우주 시민을 위한 우주 안내서
프린스턴 대학 교양 천문학을 책으로 만나다
1998년 프린스턴 대학은 과학 전공이 아닌 학부생들, 한 번도 과학 강의를 들어보지 않은 학생들을 대상으로 한 천체물리학 강의를 기획하고 세 명을 교수로 위촉했다. 미국자연사박물관의 헤이든 천체투영관장인 닐 디그래스 타이슨과 프린스턴 천체물리학과 교수인 마이클 A. 스트라우스, J. 리처드 고트가 그 주인공이었다. 2007년 《타임》지가 타이슨을 ‘세계에서 가장 영향력 있는 100인’ 중 한 명으로 선정할 때까지 이 강의는 세 사람의 협업 속에 ‘우주를 이해할 수 있는 힘을 주는 명강의’라는 호평을 받으며 계속되었다. 더 나아가 이들은 우주를 더 깊이 이해하고 싶어하는 일반인들을 위해서 강의 내용을 책으로 펴내고자 했고, 강의 이후 추가된 최신 천문학 지식들을 모두 반영하여 정리한 것이 바로 이 책 《웰컴 투 더 유니버스》다. 이 책은 2016년 출간되자마자 〈뉴욕타임스〉 베스트셀러에 오르며 《코스모스》 이후 최고의 천체물리학 입문서로 격찬받았다.
천체물리학은 불과 몇 십 년 사이에 교과서가 바뀔 정도의 대발견이 이어지고 노벨상을 계속 석권하는 최첨단의 과학 분야다. 그에 반해 현재 우리의 천체물리학 지식은 10여 년 전에 머물러 있는 것은 아닌지 의심스러운 경우가 있다. 앞다투어 우주식민지 개척에 달려들고 있는 지금, 천체물리학의 다양한 영역을 기초 원리에서부터 최신 연구 결과까지 알기 쉽게 설명하는 《웰컴 투 더 유니버스》를 통해 독자들은 현재 천문학이 어디까지 와 있는지를 한눈에 이해할 수 있을 것이다.
1부(별과 행성)를 집필한 닐 타이슨은 트위터 팔로워가 1,200만 명이 넘고 〈심슨 가족〉 〈빅뱅이론〉 〈배트맨 대 슈퍼맨〉 등에 실명으로 카메오 출연을 할 정도로 칼 세이건 이후 최고의 스타 과학 커뮤니케이터이자 현재 천체물리학계의 아이콘 같은 인물이다. 타이슨은 1994년부터 포스트닥 연구원, 객원 연구교수로 프린스턴 대학교와 인연을 맺으며 학생들에게 직접 강의를 했다. 복잡하고 어려운 개념을 대중이 이해할 수 있는 언어와 비유로 알기 쉽게 전달하는 교수 타이슨의 비범한 재능을 이 책을 통해 확인할 수 있다.
2부(은하)를 집필한 마이클 A. 스트라우스는 1998년 SDSS(슬론 디지털 스카이 서베이)를 이용해 당시까지 알려진 가장 멀리 있는 퀘이사를 찾아낸 관측천문학자다(이것은 우주의 나이가 8억 5,000만 년일 때 방출된 빛, 즉 약 130억 년 전에 출발한 빛을 관측한 것이었다. 이 기록은 2011년 다른 연구팀에 의해 깨졌다). 스트라우스는 허블 우주망원경과 우주탐사 위성 등이 찍은 경이로운 사진들을 통해 은하의 구조와 빅뱅이론, 퀘이사와 블랙홀 등을 명쾌하게 설명한다.
3부(우주론)를 집필한 J. 리처드 고트는 우주의 두 끈에 대한 일반상대성이론 장방정식의 정확한 해를 발견하고 우주의 거미줄 구조를 인플레이션으로 설명한 세계적인 천체물리학자다. 2003년에는 약 14억 광년 떨어진 은하의 슬론 그레이트월을 발견하여, 당시까지 알려진 ‘우주에서 가장 큰 구조’로 기네스북에 오르기도 했다. 고트는 아인슈타인의 상대성이론을 시중의 어느 책보다 쉽게 설명할 뿐 아니라 다중우주, 거품우주, 끈이론, 양자터널, 쌍곡선 우주 같은 다양한 현대 우주론, 시간여행과 우주 식민지 개발 같은 흥미로운 주제도 상세하게 다룬다.
프린스턴 대학은 아인슈타인과 파인만 같은 물리학자들로도 유명하지만 천문학 분야에서 특히 가장 선도적인 역할을 해왔다. HR 다이어그램을 완성한 헨리 노리스 러셀, 허블 우주망원경의 아버지 라이먼 스피처 그리고 우주배경복사를 예측하고 설명함으로써 빅뱅이론을 증명한 로버트 디키, 제임스 피블스, 데이비드 윌킨슨, 피터 롤 등이 모두 프린스턴이 배출한 천문학자들이다(우주배경복사의 비등방성을 관측해 암흑물질과 암흑에너지의 존재를 밝힌 WMAP 탐사위성도 윌킨슨의 이름을 딴 것이다). 현대 천체물리학의 가장 왕성한 산실에서 연구 중인 과학자들과 세계 최고의 과학 해설자가 만나 우주의 모든 것을 일반인도 이해할 수 있도록 쉽게 풀어 설명한 명강의를 이제 책으로 만날 수 있다.

