾아 나설 수 있도록 안내한다. 〈유니버스〉는 생명과 마음의 기원을 다룬 〈라이프〉의 쌍둥이 책이자, ‘과학 오디세이’ 시리즈 일부다. 이 시리즈는 기나긴 우주와 생명의 ‘대서사시’를 통해 우주와 생명의 본질을 통찰하며, 독자들이 삶의 의미를 깨달을 수 있도록 인도한다. ‘과학 오디세이’ 시리즈는 과학을 통해 궁극에 다가서는 심원한 인문교양서로서, 세상을 바라보는 새로운 관점을 제공한다.

시작하는 글

1 장
우주는 어떤 모습을 하고 있을까?
볼 수 있는 세상의 끝 | 우주의 크기
끝없는 유한함 | 관측 가능한 우주 너머
별 하나, 나 하나 | 우주에 있는 별의 개수
우주 속 인류의 보금자리 | 태양계 가족의 새 분류
해왕성을 넘어 | 태양계의 먼 천체들
영원하지 않는 이웃 | 가까운 항성들
용이 사는 개울 | 새로 밝혀진 우리은하의 구조
약육강식의 세계 | 은하들의 상호작용
떠돌며 무리 지으며 | 은하군과 은하단
장대함의 끝 |필라멘트, 장성 그리고 보이드
천체가 거대한 이유 | 우주팽창의 발견 과정
기이한 팽창 | 우주팽창에 대한 오해들
태초의 열은 어디로 갔을까 | 빅뱅의 증거들
우주의 불꽃놀이? | 빅뱅에 대한 오해들
빛으로 이루어진 화석 | 우주배경복사
보이진 않지만 존재하는 | 암흑물질의 존재 근거
존재하지만 정체를 모르는 | 암흑물질의 후보들
가속페달을 밟은 우주 | 암흑에너지
아인슈타인의 위대한 실수 | 장 방정식과 우주상수
텅 빈 곳에도 있는 그것 | 진공에너지
기적 같은 우연의 일치 | 표준빅뱅이론의 의문점들
상상을 초월하는 팽창 | 인플레이션
모든 물질의 기원 | 우주에 물질이 있는 이유
우주물리학자들이 쓴 시나리오 | 우주의 과거사

2 장
물질은 어떻게 구성되어 있는가?
원자는 실체인가? | 원자의 실제 모습
인간지식의 금자탑 | 양자와 양자역학
원자보다 작은 것들 | 전자와 원자핵의 발견 이야기
건포도 푸딩에서 행성으로 | 보어의 원자모형
식당 테이블 보에 적은 수식 | 물질파
돌지 않는 이상한 팽이 | 전자의 스핀
아이들의 물리학 | 양자역학의 탄생
에로틱한 폭발 | 슈뢰딩거 방정식
펜치로 티눈 빼기 | 하이젠베르크와 불확정성 원리
음의 에너지로 가득 찬 세상 | 반물질
양자역학의 주류적 견해 | 코펜하겐 해석
신이 무엇을 하든 참견 말라 | 아인슈타인의 패배
동시에 죽어 있고 살아 있기 | 슈뢰딩거의 고양이
하나로 얽힌 세상 | EPR 역설
또 다른 내가 사는 세상 | 여러 세상 해석
입자인가 장인가 | 양자장론과 양자전기역학
소립자들의 주기율표 | 표준모형
맛깔 있고 자유로운 입자 | 쿼크와 렙톤
힘의 중재자들 | 게이지 보손과 자연의 4힘
땅이 꺼지지 않는 이유 | 전자기력과 광자
세상에서 가장 강한 접착제 | 강력과 글루온
맛깔을 바꾸는 요술 | 방사선 붕괴와 약력
신의 입자인가 빌어먹을 입자인가 | 힉스입자
모든 물리학의 핵심 원리 | 대칭성과 그 깨짐
기적 같은 덧셈 뺄셈 | 계층성 문제와 초대칭성
모든 힘을 하나로 | 대통일이론
훌륭한, 그러나 완벽하지 못한 | 표준모형의 숙제들



