출판사 서평
상상 속의 우주, 상상조차 못한 우주가
우리 안에 있다!
우리 인간에게는 놀랍고 위대한 능력이 있다. 바로 눈앞에 보이지 않는 것들, 경험과 멀리 떨어진 것들을 상상하고 이해하는 능력이다. 우리?는 어떻게 힉스 보손을 상상하고, 그것을 찾기 위한 현미경, 즉 원자 크기의 10억 분의 1 거리를 분해할 수 있는 거대 강입자 충돌기를 만들었을까? 어떻게 우주를 지배하는 법칙을 발견하고, 그 법칙들을 자세히 검증하기 위해 태양계 끝보다 10조 배나 더 먼 곳을 볼 수 있는 위성과 망원경들을 만들었을까?
세계적인 이론물리학자 ...
상상 속의 우주, 상상조차 못한 우주가
우리 안에 있다!
우리 인간에게는 놀랍고 위대한 능력이 있다. 바로 눈앞에 보이지 않는 것들, 경험과 멀리 떨어진 것들을 상상하고 이해하는 능력이다. 우리는 어떻게 힉스 보손을 상상하고, 그것을 찾기 위한 현미경, 즉 원자 크기의 10억 분의 1 거리를 분해할 수 있는 거대 강입자 충돌기를 만들었을까? 어떻게 우주를 지배하는 법칙을 발견하고, 그 법칙들을 자세히 검증하기 위해 태양계 끝보다 10조 배나 더 먼 곳을 볼 수 있는 위성과 망원경들을 만들었을까?
세계적인 이론물리학자 닐 투록의 《우리 안의 우주》(원제 : Universe Within)는 현실을 이해하고 마음속에 우주를 품는 우리의 능력에 관해 이야기하는 책이다. 저자 닐 투록은, 이 능력은 가장 작은 원자구성입자에서부터 관측 가능한 모든 우주에 이르기까지 강력한 아이디어들의 지속적인 원천이 되어왔다고 말한다. 또한 이는 지금까지 그리고 앞으로도 우리의 가장 귀한 자산이며, 역사가 계속 흘러가는 한 우리 안의 우주는 우리 미래의 열쇠가 될 것이라고도 말한다.
이 책은 우리가 상상해온 우주, 상상조차 못했던 우주에 관한 이야기를 풀어놓고 있다. 뉴턴, 패러데이, 플랑크, 디랙, 아인슈타인, 파인만 등으로 이어지는 고전물리학부터 현대물리학까지 물리학 역사의 가장 중요한 사건들을 세심하고 폭넓은 눈으로 바라보고, 이를 통해 물리학의 발전이 세상을 어떻게 바꾸어왔는지를 밝힌다. 또한 저자 자신의 경험과 물리학 이야기를 자연스럽게 버무려내, 이 책을 읽는 동안 우리는 우리 자신도 모르는 사이에 물리학의 바다에서 자유로이 헤엄치고 있는 스스로를 발견하게 될 것이다.
인간과 물리학을 이해하는
참신하고 탁월한 방식
이 책의 저자 닐 투록은 세계에서 가장 뛰어난 이론물리학자이자 유명한 교육개혁가이다. 남아프리카공화국 출신인 그는 아파르트헤이트 정권에 적극적으로 저항했던 아버지를 보며 자랐다. 이를 통해, 예비 물리학자로서 부모님으로부터 얻은 한 가지 생각, 즉 ‘훌륭한 생각은 세상을 바꿀 수 있다’는 것을 가슴속 깊이 새기게 되었다.
