“우리가 사는 ‘진짜 세계’를 향한 물리학의 모험!”
카를로 로벨리가 말하는 인간과 시공간 그리고 우주를 이루는 ‘모든 것들’

세계적인 밀리언셀러 ≪모든 순간의 물리학≫에 이은 카를로 로벨리의 또 하나의 수작. 20세기 물리학의 혁명을 일으킨 핵심 이론부터 가장 최근 도입된 참신한 아이디어까지, 일반상대성이론과 양자이론을 통합한 새로운 시각에서 광대한 우주와 우주를 구성하는 시공간의 실재를 탐색하는 책이다.
저자 카를로 로벨리는 상대성이론과 양자역학을 결합한 ‘루프양자중력’이라는 새로운 개념을 만들어냈고, 블랙홀과 우주 미스터리를 푸는 과정에 중요한 진전을 이루며 ‘제2의 스티븐 호킹’, ‘우주론의 대가’라는 평가를 받고 있다. 그는 최전선에 있는 과학 이론을 현란하고 복잡한 용어가 아닌 일상적인 언어로 풀어냄으로써, 지금껏 어디에서도 볼 수 없었던 숨 막힐 듯 아름다운 ‘실재의 광경’을 생생하게 전달한다. 이를 통해 우리가 살고 있는 이 우주의 아름다움과 신비로움을 탐색하도록 돕는다.
이탈리아에서 2014년에 출간된 ≪보이는 세상은 실재가 아니다≫는 출간된 이래 영국, 프랑스, 스페인 등 전 유럽에서 장기 베스트셀러 1위를 기록했고, 카를로 로벨리의 책들은 과학 책으로는 이례적으로 전 세계에 걸쳐 300만 부 이상이 팔려나갔다. 또한 <가디언>, <텔레그래프>, <옵저버> 등 세계 유력 언론으로부터 ‘올해의 책’으로 선정되며 대중성과 작품성을 동시에 인정받으며, 과학 밀리언셀러로 자리매김했다.


우리가 보고, 느끼고, 숨 쉬는
이 세계는
무엇으로 존재하는가

그 호기심의 여정이 시작된 곳은 2,600년 전 고대 그리스다. 저자는 양자 중력과 현대 물리학의 아이디어들이 잉태하게 된 사고의 뿌리를 찾는 데서 시작한다. ‘이 세계’를 이해하는 데 효과적인 상당수의 아이디어들은 모두 2,000년 전부터 이미 존재해왔다. 카를로 로벨리는 우리가 지금 딛고 서 있는 물리학적 사고의 근원과 탄생을 살펴보면서 그 아이디어들이 과학이 되어가는 과정을 더 명확하게 이해시킨다.

고대에 처음으로 제기된 어떤 문제들은 우리가 세계를 이해하는 데 지금도 결정적으로 중요하게 작용합니다. 공간 구조에 관한 가장 최신 아이디어는 그때 도입된 개념과 논점을 이용합니다. 저는 이런 먼 과거의 아이디어에 관해 이야기하면서 양자중력에 핵심이 될 물음들을 꺼내놓겠습니다. 이렇게 하면 양자중력을 다룰 때에, 과학적 사고의 기원에까지 거슬러 올라가는 아이디어와 철저히 새로운 아이디어들 사이를 구별할 수 있을 겁니다. 앞으로 보게 되겠지만, 고대의 과학자들이 제기한 문제들과 아인슈타인과 양자중력이 찾아낸 해답들 사이에는 놀랍도록 가까운 연결 관계가 있습니다. -본문 중에서

이 장대한 물리학의 여정은 신이 지배한 중세의 암흑을 거쳐 곧 현대 물리학과의 만남으로 이어진다. 뉴턴과 맥스웰이 고전 물리학을 고안하고, 여기에서 아이디어를 얻은 아인슈타인은 상대성이론을, 보어는 양자이론을 발표한다. 이러한 무수히 반복되는 변증법적 과정에서 우리는 저 멀리 우주를 구체적으로 상상해냈고, 아주 작아 보이지 않던 미시계의 사물들의 구조에 눈을 뜨게 된 것. 여기에는 절대적이라고 믿었던 시공간이 실은 절대적이 않다는 깨달음이 있었고, 더 나아가 무한했다고 믿었던 인류의 사고 역시도 보이지 않는 물리학의 한계 내에 존재할 수밖에 없다는 사실도 깨닫게 되었다. 이 과정이야말로 우리 눈에 보이지 않는 세계에 대한 실재에 한층 더 깊이 있게 다가서는 계기가 된다.