3 장
세상은 왜 있을까?
삼키고 증발하고 | 블랙홀
진동하는 끈이 물질이라고? | 끈 이론
돌돌 말리고 숨겨진 | 여분의 차원
막, 매직, 미스터리, 마더 | M-이론
막으로 된 세상 | 막 세계 우주론
영원히 큰 불이 반복되는 | 에크피로틱 우주
무수히 생겨나는 아기들 | 혼돈 인플레이션 우주론
색즉시공 공즉시색 | 저절로 생겨나는 우주
또 다른 세상들 | 다중우주, 평행우주
인간을 위해 우주가 존재한다고? | 인류의 원리
세상은 옷감일까? | 고리양자중력 이론
있는 듯 없는 듯 | 공간의 실체
세상의 시작은 있는가? | 최초의 시간
시간은 환상인가? | 시간의 문제
보다 높이, 보다 멀리 보기 | 궁극의 이론

맺는 글
감사의 글

부록
1. 아인슈타인의 장 방정식
2. 프리드먼의 방정식과 음의 압력
3. 우주의 평평도
4. 가짜 진공과 인플레이션
5. 슈뢰딩거의 파동방정식
6. 파인만 도형(다이아그램)
7. 광속과 특수상대성이론, 정지질량
참고문헌 및 주석
추천도서
그림 출처