투록은 책에서 자기의 삶과 물리학을 아주 절묘하게 혼합시켰다. 아프리카에서 어린 시절을 보냈던 경험은 자연스레 피타고라스학파, 흄, 다빈치, 갈릴레오에 이르는 수학의 발달과 연관된다. 또 런던으로 이주한 후 TV를 통해 마주하게 된 아폴로 13호의 거짓말 같은 지구 귀환 사건은 어느새 뉴턴의 물리법칙으로 이어져 위대한 이야기의 포문을 열게 된다. 투록의 이러한 서술방식은 참으로 독특하다. 물리학은 물리학일 뿐 개인의 삶과는 연관 짓기 쉽지 않다는 일반적인 생각을 통쾌하게 뒤집고 있기 때문이다. 그의 삶 속에서 숨 쉬고 있는 물리학을 현실적으로 마주함으로써 우리는 우리들 안에서 움직이고 있는 우주를 마침내 의식하고 바라볼 수 있게 된다. 끝없는 우주의 광활한 섭리가 우리들 안에서 움직인다는 사실이 정말 놀랍지 않은가?
또 닐 투록은 자신의 삶과 물리학을 일치시킬 뿐만 아니라, 그 지식을 널리 전파하는 데 힘쓰는 것으로도 유명하다. 아프리카 출신으로서 아프리카에 대한 뿌리 깊은 애정을 지니고 있는 투록은 아프리카의 발전을 위해서는 외부 세계의 기술을 받아들이고 또 그것을 만들어낼 숙련자 및 과학자가 필요하다고 생각했다. 그래서 그는 아프리카 전체에서 가능성 있는 학생들을 모집하고 전 세계 최고의 강사진을 구축하여 아프리카 수리과학연구소AIMS를 설립했다. 2003년 마침내 문을 연 이 연구소는 9년 동안 아프리카 31개국에서 온 450여 명의 훌륭한 물리학 인재들을 배출해냈다. 또한 투록과 함께 호킹-투록 인스탠탄Hawking-Turok instanton(허수 시간의 영역에 있는 우주는 일반적으로 기형의 4차원 공으로 기술될 수 있음을 입증한 것)을 개발한 스티븐 호킹은 투록의 조언에 따라 2008년 AIMS를 모델로 한 고등 수리물리학 대학원 과정 연구센터를 설립하기도 했다. 이는 1,530억 원이 드는 초대형 프로젝트로, 아프리카 젊은이들을 향한 그들의 마음을 잘 드러내주는 일이다. 이러한 성공과 끊임없는 시도는 아프리카에 대한 무수한 선입견을 없앴으며 많은 사람들에게 강력한 희망의 메시지를 전달했다.
물리학과 인생을 기막히게 혼합해내고, 물리학 인재양성에 큰 노력을 기울이고 있는 투록은 그야말로 물리학을 깊숙이 사랑하고 이해하고 있는 학자라고 할 수 있겠다. 훌륭한 생각이 세상을 바꿀 수 있다는 그의 믿음은 물리학이라는 훌륭한 생각이 해결 불가능해 보이는 세상의 어려운 문제들을 충분히 풀어낼 수 있다는 확신으로 이어졌다. 물리와 세상에 대한 폭넓은 이해의 눈을 가진 그는 명실상부 가장 탁월한 물리학 안내자일 것이다.
고전물리학에서 현대물리학까지
그 결정적 사건과 인물들을 만난다
이 책은 거의 모든 물리학 역사와 주목할 만한 이론들을 하나하나 찬찬히 짚어나간다. 통합의 길을 향한 첫 번째 발걸음인 뉴턴의 중력법칙, 빛을 통합한 맥스웰의 이론, 세상에 대한 고전적인 관점을 완전히 붕괴시킨 양자역학, 우주에 대한 우리의 관점을 고대 그리스인들의 관점과 더욱 가깝게 만들어준 아인슈타인의 상대성이론, 모든 물리학 법칙을 통합하는 이론으로 가장 유망한 M이론, 완전히 새로운 지평을 열어줄 양자 컴퓨터 등을 비롯한 그 밖의 수많은 물리학 이론들이 쉽고 흥미로운 언어로 펼쳐져 있다.