일반상대성이론과 양자역학이라는 두 이론을 통해 세계에 관해 알게 된 것들과 양립할 수 있는 개념적 구조를 어떻게 만들어낼 수 있을까요? 양자 공간과 양자 시간이 무엇인지 이해하기 위해서는 사물에 대해 생각하는 방식을 근본적으로 바꾸어야 합니다. 지구가 공간 속에서 떠다니고 우주에는 ‘위’와 ‘아래’가 없다는 것을 이해했던 아낙시만드로스처럼, 시공이 연체동물처럼 찌그러지고 시간은 다른 장소에서는 다르게 흐른다는 것을 이해했던 아인슈타인처럼, 다시 한 번 우리는 지금까지 세계에 대해 알게 된 것들과 정합적인 세계상을 찾기 위해서 실재에 대한 우리의 생각을 바꾸어야 합니다. -본문 중에서


일상과 예술,
과학과 인간 정신을 모두 담은
세상에서 가장 아름다운 과학책

무엇보다 카를로 로벨리가 전 세계 독자들에게 사랑을 받았던 이유는 루프양자중력 개념을 최초로 제안한 학자라는 점뿐만이 아니다. 이 책의 가장 큰 특징이기도 하지만, 그의 과학적 사색은 독자들에게 아름다운 체험을 안겨준다. 가장 난해하고 복잡하다는 최근의 물리학 이론들을 설명하고, 더 나아가 양자 우주를 탐색하는 데 필요한 것이라면 문학과 건축, 철학 등의 경계에 안주하지 않는다. 2,600년 전 고대 그리스인들이 궁금해하고 생각했던 것, 갈릴레이가 지구라는 행성에 고집할 수밖에 없었던 확신에 찬 믿음, 보이지 않는 세계에 대한 단테의 헌사, 피렌체 성당의 범우주적 공간 구성, 아인슈타인의 인간적 고뇌까지도 과학을 설명하는 훌륭한 재료가 된다.

단테는 아리스토텔레스의 세계를 차용해 중세의 세계에 대한 자신의 위대한 비전을 제시합니다. 중심에 있는 둥근 지구를 천구들이 둘러싸고 있는 모습입니다. 단테는 베아트리체와 환상적인 여행을 하면서 천구들을 하나하나 거쳐 가장 바깥에 있는 천구에 다다릅니다. 그곳에 도착한 그는 아래를 내려다보며, 지구를 멀리 중심에 두고 천구들이 회전하고 있는 우주를 관상합니다. 그러나 그가 더 높은 곳을 바라볼 때, 무엇이 보였을까요? -본문 중에서

그는 맑게 정화된 인간적인 시선을 통해 물리학을 바라보고, 그 안에 의미를 불어 넣고 있다. ‘나는 물리학과 상관없다’고 생각하며 살아가고 있는 우리 모두에게, 가장 최첨단의 물리 이론을 이해시키고 세상을 보는 새로운 관점을 제시하기 위한 카를로 로벨리만의 뜨거운 열정이다. 비록 물리학을 잘 알지 못하더라도, 우리가 보고 느끼고 숨 쉬는 이 세계는 무엇으로 존재하는지, 보이는 것 너머의 ‘진짜 세계’란 어떤 모습인지 궁금한 독자라면 이 책이 큰 기쁨이 될 것이다. 현대 물리학의 지평과 깊이를 담아낸 이 책과 함께 여전히 모르는 것투성이의 우주를 알아가는 매력적인 모험을 떠나기를 권유해본다.
“우주를 둘러싼 빛나는 아이디어와 물리학자들의 장엄한 여정. 이 중요하고 매력적인 물리학의 모험은 독자를 유혹하기에 충분하다.” _뉴욕 타임스The New York Times

“카를로 로벨리는 물리학을 섹시한 학문으로 탈바꿈시킬 줄 아는 재주를 가졌다. 그는 스티븐 호킹 박사를 이어나갈 아이콘이다.” _더 타임스 매거진The Times Magazine