우리는 왜, 어디에서 왔는지 이유를 모른 채 이 세상에 던져졌습니다. 그리고 그렁저렁 살다가 때가 되면 자연으로 돌아갑니다. 하지만 던져진 대로 살기에는 우리의 삶이 어쩐지 텅 빈 듯이 느껴지기도 합니다. 물론, 궁극적 진리는 사람의 사고능력 밖에 있는 영원한 비밀일 수도 있습니다. 탐구 자체가 헛된 작업일지도 모릅니다. 와인버그는 이런 상황을 ‘비극의 우아함’이라는 절묘한 말로 표현했습니다. 인간이 근원을 생각하면서 느끼는 고뇌, 한계, 진지함 등이 함축된 감동적 표현이라고 생각합니다. 그 자신도 이 표현에 대해 많은 독자들이 뜨거운 반향을 보여주었다고 회고한 바 있습니다. 부족한 글이지만 이 책을 통해 우리가 왜 여기에 있는지, 잠시 그 ‘비극의 우아함’을 생각해 볼 기회가 되셨으면 합니다.
_시작하는 글하지만 오히려 그 반대입니다. 수정이야말로 과학의 가장 큰 강점이자 핵심입니다. 과학은 기존의 지식에 의문을 던지고 끊임없이 수선하고 덧붙여 쌓아 올리는 작업입니다. 확실한 답이 아니라 신뢰할 수 있는 설명을 주는 것이 목적이지요. 확신이 아니라 의문을 먹고 사는 정신활동입니다. 리처드 파인만은 ‘과학이 확실하다고 생각한다면, 그건 당신의 실수’라고 했습니다. 과학은 언제든지 수정할 준비가 되어있습니다. 이런 맥락에서 볼 때, 고쳐서는 안 될 책에 쓰인 결론에 모든 사실을 맞추어 증명하려는 창조과학이나 그 변형인 지적설계는 과학이라 할 수 없지요. 과학의 가장 중요한 요건인 수정의 기능이 빠져 있기 때문입니다. 그것은 믿음이나 종교의 영역입니다.
_보다 높이, 보다 멀리 보기 | 궁극의 이론 이런 의미에서 인플레이션 이론은 진공의 무로부터 유가 나타나는 현상을 우주 차원에서 구체적으로 설명한 시도라 할 수 있습니다. 이는 불교의 ‘진공묘유’란 구절을 떠올리게 합니다. 아무것도 없는 무에서 오묘하게 유가 나타난다는 의미이지요. 또한 반야심경의 유명한 구절인 ‘색즉시공 공즉시색’(보이는 현상은 실체가 없으며, 실체가 없는 것이 현상이다)도 연상됩니다. 어떤 사람들은 현대물리학이 불교의 교리를 증명했다고 주장합니다. 그러나 생명과 마음을 다룬 이 책의 쌍둥이 책에서도 언급했지만, 불교의 공空사상이나 진공묘유의 개념은 물질보다는 마음의 작용에 대한 깊은 통찰이라고 생각합니다. 고대인의 지혜로 물질세계의 원리를 언급한 것은 아니라고 생각합니다.
_색즉시공 공즉시색 | 저절로 생겨나는 우주현재의 순간에 만족하고 최선을 다하는 것만이 의미가 있다는 것입니다. 지나간 과거와 다가올 미래에 비추어 보면 어떤 사람은 행복하게 태어났고 어떤 사람은 그렇지 못합니다. 그리고 큰 고통을 겪고 있는 사람도 있지요. 하지만 그 모든 것은 자연의 순환 과정 중에 던져진 양자적 확률에 의한 우연한 배합의 일시적 상태일 뿐입니다. 결코 원망하거나 탓해야 할 운명은 아니지요. ‘나’라는 존재가 꾸며진 허상인데 무슨 운명이 있을까요? 그러나 동시에 ‘내가 살아 있음’도 현실입니다. 그렇다면 고통스럽건 행복하건 주어진 ‘나의 현재 상태’를 있는 그대로 긍정적으로 받아들이는 것만이 현명한 자세일 것입니다. 그러기 위해서는 매 순간에 최선을 다하며, 즐거운 마음으로 열심히 일을 하고 서로 사랑하는 노력이 중요하다는 생각입니다. 설사 그것이 쉽지 않더라도 말이지요. 평범하지만 과학이 던져주는 값진 교훈이 아닌가 합니다.
_과학이 말해주는 삶의 제언