또한 물리학을 이야기할 때 절대 빠질 수 없는 유명한 사건들도 모두 등장한다. 아인슈타인, 퀴리, 플랑크, 디랙, 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 보른 등 물리학 천재들이 한자리에 모인 제5차 솔베이 국제 컨퍼런스 관련 일화, 아인슈타인의 상징적 방정식 E\u003dmc2의 발견, 암흑물질의 존재에 대한 이야기, 힉스 입자의 발견, 아폴로 13호의 지구 귀환 드라마 등 우리의 가슴을 뛰게 하는 물리학의 반짝반짝 빛나는 현장들이 책속에 고스란히 녹아 있다.
뿐만 아니라 저자 닐 투록은 물리학을 예술, 문학, 영화 등 문화 전반과 긴밀하게 연관 지어 더욱 풍성한 이야기를 이끌어낸다. 라파엘의 《아테네 학당》, 《변모》, 메리 셸리의 《프랑켄슈타인》, 《최후의 인간》, 영화 《스타워즈》, 《트루먼 쇼》 등 보다 쉬운 이해와 폭넓은 앎을 위한 흥미로운 이야기들이 등장한다.
투록의 이러한 서술을 통해 이 책은 단순한 과학 서적이기보다 역사와 철학, 문학과 예술이 모두 포함된 종합교양서로 완성되었다. 분야에 대한 경계선을 보기 좋게 허물고 풍부한 지식과 물리학을 향한 거침없는 열정이 담긴 이 책은 기존 과학 서적의 한계를 넘어선 가장 완벽하고 뜻 깊은 결과물이라고 할 수 있다.
투록은 이제 물리학이 인위적인 수학적 구조들, 자료에 결과를 끼워 맞추는 것, 그리고 새로운 통합 원리들을 찾는 것 등 부자연스러운 모형들에서 한 발 떨어질 시기라고 말한다. 그리고 우리가 이미 발견한 마법과 그 모든 한계들, 또 그것을 바라보고 넘어서는 새로운 방법에 더 관심을 기울여야 한다고도 말한다. 즉 아인슈타인의 철학적 풍부함과 깊이를 하이젠베르크의 기술적 명민함과 결합시켜야 한다는 것이다.
《우리 안의 우주》는 투록이 제안한 물리학 발전의 로드맵을 향해 망설임 없는 발걸음을 내딛게 하는 책이다. 물리학은 인간의 믿을 수 없는 상상력을 통해 무한한 발전을 거듭해왔다. 이 책을 통해 우리는 지나온 발자취를 돌아보며 우리가 어디서 어떻게 시작되었는지에 대한 폭넓고 깊이 있는 깨달음을 얻게 될 것이며, 앞으로 마주하게 될 새로운 발견들과 변화에 대한 기대를 한 가득 품게 될 것이다.
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시간과 공간을 가로지른 불가사의한 여행으로 우리를 초대하는 책. 닐 투록은 과학과 개인적 이야기의 기막힌 혼합을 통해, 연구의 최전선에 서 있는 흥분과 더불어 우리 자신과 우주를 탐험하는 황홀한 휴먼드라마를 보여준다! ￭ 브라이언 그린, 《멀티 유니버스》 저자