“물리학이 우리에게 주는 순수한 기쁨은 두 가지다. 기꺼이 틀릴 수 있다는 것, ‘보이는 세상’을 실험적으로 탐험할 수 있다는 것. 이 책은 두 가지 기쁨을 모두 선사한다.” _가디언The Guardian

“로벨리는 ‘보이는 것’과 ‘실재’의 차이를 자연스럽게 알려준다. 그가 우리에게 주는 지적 흥분은 전염성이 커서 우리 스스로 인간을 더욱 깊이 이해하게 만든다.“ _퍼블리셔스 위클리Publishers Weekly

“과학을 주제로 대중적인 글을 쓰려는 사람이라면 로벨리의 책에서 영감을 얻을 수 있을 것이다. 이론과 규칙을 놓치지 않으면서 이렇게 쓸 수 있는 과학자는 드물다.” _커커스 리뷰Kirkus Review

“로벨리의 문장, 명확한 사고, 과학에 대한 열정을 곳곳에서 발견할 수 있어서 기쁘다. 쉽고 명쾌한 이 책을 통해 더 많은 사람들이 물리학에 대한 애정과 통찰을 갖기를 바란다.” _북리스트Booklist

“이 책의 미덕은 ‘정답’이 아닌 ‘질문’을 더 많이 던져준다는 것이다. 질문이 많다는 점이야말로 ‘보이는 것’이 아닌 진정한 ‘실재’를 드러내는 것이다.” _워싱턴 인디펜던트Washington Indipendent

“놀라운 분석, 기발한 상상, 그리고 인간 정신에 대한 경이. 로벨리는 물리학적 감각을 겸비한 시인이라 불려도 전혀 어색하지 않다. 그의 감각이 보석처럼 빛을 발하는 책이다.” _엔피알NPR

물리학이 열어준 창밖으로 보이는 것은 언제나 우리를 놀라게 합니다. 우리는 우주에 관해 아주 많은 것을 알아왔습니다. 수 세기가 지나는 동안 우리는 얼마나 많은 잘못된 생각을 가졌었는지를 깨닫게 되었죠. 우리는 지구가 평평하다고, 세계의 움직이지 않는 중심이라고 생각했습니다. 우주는 작고 언제나 변치 않는다고 생각했고요. 우리는 인간이 다른 동물들과는 친족 관계가 없는 별도의 종이라고 믿었습니다. 그러나 지금 쿼크, 블랙홀, 빛의 입자, 공간의 파동에 대해, 우리 몸의 모든 세포의 특이한 분자 구조에 대해 알게 되었죠. 인류는 세상이 자신의 침실과 놀이터만으로 이루어진 것이 아니라는 것을 알고서 깜짝 놀라는 자라나는 어린이와 같습니다. 세상은 엄청나게 크고, 세상에는 발견할 거리가 수천 가지나 있으며, 처음 알던 것과 아주 다른 수많은 생각들이 있다는 것을 알고 놀란 것이죠. 우주는 다면적이며 끝이 없고, 우리는 계속해서 그 새로운 면을 만납니다. 우리가 세계에 관해서 더 많이 알아갈수록 그 다양성과 아름다움과 단순함에 더욱 놀라게 됩니다. p.9

이 책에서 다루는 것은 한창 진행 중인 연구입니다. 사물의 기본 특성에 관해서 우리가 배워가고 있는 것, 우리가 알고 있는 것, 그리고 막 이해하기 시작한 것에 대해 이야기합니다. 이 책은 일단, 오늘날 우리의 세계에 관한 이해를 정리할 수 있는 열쇠가 되는 몇 가지 아이디어들의 먼 기원에 관한 이야기로 시작합니다. 그러고는 20세기의 위대한 두 가지 발견인 아인슈타인의 일반상대성이론과 양자역학의 핵심 내용을 설명합니다. 그리고 플랑크 인공위성이 우주표준모형을 확증한 일과 세른CERN이 많은 이들이 기대했던 초대칭 입자 검출에 실패한 일처럼, 자연이 우리에게 준 최근의 신호들을 고려하면서, 오늘날 양자중력 연구에서 나타나는 오늘날의 세계상에 대해 이야기합니다. 나아가 공간의 알갱이 구조, 미시적 규모에서 시간의 사라짐, 빅뱅 물리학, 블랙홀의 열의 기원, 물리학의 토대에서 정보가 하는 역할까지 살펴볼 것입니다. p.11