우리은하와 관련하여 새롭게 알게 된 특이한 구조가 있습니다. 바로 2010년 11월 하버드대학교 연구팀이 발견한 페르미 버블이라는 놀라운 구조입니다. 이는 지름이 무려 2만 5,000광년이나 되는 거대한 거품 방울 모양의 구조입니다. 페르미 버블은 은하 원반 중앙부의 블랙홀 위, 아래에 각기 하나씩 붙어있습니다. 원반을 기준으로 큰 풍선 2개가 위 아래로 붙어 있는 모습이지요. 버블(거품)이라는 이름은 비누방울처럼 뚜렷한 경계막을 가졌기 때문에 붙여졌습니다. 거품의 내부에는 고에너지 파장인 감마선이, 그리고 경계막에서는 X-선이 강하게 검출되고 있습니다.
_용이 사는 개울 | 새로 밝혀진 우리은하의 구조
사실 은하들의 약육강식과 합체는 흔한 현상입니다. 우리은하도 위성은하들을 집어 삼키고 있지요. 대소마젤란은하가 그 대표적인 먹이입니다. 남반구 밤하늘에서 맨눈으로 보이는 이 두 은하는 인근의 은하수에서 일부 조각이 떨어져 나온 듯이 뿌연 모습입니다. 얼핏 보면 구름 조각 같기 때문에 대항해시대 이래 마젤란 구름, 혹은 마젤란 성운으로 불려왔지요. 둘 다 왜소은하이며, 우리은하의 위성은하입니다. 이중 대마젤란은하는 지구에서 불과 16만 광년 거리에 있습니다. 지름이 1만 4,000광년으로 우리은하의 1/6에도 못 미치지만 국부은하군 안에서는 그래도 4번째로 큰 은하입니다. 특히 성간가스와 먼지가 풍부해 별들의 생성이 활발한 은하로 유명합니다. 초신성, 거성, 성단, 성운 등 다양한 천체를 가지고 있어 천문학자들의 보물창고라고 합니다.
_약육강식의 세계 | 은하들의 상호작용 빛과 전자를 성공적으로 다룬 QED(양자전기역학)의 연장선에 있는 오늘날의 양자장론은 소립자들을 약 15개의 양자장으로 설명하고 있습니다. 이들을 종합한 결과가 표준모형입니다. 현 시점에서 소립자들을 설명하는 가장 앞선 이론인 표준모형은 완벽하지는 않지만 물리학 역사상 가장 정밀하고 성공적인 이론으로 평가받고 있습니다. 무엇보다도 이론이 예측한 소립자들이 정확히 발견되었으며, 측정값들도 잘 일치했지요. 2018년을 기준으로 표준모형과 관련된 연구로 노벨 물리학상을 수상한 과학자도 55명에 이릅니다.
_소립자들의 주기율표 | 표준모형 소립자들이 각기 다른 질량을 가지는 것과 관련된 입자가 힉스보손입니다. 표준모형에 등장하는 17종 소립자 중 가장 마지막으로, 그리고 많은 우여곡절 끝에 발견된 입자이지요. 2012년 7월 4일 프랑스와 스위스 국경에 걸쳐 있는 CERN에서 전 세계 수많은 물리학자들이 애타게 기다린 힉스입자의 발견을 공표하는, 역사적인 실험 결과 발표회가 있었습니다. 세계에서 가장 큰 입자가속기인 LHC에서 2011~2012년 중반 사이 얻은 방대한 양의 데이터를 분석해 얻은 결과였지요. 힉스입자를 확인한 LHC 실험은 규모 면에서 과학역사상 유례가 없었던 프로젝트였습니다. 실험에 참여한 2개 검출기 팀의 과학자만 6,000여 명에 이르렀지요.
_신의 입자인가 빌어먹을 입자인가 | 힉스입자무無에서 우주가 생겨난다는 개념은 현재 거론되고 있는 상당수의 우주론이 제시하고 있는 잠정적 결론입니다. 거기에 더해 현대물리학의 서로 다른 이론들 (예컨대 양자역학, 끈 이론, 인플레이션 이론, 전산정보물리학 등) 대부분이 공통적으로 우리의 우주가 전부가 아니라는 ‘여러 우주모형’을 제시하고 있는 점도 흥미롭습니다. 이들은 다중우주, 평행우주, 거대우주 등의 여러 이름으로 불리고 있지요. 각자 정의하는 바는 조금씩 다르지만 이 책에서는 다중우주로 통일해 부르겠습니다.
_또 다른 세상들 | 다중우주, 평행우주