“우주에 온 걸 환영해”
지금까지 만나보지 못했던 친절한 천체물리학 입문서
이 책은 일반인을 위해 쓴 천체물리학 입문서로서, 처음부터 완전 문외한을 대상으로 한 만큼 천체물리학의 기초에서부터 최대한 친절하고 알기 쉽게 설명한다. 일례로 1장에서 타이슨은 독자가 우주의 규모에 대한 감을 잡을 수 있도록 하기 위해 1부터 시작해서 차츰 큰 수로 나아간다. 1,000억 개의 햄버거(이만큼의 햄버거를 일렬로 늘어놓으면 지구를 216바퀴 돈 후 달까지 갔다 올 수 있다는 실감나는 설명도 빠뜨리지 않는다), 1조 초 전의 크로마뇽인, 1,000조 마리의 개미, 코파카바나 해변 10개에 있는 100경 개의 모래알…… 그리고 마침내 100해--‘관측 가능한 우주에 있는 별의 수’에 이른다. 그런 다음 지구의 자전과 공전, 별자리와 달의 위상 변화로 차츰 단계를 높여가면서, ‘낮의 길이는 겨울에는 길어지고 여름에는 짧아진다.’ ‘북극성은 밤하늘에서 45번째로 밝은 별이다.’ ‘황도대의 별자리는 12개가 아니라 13개다.’(따라서 모든 오늘의 별자리 운세는 한 달이나 어긋나 있다.) 등등 잘못 알려진 많은 천문학 지식도 바로잡는다.
이 책은 시중의 딱딱한 과학책들과 달리 어려운 천체물리학 지식을 쉽고 재미있게 전달하기 위해서 저자들의 개인적인 이야기를 적극적으로 도입한다. 타이슨은 천왕성의 위성에서 따와 딸의 이름을 ‘미란다’라고 지은 사연, 생전 처음 영화(〈콘택트〉) 시사회에 초대되어 얼떨떨했던 일화 등을 특유의 입담으로 유머러스하게 들려주고, 스트라우스는 연애시절 칠레의 세로톨롤로 천문대에서 보았던 잊을 수 없는 은하수의 아름다운 모습을 통해 우리은하에 대한 이야기를 풀어가는가 하면, 고트는 대학시절 방문한 베를린 장벽을 통해 인류의 미래 지속기간을 계산하고, 직접 목격한 아폴로 11호 발사 장면을 떠올리며 우주 개발과 인류의 도전을 감동적으로 이야기한다.
또한 저자들은 풍부한 비유를 통해 복잡하고 어려운 과학 개념을 피부에 와닿도록 설명한다. 스트라우스는 유명한 빵과 건포도의 비유로 빅뱅이란 공간 자체의 팽창이며, 우주가 팽창할 때 특별한 중심이란 없음을 멋지게 전달한다. 고트는 ‘미래에서 온 재킷’이라는 재치 있는 설정을 이용해 시간여행과 세계선의 개념을 명쾌하게 제시하고, 블랙홀을 탐사하러 떠난 교수와 대학원생 간의 가상 통신을 통해 블랙홀의 여러 특성을 알려준다. 비유를 통해 어려운 개념을 쉽게 설명하는 타이슨의 장기는 이 책에서 특히 빛을 발한다. 그는 버터총(버터를 쏘아 식빵에 버터를 바르는 가상의 발명품)을 통해 별의 거리와 밝기의 관계를 설명하는가 하면, 도토리나무와 다람쥐의 비유를 통해 별이 방출하는 상이한 스펙트럼을 설명한다. 또 중성자별을 설명하면서 그 밀도가 1억 마리의 코끼리를 골무 크기로 압축한 정도이고, 지구중력에서 2만 킬로미터 높이의 절벽을 오르는 데(한 시간에 100미터씩 24시간 내내 오른다고 해도 22년이 넘게 걸린다) 필요한 에너지가 중성자별에서 종이 한 장 위에 올라갈 때 필요한 에너지와 맞먹는다고 비유한다.