 

이 책은 매우 특별한 수리물리학자의 개인적인 투지에 기초한, 우아하고도 교육적이며 가끔은 뭉클하고 전혀 학술적이지 않은, 그러면서도 가장 강력한 과학적, 철학적, 인도주의적 영향력을 제공한다.

￭ 로저 펜로즈, 《실체에 이르는 길》 저자

이 책에서 나는 현실을 이해하고 마음속에 우주를 품는 우리의 능력에 대해 이야기하고 싶다. 이 능력은 가장 작은 원자구성입자에서부터 관측 가능한 모든 우주에 이르기까지 강력한 아이디어들의 지속적인 원천이 되어왔다. 이것은 휴대전화에서 인공위성까지 현대의 모든 기술을 품고 있다. 또한 지금까지 그리고 앞으로도 우리의 가장 귀한 자산이며, 동시에 완전히 공짜로 나눌 수 있는 것이다. 역사가 계속 흘러가는 것이라면 우리 안의 우주는 우리 미래의 열쇠가 될 것이다.  ￭ 1장 통하는 마법 pp.14~15

 

다시 갈릴레오 갈릴레이가 물리학의 기반을 건설하는 첫발을 내딛던 16세기 말과 17세기 초 르네상스의 이탈리아로 돌아가보자. 그는 수학이 신중한 실험, 정확한 측정과 결합되면 현실 세계를 기술하는 강력한 도구가 될 수 있음을 깨달았다. 수학은 우리의 일상적인 경험을 훨씬 넘어서는 세계에 대한 개념을 생성하고, 현실의 모형을 깊이 탐구하며, 우리가 기술한 것에서 종종 새로운 발견으로 이어지는 모순을 찾아낼 수 있게 해준다. 하지만 결국은 갈릴레오가 맨 처음 충분히 인정했듯이 진정으로 옳고 그름을 검증하는 유일한 방법은 실험과 관측이다.
그래서 갈릴레오는 논리적 추론, 관측, 성실한 실험을 결합하여 물리학을 새롭고 보편적인 규칙으로 발전시켰다. 그는 경사면에 검은 공을 굴리는 실험, 목성의 위성들과 금성의 위상 변화 관측 등을 통해서, 지구가 우주 중심에 있는 고대 프톨레마이오스 모형을 제거하고 대신 태양이 태양계 중심에 있는 코페르니쿠스의 우주를 확립하는 데 강력한 단서를 제공해주었다. 이것은 뉴턴의 우주로 향하는 첫 번째 발걸음이었다. ￭ 1장 통하는 마법 p.33

 

1925년, 독일의 젊은 천재 베르너 하이젠베르크Werner Heisenberg는 양자이론을 발표하며 이렇게 말했다. “지금까지 관측이 불가능했던 전자의 위치나 주기 같은 양quantity을 관측하겠다는 희망을 완전히 버려라.” 그 대신 “고전역학과 유사한 형태의 양자역학이론을 만들려고 노력하라. 단, 이 이론에서는 관측 가능한 양들 사이의 관계만 나타난다.” 하이젠베르크의 작업은 전자가 원자핵 주변을 회전한다는 고전적인 그림을 훨씬 더 추상적이고 수학적인 모습으로 바꾸어놓았다. 여기서는 실험에서 직접 관측이 가능한 양들만이 설명될 수 있다. 그로부터 얼마 뒤인 1926년, 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거Erwin Schrödinger가 하이젠베르크와 똑같은 이론을 발견했다. 여기서는 전자가 고전적인 입자가 아닌 파동으로 다루어진다. 그리고 1927년 초, 하이젠베르크는 뉴턴의 고전적인 우주, 즉 모든 입자들이 명확한 위치와 속도를 가지는 우주가 더는 유지될 수 없다는 사실을 보인 그 유명한 ‘불확정성의 원리’를 발견했다. ￭ 2장 상상 속의 현실 pp.77~78

 

특수상대성이론을 발표한 해인 1905년, 아인슈타인은 참고문헌도 없고 제목도 무난한 세 쪽짜리 논문을 썼다. <물체의 관성이 그 물체의 에너지양과 관계가 있을까?>라는 이 놀라운 논문에는 아인슈타인의 상징적인 방정식 E=mc2이 있었다.
아인슈타인의 공식은 세 가지를 연결시키고 있다. 에너지, 질량, 빛의 속도다. 아인슈타인 이전까지 이 양들은 전혀 다른 것으로 여겨졌다. 당시에는 그중에서 에너지가 가장 추상적이었다. 당신은 어떤 것을 가리켜 ‘이것이 에너지다’라고 말할 수 없다. 에너지는 물체의 형태로 존재하지 않기 때문이다. 당신은 어떤 물체가 에너지를 ‘가지고 있다’라고만 말할 수 있을 뿐이다. 그럼에도 에너지는 아주 강력한 아이디어였다. 평범한 환경에서(공간의 팽창을 포함하지 않는) 에너지는 서로 다른 형태로 바뀔 수는 있지만 절대 만들어지거나 사라지지는 않는다. 전문적인 용어로 우리는 에너지가 ‘보존된다’고 말한다. ￭ 3장 무엇이 폭발했는가? pp.144~145