빅뱅부터 양자역학 그리고 끈이론까지
세상 모든 것이 궁금한 당신을 위한 과학 이야기
‘세상은 왜 없지 않고 존재할까? 우리는 왜 여기에 있을까?’이처럼 심오하고 궁극적인 질문은 과학의 영역이 아닌 것으로 여겨졌다. 하지만 〈유니버스〉의 저자는 “21세기는 궁극의 질문에 대해 과학이 어느 정도 의미 있는 답들을 내놓기 시작한 최초의 시대로 기록될 것”이라고 말한다. 나아가 저자는 “우리는 지금, 세상의 근원을 추론이 아닌 객관적 사실에 입각해 규명하려는 전대미문의 지적 대모험 시대를 살고 있다”고 강조한다.16세기 갈릴레오 갈릴레이의 지동설을 시작으로 코페르니쿠스, 케플러, 뉴턴으로 이어지는 과학 세계의 획기적 진보는 ‘과학혁명’으로 명명된다. 그런데 20세기 후반 이뤄진 과학의 진보는 16세기의 과학혁명을 압도한다. 먼저 과학의 전 분야에서 새로운 도구들이 등장해 혁명을 일으켰다. 다음으로 물리학을 바탕으로 전자, 정보, 컴퓨터공학이 비약적으로 발전했다. 그리고 분자생물학, 뇌과학, 인지과학의 발전이 과학혁명을 가속했다. 한편 지금껏 축적된 과학적 지식은 유기적으로 연결되며, 과학이 인식할 수 있고 설명 가능한 세계의 깊이와 범위가 기하급수적으로 확장됐다. 저자는 과학계의 최근 20여 년을 격동적인 ‘지적 대혁명’의 시기라고 명명한다.〈유니버스〉는 우주와 물질에 관한 분야에서 현대과학이 이뤄낸 중요한 성취와 핵심 이론을 집대성했다. 1장에 등장하는 ‘페르미 버블’, ‘암흑 물질’, ‘암흑 에너지’ 등은 우리가 속한 우주의 모습을 인식할 수 있게 하는 핵심요소다. 한편 ‘우주배경복사’와 ‘표준빅뱅 이론’은 우주의 기원과 미래를 설명한다. 2장에서는 ‘양자역학’과 ‘표준모형’이 소개된다. 두 이론은 우주를 구성하는 가장 작은 입자들에 관한 이론으로서, 물질의 실체를 파악하는 핵심 이론이다. 마지막 3장은 상대성이론과 양자역학을 통합하는 최신의 이론을 다룬다. 예컨대 ‘끈 이론’, ‘M-이론’, ‘막 세계 가설’ 등 최신이론들은 우주와 시·공간에 대한 근원을 새롭게 밝히며, 인식의 틀을 확장하고 있다.
우주와 생명은 어떻게 존재하고 왜 있는 것일까
경이로운 ‘빅 히스토리’가 전하는 ‘인문학적 통찰’ 〈유니버스〉와 〈라이프〉는 ‘과학 오디세이’ 시리즈에 속한 쌍둥이 책이다. 〈라이프〉는 ‘생명과 인간, 마음’의 기원을 다루면서, 우주와 물질을 다루는 〈유니버스〉와 함께 ‘모든 것의 기원과 존재의 의의’를 탐구한다. ‘과학 오디세이’ 시리즈의 〈유니버스〉와 〈라이프〉는 ‘우주 물리학, 생물학, 인지과학, 고인류학, 물질과학’ 등 각기 다른 여러 분야의 과학을 다루면서, 우주와 생명이 ‘어떻게’ 그리고 ‘왜’ 시작됐는가에 대한 적실한 과학적 대답과 인문학적 통찰을 제공한다. 이처럼 우주와 생명, 만물의 역사를 총괄하고 그 본질을 통찰하는 학문은 ‘빅 히스토리’(Big history)에 분류된다. 빌 게이츠는 자신의 블로그 ‘게이츠노트(GatesNotes)’에서 “빅 히스토리는 어떻게 모든 것들이 서로 되어있는지를 보여주고, 여러 부문의 통찰을 하나로 엮어 내러티브를 만들어낸다”고 말했다. 국내외에서 선풍적인 인기를 끌었던, 칼 세이건의 〈코스모스〉나 빌 브라이슨의 〈거의 모든 것의 역사〉는 우주의 방대한 시공간을 매력적인 내러티브로 엮어낸 역작이다. 이와 마찬가지로 ‘과학 오디세이’는 전문화되고 세분화된 과학의 성과를 유기적으로 연결하고, 융합한다. 이 시리즈를 통해 독자들은 따로 발전해 온 과학의 세계를 거시적으로 조망하면서 현대과학의 핵심적인 맥락과 줄거리를 파악해낼 수 있을 것이다.
‘과학 오디세이’ 시리즈를 통해 마침내 발견하게 되는 것은 시·공간에 대한 본질적 이해, 그리고 삶의 의미다. 저자는 “과학이 우리의 근원에 대해 제공해주는 객관적 지식을 통해 삶의 의미를 찾는 것이 더 소중하다”고 말한다. 저자는 고리양자중력 이론의 선구자로 알려진 카를로 로벨리의 현대물리학이론을 빌려, ‘시간은 환상일 가능성이 크다’는 사실을 강조한다. 또한 최신의 뇌과학은 ‘나’라는 정체성 또한 우리 뇌가 만든 가공물이라는 사실을 전달한다. ‘지나간 과거나 오지 않은 미래에 고통스러워하지 말고, 현재의 순간에 충실하라’는 오래된 격언은 이처럼 현대과학이 발견한 객관적 사실로 뒷받침되고 있다.
50여년 과학에만 몰두한, 과학전문가의 역작
10년의 연구와 집필기간, 600여 편의 인용문헌과 100여 권의 추천도서‘과학오디세이’ 시리즈의 〈유니버스〉와 〈라이프〉는 총 1,000여 페이지에 달하는 방대한 저서이다. 이 책은 일반인들도 쉽게 이해할 수 있도록 쓰인 본문에 이어, 심도 있는 이해를 원하는 독자들을 위해 중요 원문 논문과 이용 가능 서적을 부록을 통해 충실히 소개했다. 이 책을 집필한 저자 안중호는 35년간 학생들을 가르치고 재료공학을 연구해 온 과학자다. 현재는 기초연구 및 과학기술의 이해를 돕기 위한 관련 활동을 하고 있다. 이 책은 저자가 2010년 교양과학 교재로 제작한 〈현대과학으로 본 인간과 우주〉 시리즈에서 확대, 발전된 것이다. 이후에도 저자는 국내외 많은 과학 서적들과 중요 원본 논문들을 직접 연구하며 현대과학의 최신사항을 섭렵하여, ‘우주, 생명, 인간, 마음, 물질’에 관한 1.000여 페이지에 달하는 ‘과학 오디세이’, 즉 ‘과학의 대서사시’를 집필했다.

저자는 일본 과기청 JTA Fellow, 호주 연구재단 ARC IREX Fellow, 각종 국제학회지 편집임원 및 한국분말야금학회장 등을 역임하며, 나노 신소재, 초전도체, 에너지 소재 분야에 160편(국내 33편, SCI 137편)의 학술논문 및 230편의 학술발표를 했다. 이와 같은 저자의 학문적 역량과 과학에 대한 헌신적 열정은 현대과학을 총체적으로 정리하는 방대한 시리즈의 단단한 뿌리였다.