빅뱅이론에서 M-이론까지
지식을 넘어 원리를 담아내다
《웰컴 투 더 유니버스》는 우주에 대한 다양한 지식을 전달할 뿐 아니라 과학자들이 그것을 알아내는 방법과 탐구의 원리를 이해시키는 데 중점을 둔다. 《사이언스》지의 평가처럼, “이 책의 가장 큰 성취는 우주에 대해 우리가 무엇을 아느냐가 아니라 우리가 그것을 어떻게 아느냐를 제시한다는 점이다.” 저자들은 시차를 이용해 별까지 거리를 계산하는 방법, 빛의 속도를 측정하는 방법, 별이 방출하는 빛의 스펙트럼을 이용해 별의 광도와 크기를 알아내는 방법, 적색이동과 변광성을 이용해 은하들의 거리와 속도를 구하는 방법, 별 내부에서 일어나는 핵융합의 메커니즘과 별의 진화 과정(주계열성이 적색거성이 되었다가 초신성으로 폭발해 중성자별이나 블랙홀이 되는 과정) 등을 상세히 이해시킨다. 특히 그 과정에서 케플러와 뉴턴의 법칙에서부터 아인슈타인의 상대성이론 방정식, 플랑크 함수, 슈테판-볼츠만 법칙, 드레이크 방정식 등을 단순 소개하는 수준이 아니라 공식이 유도되는 구체적인 과정을 누구나 따라해볼 수 있도록 제시한다.
이 책은 입문서지만 다중우주, 초끈이론, M-이론 같은 최신 천체물리학의 발견과 이론도 다수 포함되어 있다. 명왕성의 퇴출 논란과 더불어 다른 별의 주위를 도는 새로 발견된 수천 개의 행성을 소개하면서 행성의 의미를 생각해보고, 라이고(LIGO, 레이저 간섭계 중력파 관측소)가 검출하는 데 성공한 충돌하는 두 블랙홀이 만드는 중력파의 의미를 짚고, 허블 우주망원경과 SDSS, WMAP, 플랑크 위성 등의 관측을 통해 더 정교해진 표준 우주론 모형을 설명한다. 또 우주에 암흑물질이 얼마나 있으며 이것이 보통의 물질로 이루어져 있지 않다는 것, 암흑에너지의 밀도가 얼마이고 이것이 음의 압력을 가지고 있다는 것을 천문학자들이 어떻게 아는지도 설명한다. 《웰컴 투 더 유니버스》는 우주의 기원과 미래에 대한 현재 천체물리학 지식의 최전선으로 우리를 이끈다.
“이 책을 읽는 것은 전문과학자에게 개인적으로 박물관 안내를 받는 것과 비슷하다. 전시물에는 뉴턴의 운동법칙이 있고, 우리의 태양이 죽은 후 벌어질 일, 별들 사이의 공간을 측정하는 방법, 퀘이사와 블랙홀, 시간여행, 빅뱅 모델이 단지 이론 이상인 이유, 은하에 다른 생명체가 존재할 가능성 등이 있다. 저자들은 도전해볼 만한 내용들을 이해하기 쉽게 제시하며, 독자들을 우리 태양계에서부터 관측 가능한 우주의 경계까지 이끌고, 우주에 대해 알아야 할 모든 정보와 원리를 알려준다…… 세 저자는 다중우주, 초끈이론, M-이론 같은 첨단 물리학과 우주 식민지 개척의 이점 등을 설명하는데, 숙련된 과학책 독자들에게도 배울 만한 새로운 것들이 많다.” -- 《퍼블리셔 위클리》

“우주의 시민으로서 우리는 그것을 탐험할 의무가 있다. 세 천체물리학자는 이러한 견해를 밝히며, 우주먼지 너머의 세계로 향하는 이 상쾌한 원정을 이끌고, 아인슈타인의 연구에 대한 광대한 이론적 조망으로 안내한다.” -- 《네이처》

“세 저자 모두 격의 없는 대화체로 썼고, 정말 재밌는 엉뚱한 추론들이 곳곳에 있다(‘왜성’의 복수형을 영국에서는 dwarves로 쓰고 미국에서는 dwarfs로 쓴다든가, 〈스타트렉〉의 외계인들이 완벽한 미국식 영어를 구사한다든가 하는 이야기들)…… 이 책의 가장 큰 성취는 우주에 대해 우리가 무엇을 아느냐가 아니라 우리가 그것을 어떻게 아느냐를 제시한다는 점이다.” -- 《사이언스》