이 책은 26세기 전, 밀레토스에서의 이야기로 시작합니다. 양자중력에 대한 책이 왜 그렇게 옛날 사건과 옛날 사람의 생각으로 시작하느냐고요? 공간의 양자에 대해 알고 싶어 하는 독자들은 이런 항의를 좀 접어두었으면 좋겠습니다. 아이디어가 자라나온 뿌리부터 시작하면 이해하기가 훨씬 쉽거든요. 그리고 세계를 이해하는 데 효과적이라고 밝혀진 상당수의 아이디어들은 2천 년 이상 전에 생겨났어요. 우리가 그 탄생을 잠깐 살펴보면 그 아이디어들이 더 명확해지고, 이후의 단계들이 더 간단하고 자연스럽게 이해될 겁니다.
하지만 또 다른 이유가 있습니다. 고대에 처음으로 제기된 어떤 문제들은 우리가 세계를 이해하는 데 지금도 결정적으로 중요하기 때문입니다. 공간 구조에 관한 몇몇 가장 최신 아이디어는 그때 도입된 개념과 논점을 이용합니다. 저는 이런 먼 과거의 아이디어에 관해 이야기하면서 양자중력에 핵심이 될 물음들을 꺼내놓겠습니다. 이렇게 하면 양자중력을 다룰 때에, 과학적 사고의 기원에까지 거슬러 올라가는 아이디어와 철저히 새로운 아이디어들 사이를 구별할 수 있을 겁니다. 앞으로 보게 되겠지만, 고대의 과학자들이 제기한 문제들과 아인슈타인과 양자중력이 찾아낸 해답들 사이에는 놀랍도록 가까운 연결 관계가 있습니다. p.18




그렇다면 레우키포스와 데모크리토스는 무엇을 발견했던 것일까요? 밀레토스인들은 이성을 사용해서 세계를 파악할 수 있다는 것을 이해했습니다. 다양한 자연 현상들이 단순한 무언가에서 기인하는 것이 틀림없다고 확신하고는, 바로 이 무언가가 무엇일지를 이해하려고 시도하였습니다. 만물을 이루고 있는 일종의 근본 물질을 생각해냈습니다. 밀레토스인 중 아낙시메네스Anaximenes는 이 근본 물질이 응축되거나 희박해짐으로써, 세계를 구성하는 한 원소에서 다른 원소로 바뀐다고 생각했습니다. 처음으로 물리학이 싹튼 것이었습니다. 거칠고 초보적이긴 하지만 올바른 방향이었죠. 세계의 숨은 질서를 파악하기 위해서는 어떤 발상이, 그것도 거대한 발상이, 거대한 비전이 필요했던 것입니다. 레우키포스와 데모크리토스가 바로 그런 발상을 생각해냈던 것이죠. p.24

20세기가 우리에게 남겨준 두 개의 보석인 일반상대성이론과 양자역학은 세계의 이해와 현대적 기술 개발을 위한 풍요로운 선물이었습니다. 전자로부터 중력파와 블랙홀을 연구하는 천체물리학과 우주론이 발전하였습니다. 후자는 원자물리학과 핵물리학과 소립자물리학과 응집물질물리학과 그 밖의 다양한 분야의 기초가 되었습니다. 하지만 이 두 이론 사이에는 삐걱거리는 부분이 있습니다. 두 이론은 서로 모순되는 것으로 보이기 때문에, 적어도 현재의 형태로는 둘 다 옳을 수는 없습니다. 중력장은 양자역학을 고려하지 않고 서, 장들이 양자화된다는 사실을 고려하지 않고서 기술됩니다. 그리고 양자역학은 시공이 휘며 아인슈타인의 방정식을 따른다는 사실을 고려하지 않고 공식화됩니다.
아침에 일반상대성이론 강의를 듣고 오후에 양자역학 강의를 듣는 대학생은 교수들이 바보들이라거나, 적어도 백 년 동안은 서로 얘기를 하지 않았다고 결론을 내릴법합니다. 그들이 세계에 관한 서로 모순되는 두 이미지를 가르치고 있기 때문이죠. 아침의 세계는 모든 것이 연속적인 굽은 시공입니다. 오후의 세계는 불연속적인 에너지 양자들이 도약하고 상호작용하는 평평한 시공입니다. p.147-148