 

아인슈타인의 런던 방문을 환영하면서 유명한 극작가인 조지 버나드 쇼George Bernard Shaw는 한 명의 젊은 교수(아인슈타인)가 어떻게 세상에 대한 뉴턴의 그림을 부숴버렸는지를 재미있게 이야기했다. 뉴턴의 중력은 더는 존재하지 않는다는 이야기를 들으면 사람들은 대뜸 이렇게 묻는다. “그렇다면 직선은 어떻게 되나요? 만일 중력이 없다면 하늘에 있는 물체들은 우주 밖으로 직선으로 날아가버리지 않나요?” 쇼의 이야기는 계속되었다. “교수는 이렇게 말합니다. ‘왜 그래야 하죠? 세상은 그렇게 만들어지지 않았어요. 세상은 영국식의 직선적인 세상이 아닙니다. 세상은 휘어져 있어요. 하늘에 있는 물체들은 휘어져서 움직입니다. 그게 자연스러운 움직임이거든요.’ 그리고 드디어 모든 뉴턴의 세상은 짜부라져서 사라지고 아인슈타인의 우주가 나타났습니다.” ￭ 3장 무엇이 폭발했는가? p.150

 

그래서 우리는 아프리카 수리과학연구소African Institute for Mathematical Sciences, AIMS라는 연구센터를 건립하는 아이디어를 떠올렸다(사진 10, 11 참조). 그 생각은 아주 간단했다. 아프리카 전체에서 똑똑한 학생들을 모집하고 전 세계 최고의 강사진을 구축하여 아프리카 최고의 학생들을 자신감 있는 사상가이자 문제 해결사로, 그리고 수학적 모델링, 자료 분석, 컴퓨터 등의 기술에 익숙해지도록 만드는 프로그램이었다. 우리는 역학疫學, 자원과 기후 모델링, 통신 같은 현재 진행되는 많은 과학 분야들을 아프리카에 제공하려고 했다. 그리고 기본 물리학이나 순수수학 같은 기본적인 주제들도 포함시켰다.
무엇보다 우리는 아프리카의 발전을 위해 탁월하고 헌신적인 문화를 갖춘 센터를 만들고 싶었다. 연구소의 목표는 문을 여는 것이었다. 즉 학생들이 자신들의 관심사를 탐구하고 개발하도록 격려하고, 자신들을 가장 흥분시키는 분야가 무엇인지 발견하고, 그들이 기회를 찾을 수 있도록 도와주는 것이었다. AIMS는 학생들이 자신들이 속한 대륙의 발전에 기여할 수 있는 과학자, 기술자, 교육자, 지도자, 혁신자가 되는 길을 닦을 수 있도록 도와주려 했다. ￭ 4장 하나의 방정식 속 세계 pp.200~201

 

내 개인적인 관점으로는 이 끈이론 우주들 중 어떤 것도 조금의 현실성을 갖고 있지 않다. 현재로서 끈이론은 앞 장에서 설명한 문제인 초기의 특이점을 기술할 수 없다고 증명되어 있다. 지금까지 이해되기로는 끈이론의 풍경은 텅 빈 우주 모형들의 집합으로 이루어져 있다. 하지만 이런 텅 빈 우주 모형들이 실제로 우리 우주와 같이 물질과 복사로 가득 찬 팽창하는 우주를 기술하는 데 사용될 수 있을지에 대해서는 심각하게 의심할 만한 근거가 있다.
나는 가능한 우주들의 ‘다중우주’를 고려하기보다는, 우리가 존재를 알고 있는 우주에 초점을 맞추고 그 우주의 주요한 의문들인 특이점과 먼 미래에 대한 의문을 해결할 수 있는 원리들을 이해하려고 시도하는 쪽을 더 선호한다. 끈이론은 이미 양자 중력에 완전히 새로운 통찰을 제공해준 강력한 이론적인 도구다. 하지만 우리 우주를 설득력 있게 기술할 준비를 갖추려면 아직 갈 길이 멀다. ￭ 4장 하나의 방정식 속 세계 p.239

