“태양 빛에만 의존하는 인간은 어떻게 ‘어둠’을 인식하는가?”
아메데오 발비, 별 너머로 사라진 ‘95%의 존재’를 묻다

우주배경복사(Cosmic microwave background radiation)의 비등방성을 세계 최초로 규명하며, 우주의 구조가 유클리드(평면) 구조임을 확인했던 이탈리아 최고의 천체물리학 석학이자, 특히 우주론과 우주 생물학 분야에서 빼어난 활약을 펼치고 있는 아메데오 발비(Amede Balbi) 교수의 신작으로, 우주의 95%를 차지하는 것으로 추정되는 암흑 물질과 암흑 에너지를 둘러싼 신비와 논쟁을 흥미롭게 추적한 책이다. 저자는 이 책에서 암흑 물질로 유력한 입자로 추정되던 윔프(WIMP)의 발견이 불확실해지고, 암흑 에너지로 추정되는 진공 에너지값에 관한 물리적 난제가 풀리지 않으면서, 일반상대성이론에 기초해 빅뱅(Big Bang)으로 정점을 찍은 표준 우주 모형(Standard model of cosmology)이 그 아성을 위협받고 있다고 진단한다. 수정 뉴턴 역학 같은 표준 우주 모형에 대한 합리적인 대안 이론이 등장하는가 하면, ‘지적 설계’, ‘인류 원리’, ‘지구 평면설’ 등 유사 과학까지도 그 약한 고리를 비집고 들어오며 우주론의 성역이 일대 도전의 시간을 겪고 있다는 것이다.

하지만 저자는 암흑 성분(암흑 물질과 암흑 에너지)의 추정이 단순히 과학자들의 상상으로 만들어진 것이 아닌, 인류가 별빛 너머에 있는 어둠을 이해하는 과정에서 필연적으로 탄생할 수밖에 없었음을 지적하며, 유사 과학이 직접적인 증거의 부재를 틈타 ‘관측 불가능성’에 기초한 불가지론에 기대어 과학을 희화화하는 것이 아닌지 강력히 의심한다. 과학의 진전이 다소 더디게 진행될 때 일어나는 전형적인 부작용이라는 것이다. 따라서 이 모든 것의 처음으로 되돌아가 암흑 물질과 암흑 에너지의 탄생을 재고함으로써 빠진 것이 없는지, 계산상의 오류 혹은 전혀 다른 3의 가능성을 과학적 개방성의 원칙에 따라 충실히 생각해보는 시간을 갖는다. 별 너머에 존재하는 어둠에 관해, 과거의 모든 과학자가 그랬던 것처럼 처음으로 돌아가 우주를 가득 채우고 있는 미지의 어둠을 재고하는 것이다. 어둠의 본성을 이해하는 것이야말로 위기에 빠진 우주론을 다시 정립하고, 무엇보다 ‘우리가 여전히 모르고 있는 95%의 우주’를 이해하는 실마리가 되기 때문이다. 이 과정은 마치 일련의 알리바이를 두고 벌이는 용의자와 수사관 사이의 치열한 심리 싸움을 연상시킬 만큼 흥미진진하게 전개되는데, 독자들도 단순한 과학의 수용자가 아닌 관찰자로서 암흑 성분을 함께 추리해볼 수 있다.

“왜 밤하늘은 어두운가?”에서 시작된,
‘빛’과 ‘어둠’을 둘러싼, 우주에서 가장 우아하고 지적인 논쟁!

불과 수 세기 전까지만 해도, 하늘을 올려다보고 별자리를 그리기 시작한 최초의 관측자들은 맨눈으로 보이는 작은 별 뒤에 무엇이 숨겨져 있는지 감히 상상조차 하지 못했다. 그 후, 과학의 눈부신 진전으로 인류는 놀라운 결과를 얻었고, 우주의 가장 먼 곳까지 탐험하면서 우주의 전체 구조와 그 기원과 진화를 지배하는 체계에 관해 매우 만족스러운 그림을 얻어내기에 이르렀다. 하지만 여전히 우리가 우주를 안다고 하기에는 턱없이 우주를 모른다. 천문학자들은 전체 우주의 5%에 불과한 물리적 특성만을 이해했을 뿐, 남은 95%의 존재를 특정하지 못하고 있다. 간접적으로나마, 유력한 용의자로 암흑 물질과 암흑 에너지를 의심하지만, 수십 년이 지금도 그 혐의를 입증할 결정적 증거를 손에 쥐지 못하며 위기에 봉착해 있다.

지금까지 밝혀진 바에 따르면, 암흑 물질은 입자 형태이면서 보통의 물질과 잘 섞여 있으며, 자연계에 알려진 네 가지 힘(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력) 중에서 중력으로밖에 상호작용을 하지 않는다. 그래서 어디에 있는지 곧 찾아낼 수 있을 것 같아도 빛에 반응하지 않으므로 그 정체를 파악하는 데 어려움이 많다. 또, 암흑 에너지는 입자라기보다 어떤 에너지의 형태로 우주 전 공간에 퍼져 있는 것으로 추측되는데, 놀랍게도 밀어내는 힘인 척력을 작용한다고 알려져 있다. 이 척력이 우주가 팽창하고 있는 그 비율을 점점 더 빨라지게 만드는, 즉 가속 팽창을 유발한다고 생각하고 있다. 실제 여러 가지 관측 결과를 잘 설명하기 때문에 암흑 에너지의 필요성에 관해 많은 학자가 공감하고 있으나, 정작 가장 큰 문제는 이 베일에 싸인 에너지가 무엇인지 알 수 없다는 점이다.