우리는 일반상대성이론 덕분에 공간이 단단하고 고정된 상자 같은 것이 아니라 전자기장처럼 역동적인 것임을 알게 되었습니다. 우리가 들어 있는 우주는 움직이는 거대한 연체동물과도 같아서 눌려지고 비틀리고 합니다. 양자역학은 그러한 모든 장이 양자로 이루어져 있다는 것을, 즉 섬세한 입자 구조를 가지고 있다는 것을 가르쳐줍니다. 자연에 관한 이러한 두 가지 일반적인 발견으로부터 어떤 사실이 따라 나올까요?
물리적 공간도, 장이기 때문에, ‘양자로 이루어져’ 있다는 사실이 곧바로 따라 나옵니다. 다른 양자장들을 특징짓는 것과 똑같은 입자구조가 양자중력장을 특징짓고, 따라서 공간을 특징짓습니다. 그러므로 우리는 공간이 알갱이로 되어 있다고 예상합니다. 우리는 빛의 양자, 전자기장의 양자가 존재하고 기본입자가 양자장의 양자로서 존재하듯이, ‘공간의 양자’가 존재한다고 예상하는 것입니다. 그런데 공간은 중력장이므로 중력장의 양자가 ‘공간의 양자’, 즉 공간의 입자적 구성 성분인 것입니다. 따라서 루프이론의 핵심 예측은 공간이 연속적이지 않다는 것, 무한히 나눌 수 없다는 것, ‘공간의 원자들’로 이루어져 있다는 것입니다. 정말 작습니다. 가장 작은 원자핵의 10억분의 10억분의 1보다도 작죠. p.167

우리는 시간에 대해 마치 우주의 생애를 가리키는 커다란 우주적 시계가 있기라도 한듯이 생각해서는 안 됩니다. 시간을 국지적인 것으로 생각해야만 한다는 사실을 우리가 알게 된 지 한 세기도 넘었습니다. 우주의 모든 대상은 자신만의 시간 흐름을 갖고 있으며, 그 흐름은 국지적인 중력장에 의해 결정된다는 것이죠.
그러나 중력장의 양자적 본성을 고려할 때는 이 국지적 시간조차도 더 이상 제대로 작동하지 않습니다. 양자 사건들은 아주 작은 규모에서는 시간의 흐름에 따라 순서를 매길 수 없습니다. 어떤 의미에서는 시간이 더 이상 존재하지 않는 것이죠. 하지만 시간이 존재하지 않는다는 말이 무엇을 의미하는 걸까요? p.178

데모크리토스는 ‘사람’을 이상하게 정의합니다. “사람이란 우리 모두가 아는 것이다.”2 이는 아무 내용이 없는 어리석은 말처럼 보여 비판을 받아왔습니다만, 사실은 그렇지 않습니다. 데모크리토스 연구의 대가인 살로몬 루리아Salomon Luria는 데모크리토스가 진부한 이야기를 하고 있는 것이 아님을 지적합니다. 인간의 본질은 신체의 물리적 구조가 아니라 그가 속한 개인적, 가족적, 사회적 상호작용의 연결망에 의해서 주어집니다. 바로 이것들이 우리를 ‘만들고’ 우리를 지킵니다. ‘인간’으로서 우리는 우리에 관한 다른 이들의 앎, 우리 자신에 관한 우리의 앎, 우리에 관한 다른 이들의 앎에 관한 우리의 앎으로 이루어져 있습니다. 우리는 상호적 정보의 풍부한 연결망 속의 복합적인 매듭입니다. 이 모든 것은 아직은 이론입니다. 우리의 내적 세계를 더 잘 이해하려는 노력으로 우리가 걸어가고 있는 행로죠. 아직도 이해해야 할 것들이 많이 남아 있습니다. 마지막 장에서 그것들을 이야기하고자 합니다. p.252

첫 번째 강의 기원을 찾아서
01 알갱이들 02 고전들

두 번째 강의 혁명의 시작
03 알베르트 04 양자들

세 번째 강의 시간과 공간에 관하여
05 시공은 양자다 06 공간의 양자 07 시간은 존재하지 않는다

네 번째 강의 우리가 보는 세계 너머
08 빅뱅을 넘어서 09 확증 가능한 것 10 블랙홀의 열 11 무한의 끝 12 정보, 정의되지 않은 생각 13 신비