 

메리 셸리는 이와 같은 이벤트와 과학의 매력에 영감을 얻어 《프랑켄슈타인》을 썼을 것이다. 그녀의 소설은 거대한 의문을 해결하는 과정에서 젊은 과학자(프랑켄슈타인 박사)의 열정과 집중력을 묘사한다. “수많은 밤낮의 노동과 노력 끝에 나는 생명과 탄생의 원인을 알아냈다. 아니, 더 나아가서 나는 생명이 없는 물체에게 생명을 줄 수 있는 사람이 되었다.” 자신의 발견에 감격한 그는 이렇게 말한다. “세상이 창조된 이후 가장 현명한 사람들이 연구하고 바라던 결과가 이제 바로 내 손안에 있다.” 성공에 고무된 그는 더 나아간다. “첫 번째 성공으로 내 상상력은 더 커졌다. 어쩌면 동물에게 사람과 같이 복잡하고 멋진 삶을 줄 수도 있지 않을까 생각하게 되었다.” 프랑켄슈타인은 그 위험성에 대해서는 생각하지도 않고 괴물을 만들어냈다. 이 괴물과의 관계는 프랑켄슈타인을 만족시키지 못했고, 괴물은 프랑켄슈타인의 새 신부를 죽임으로써 그에 대한 복수를 한다. ￭ 5장 최고의 기회 p.294

 

이제 우리의 과학과 인간성을 서로 연결할 때가 왔다. 그렇게 함으로써 양쪽 다 시야를 넓힐 수 있을 것이다. 우리가 우리의 지적 능력과 마음을 연결시킬 수만 있다면 더 밝은 미래와 더 통합된 과학을 이용한 더 통합된 세상을 향한 문은 활짝 열려 있다. 그 과학에는 우리의 인식을 넓혀줄 양자 기술과 에너지를 더 현명하게 사용하고, 새로운 세계를 열어줄 우주여행을 가능케 할 획기적인 기술이 포함될 것이다. 살아 있다는 것이 얼마나 대단한 특권인가. 우리는 진정으로 인류 역사상 최고의 기회를 맞이하고 있는 것이다. ￭ 5장 최고의 기회 p.311

목차
들어가는 글
1장 통하는 마법 _
마음속에 우주를 품다 / 과학, 우주와 우리 자신에 대한 이야기 / 경험을 뛰어넘어 우주를 담아내는 수학 / 천상과 지상을 통합한 뉴턴의 물리법칙 / 전기와 자기, 빛을 통합?한 패러데이와 맥스웰 / 상상 이상의 미래를 열다
2장 상상 속의 현실 _
아낙시만드로스의 잠재력을 지닌 세계/손 안의 우주에서 불확정성의 원리로 / 빛의 파장은 어떻게 이루어지는가 / 정확할수록 더 불확실하다 / 양자적 현실의 본성을 파헤치다 / 고전적, 국지적 세계를 벗어나다 / 수학적 추론의 승리, 양자이론
3장 무엇이 폭발했는가? _
우주, 그 모든 것의 의미란 무엇인가 / 더 멀리 볼수록 보이는 것들 / 아인슈타인의 위대한 발견 / 우주는 계속해서 진화한다 / 눈에 보이는 우주 / 끝없이 펼쳐진 우주 / 빅뱅이 정말 모든 것의 시작일까?
4장 하나의 방정식 속 세계 _
아프리카의 아인슈타인들 / 마법의 공식/뇌터의 정리와 디랙의 방정식 / 끈이론과 그 한계 / 우리는 과연 누구인가?
5장 최고의 기회 _
우리 세계의 미래는 어떤 모습일까? / 디지털혁명의 정보 과잉 / 양자 컴퓨터와 정보처리 능력 / 미래를 예견한 사람들 / 디지털 정보의 시대 / 과학과 사회는 분리되는가 / 과학과 인간의 본성
감사의 글 / 옮긴이의 글/ 주 / 더 읽어볼 문헌ㆍ사진 출처 / 찾아보기