“저명한 세 천체물리학자가 함께 쓴 우리 우주에 대한 알기 쉽고 포괄적인 개관. 재미있는 천문학 입문서.” -- 《커커스 리뷰》

“명왕성의 지위, 지적 생명체의 존재, 우주의 무한성 등에 대해 잘 설명하며 우리를 우주여행으로 이끈다.” -- 《필라델피아 인콰이어러》

“그들의 칭찬할 만한 목표는, 거대한 우주에 대한 생각을 단순화하지 않으면서 이해할 수 있는 방식으로 소통하려는 것이다.” -- 《워싱턴포스트》

“글은 편안하고 알기 쉬운 문체로 쓰였으며, 많은 대중문화 아이콘을 언급한다…… 책은 일반 독자에게 천체물리학의 가장 복잡한 개념과 일부 새로운 개념들을 알려주며, 우리가 살고 있는 우주를 더 잘 이해할 수 있도록 돕는다.” -- 《북리스트》

“저자들은 우리가 우주의 중심이 아닐지라도 우주를 측정하고, 이론을 세우고, 이해하고, 지식의 한계를 탐험할 수 있는 지적인 종이라는 사실을 상기시킨다. 독자들이 현재 천문학의 발견을 따라갈 수 있게 해주는 탁월한 입문서.” -- 《라이브러리 저널》

“이 책은 천체물리학에 대한 또 하나의 지루한 책이 전혀 아니다…… 매우 난해한 많은 대중과학서들과 달리, 이 책은 전문가와 관심 있는 문외한 사이의 대화에 더 가깝다…… 과학에 관심 있는 사람뿐 아니라 과학을 전혀 모르는 사람에게도 훌륭한 독서가 될 것이다. 고등학생과 대학생뿐 아니라 각급 과학교사에게도 확실히 좋은 책이다. 어느 독자든지 복잡한 과학적 생각들이 한데 어우러지는 방법을 알게 될 것이다.” -- 미국과학교사협회(NSTA) 도서추천위원회

“저자들은 장마다 자기만의 뚜렷한 목소리를 내며 매력을 유지한다. 그리하여 독자들은 마치 구전 역사에서처럼 과학이 대대로 전하고 공유했던 본능적인 감각, 즉 우주에 온 것을 환영한다는 따뜻한 느낌을 받는다.” -- 재너 레빈(Janna Levin, 바나드 칼리지 물리학과 교수)

“독자들은 이 생생하고 재미있는 책에 담긴 커다란 아이디어를 즐길 것이다.” -- 로버트 커시너(Robert P. Kirshner, 하버드 대학 천제물리학과 교수)

“세 저자는 각 분야의 전문가들이고 매력적인 작가들이다. 아주 좋은 책으로, 시중에 이에 필적할 책은 없어 보인다.” -- 숀 캐럴(Sean Carroll, 칼텍 물리학과 교수)

“나는 천문학자로서, 이 책이 많은 첨단 우주론을 영리하고 솜씨 좋게 다루는 방식에 감탄했다. 흠뻑 빠져 즐겁게 읽었다.” -- 크리스 임페이(Chris Impey, 애리조나 대학 천문학과 교수)

“당신이 천체물리학에 흥미를 갖게 되었고 더 깊이 알고 싶다면 이 책을 읽어라. 유머와 매력을 겸비한 권위 있는 책.” -- 마커스 초운(Marcus Chown, 과학작가)

서문

제1부 별, 행성 그리고 생명
1 우주의 크기와 규모
2 하늘에서 행성의 궤도까지
3 뉴턴의 법칙들
4 별들은 어떻게 에너지를 방출하는가(I)
5 별들은 어떻게 에너지를 방출하는가(II)
6 별의 스펙트럼
7 별의 삶과 죽음(I)
8 별의 삶과 죽음(II)
9 명왕성은 왜 행성이 아닌가
10 은하에서 생명체 찾기

제2부 은하
11 성간물질
12 우리은하
13 은하들의 우주
14 팽창하는 우주
15 초기의 우주
16 퀘이사와 초거대질량 블랙홀

제3부 아인슈타인과 우주
17 상대성이론을 향한 아인슈타인의 여정
18 특수상대성이론의 의미
19 아인슈타인의 일반상대성이론
20 블랙홀
21 우주의 끈, 웜홀 그리고 시간여행
22 우주의 모양과 빅뱅
23 인플레이션 그리고 우주론의 최근 발전
24 우주에서 우리의 미래

부록1 E\u003dmc2 유도
부록2 베켄슈타인, 블랙홀의 엔트로피 그리고 정보
주
옮긴이의 말
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