그렇다면, 왜 이 모든 것의 실체적 증거가 나오지 않는 걸까? 또 오랜 시간이 경과했음에도, 왜 명확해지는 것이 아니라 혼란스럽게 보이는 걸까? 중력과만 상호작용한다는 전제부터 지나친 억지 시나리오가 아닐까? 보이지 않으니, 물리적 도구로도 발견될 수 없는 건 아닐까? 우리가 아는 중력의 규칙과 또 다른 물리법칙이 존재하는 것은 아닐까? 마치 모든 것이 밑바닥부터 논리적이고 조화로운 방식으로 올라오는 놀라운 형식의 일반상대성이론처럼, 암흑 성분 또한 중력과 양자가 공존하는 영역에서 의심의 여지 없이 이론적 토대 위에 설 수 있을까? 그것도 아니라면, 애초에 아예 존재하지 않은 물질과 에너지를 실체로 상상한 것이 아닐까? 이 책은 이 모든 의문에 대한 답을 찾는 과정을 담아냈다.

“누가 스티븐 호킹만이 과학을 대중화할 수 있다고 말했던가?”
‘우주의 어둠’에 관한 아메데오 발비의 가장 아름다운 교양 과학서!

암흑 물질과 암흑 에너지의 존재를 예측한 지 무려 40여 년을 넘겼다는 것이 어쩌면 심각한 결함으로 보일 수 있다. 하지만 기껏 한 세기 이내의 짧은 수명을 기대할 수 있는 인류의 조바심일 수도 있다. 뉴턴과 아인슈타인으로 대표되는 17세기, 20세기의 두 과학혁명도 우주의 시간으로 보자면 보잘것없는 최근에서야 이뤄졌다. 우리는 여전히 혼란스럽지만, 과거에 가지지 못했던 새로운 도구들(이를테면, 중력파의 발견처럼)을 하나둘 손에 얻고 있다. 언젠가는 이 둘의 진위가 밝혀지는 날은 올 테지만, 정체가 밝혀지기 전까지 모든 가능성에 대해서 이리저리 맞춰보는 게 더 재미있을 수 있다. 마치 직소 퍼즐을 다 맞추기 위해서 며칠 동안 낑낑대며 괴로워하는 시간이 지나야 나중에 완성된 멋진 그림을 보면서 그 힘들었던 시간을 추억하듯이 말이다. 다행히 이 책의 저자인 아메데오 발비 교수는 별 너머 저편, 어둠의 속성을 이해하려는 독자들에게 암흑 탐사의 길잡이로서 훌륭한 역할을 해낸다. 서울대학교 천문물리학부 황호성 교수의 추천사를 빌려 표현하자면, “일반인들이 암흑 물질과 암흑 에너지에 접근하려면, 중력이 결정적인 거시 세계와 중력이 무시되는 미시 세계가 결합된, 감히 상상하기 어려운 우주의 시작점을 이해해야 하고, 그 후 방정식 안에서나 존재하는 무수히 많은 우주적 각본을 고려해야 하는데, 저자는 이를 탁월하게 설명해낸다.”

저자 아메데오 발비는 천체물리학과 우주론 연구 현장을 떠나지 않으면서도, 일반 대중을 위한 과학 교양서를 꾸준히 발간하는 몇 안 되는 과학자로 유명하다. 그래서 그런지 개념에 관한 직접적인 설명보다 ‘왜’라는 문제 제기를 통해 과거 천문학자들이 밟았던 생각의 궤적을 이해하도록 하며, 독자들이 자연스럽게 우주의 실체에 다가설 수 있도록 돕는다. 어쩌면 저자의 이러한 과학 글쓰기는 철학보다 더 철학적이고, 역사보다 더 역사적인 추론으로 자칫 메말라 보이는 우주 탐사를 참 서사적이게 하는 면이 있다. 그래서 이 책이 더욱 우아하게 느껴지는지도 모르겠다. 암흑 물질과 암흑 에너지로 상징되는 암흑 성분을 규명하는 일은 우리가 여전히 모르는 95퍼센트를 알아가는 매우 중요한 일로서, 우주의 기원과 구조에 관한 우리 지식의 토대가 맞는지 확인시켜줄 매우 중요한 과제다. 독자들도 어딘가 신비롭지만 기묘하고, 손에 잡히지 않는 ‘어둠의 세계’를 이해함으로써 드넓은 우주의 신비에 한 발 더 다가서는 기회를 얻을 수 있을 것이다.

추천사 _ 왜 밤하늘은 어두울까?
한국어판 서문
서문

I
어둠 속을 들여다보며
Scrutando nel buio

1 낭비되는 광자는 없다
2 어두운 밤하늘의 역설
3 확장된 시선
4 화석 빛
5 어둠 너머

II
암흑 물질
Scrutando nel buio

6 우주는 평평하다
7 사라진 물질이 있다
8 아무것도 없는 세계
9 신비한 입자
10 단서는 많지만, 범인이 없다

III
제5원소
Scrutando nel buio

11 아인슈타인의 실수
12 가속
13 빈 공간
14 불확실한 운명
15 어둠을 해석하는 법