출판사 서평
광활한 우주에서 아주 작은 양자세계까지
파헤칠수록 더욱더 깊어지는 우주의 신비!
140억 년 우주는 여전히 인간의 해독을 기다리고 있다!
“우리는 어디에서 왔을까, 우리는 어디로 갈까, 라는 오래된 질문들에 대한 답은 현대 우주과학과 생물학에서 부분적으로 얻었다. 우리는 우주의 긴 진화 사슬에서 잠정적으로 도달된 결과물이며, 우주 안에서는 단 한 개의 원자도 사라지지 않고 심지어 우리의 삶과 별들의 진화조차도 서로 연관되어 있다.” - 본문 중에서
“빅뱅과 블랙홀은 공간과 시간이 시작되고 끝나는 자리이고, 기본입자...
광활한 우주에서 아주 작은 양자세계까지
파헤칠수록 더욱더 깊어지는 우주의 신비!
140억 년 우주는 여전히 인간의 해독을 기다리고 있다!
“우리는 어디에서 왔을까, 우리는 어디로 갈까, 라는 오래된 질문들에 대한 답은 현대 우주과학과 생물학에서 부분적으로 얻었다. 우리는 우주의 긴 진화 사슬에서 잠정적으로 도달된 결과물이며, 우주 안에서는 단 한 개의 원자도 사라지지 않고 심지어 우리의 삶과 별들의 진화조차도 서로 연관되어 있다.” - 본문 중에서
“빅뱅과 블랙홀은 공간과 시간이 시작되고 끝나는 자리이고, 기본입자는 만물의 토대이지만 그 자신은 비물질적인 형상이며, 양자물리학은 주관과 객관을 단순하게 나누는 사고방식을 뒤흔든다. 요컨대 공간과 시간과 물질과 주관에 대한 깔끔한 근대적 설명을 무너뜨리는 녀석들이 다 모인 셈이다.” - 옮긴이의 말 중에서
우리가 아는 세계는 대체로 자연과학으로 설명할 수 있지만, 그럼에도 우주에 대한 경이로움은 줄어들지 않는다. 여전히 우리는 어디에서 왔으며, 어디로 가는지 알지 못하며, 드넓은 우주에 인간이 존재할 확률은 기이할 정도로 낮다. 우주는 아주 작은 미세한 점에 응축되어 있던 기체가 폭발하면서 발생했다고 하는데, 그 누구도 빅뱅이 왜 일어났는지 모른다. 빅뱅 이전에 무엇이 있었는지에 대해 질문할 수도 없다. 빅뱅 이전엔 시간도 없었고, 공간도 없었으며, 시간이 없으므로 ‘이전’도 없기 때문이다.
초기 우주와 은하들의 발생을 연구한 저자 게르하르트 뵈르너는 현대 물리학에서 가장 흥미로우면서도 가장 어려운 주제들을 한 데 모아, 거시적인 우주세계와 미시적인 양자세계에 대해 과학이 어느 정도까지 설명하는지, 얼마나 어려운 과정을 거쳐 밝혀졌는지, 그럼에도 해결하지 못한 문제는 무엇인지 등을 상세하게 설명한다. 자연과학적인 태도를 철저히 견지하면서 말이다. 이해를 돕기 위해 실제적인 관찰 결과와 어려운 수식까지 제시한다. 또한 저자는 지금까지 과학이 얘기하지 못하는 부분(가령 ‘우주의 창조’ 등)을 종교만이 얘기할 수 있다는 주장에 물음표를 던지면서, 과학과 종교가 평화롭게 공존할 수 있는 새로운 시각을 제시하고자 한다.
우리가 아는 것은 5%일뿐, 우주의 95%는 모른다
저자는 우선 자연과학적 세계관을 설명하기 위해, 거시세계인 우주에 대해 과학이 어느 정도까지 증명했는지를 차근차근 보여준다. 가설로만 치부되던 빅뱅 이론이 어떻게 증명되었는지, 우주배경복사는 어떻게 발견되었는지, 암흑물질이 존재한다는 천문학적 관찰들은 무엇인지, 급팽창 이론이 어떻게 표준 빅뱅 모형의 난점들을 해결했는지, 왜 과학자들이 중력이론과 양자이론을 통합하는 ‘양자중력이론’을 추구하는지 등 중요한 논제들을 건드리면서 자연과학이 어디까지 유효한지를 세심하게 들여다본 것이다. 독자들이 과학적으로 증명된 우주의 신비에 감동함으로써 깊은 생각을 하게 되기를 희망하면서 말이다.
그러면 거시세계에 대한 천체물리학적 성과가 우리에게 새삼 일깨우는 것은 무엇일까?
굵직한 것들만을 살펴보면, 우선 인류는 빅뱅 모형을 통해 우주의 기원, 팽창, 소멸에 대한 지식을 일부분 얻었음에도 불구하고, 정작 우주의 바탕 중에서 95퍼센트를 차지하는 물질이 무엇인지 여전히 모른다는 점일 것이다. 천체물리학은 우주가 대략 중입자 5%, 중성미자 0.1%, 우주배경복사 0.01%, 차가운 암흑물질 25%, 암흑에너지 70%로 조성되어 있다고 밝혔지만, 우주의 대부분을 차지하는 암흑물질과 암흑에너지 부분은 아직까지 풀지 못했다. 그러니까 우주 속 물질과 에너지의 밀도 전체에서 우리가 아는 것은 5퍼센트 남짓뿐이다.
또 한 가지 천체물리학이 우리에게 알려준 주목할 만한 사실은 우리의 시간과 공간에 대한 통상적인 관념이 보편적인 타당성을 지니지 못한다는 점이다. 공간과 시간은 고전역학이 말하는 것처럼 고정되어 있지 않으며, 영원하지도 않고, 무한히 펼쳐져 있는 것도 아니며, 일정하게 흘러가는 것도 아니다. 빅뱅 모형이 옳다면, 공간과 시간은 빅뱅으로 인해 우주와 함께 발생한 것이다. 즉 시공 자체가 140억 년 전에 탄생했다면, 시공은 영원히 존속하는 것이 아니고, 시공에 대한 우리의 직관은 절대적으로 주어진 것이 아니라 우주의 진화 과정에서 생성된 것이다. 우리는 과학을 통해 일상 경험과 대비되는 지식을 얻었으며, 그 지식은 우리는 일상 경험 너머로 이끌고 있다. 그러면 시공이 생성하고 소멸된다면, 공간과 시간 바깥의 구조들은 존재하는 것일까? 이 질문들은 우리 인식의 한계를 명확히 드러내는 부분이다.
우주의 조화는 믿을 수 없을 정도로 심오하다. 겨우 원자만한 크기의 구역에서 10만 광년 크기의 은하와 별들이 탄생했다. 정말 환상적이지 않는가. 지구의 탄소와 산소 원자들이 모두 어느 별에서 만들어져서 수십 억 년의 역사를 거쳐 태양계에 도달해 우리 몸을 이루는 원자가 되었다. 이 원자의 역사 역시도 경이롭지 않은가. 이에 저자는 “우리의 물질적 존재는 빅뱅까지 거슬러 올라간다”라면서 “우리는 말 그대로 별들의 찌꺼기로 이루어졌다”는 사실을 감동적으로 전한다.
세계를 이루는 가장 작은 것들과 양자세계의 경이로움
물질을 계속 쪼개면 무한히 쪼개질까, 아니면 언젠가 가장 작으며 쪼갤 수 없는 단위인 기본입자에 도달할까? 과학자들은 물질의 궁극적인 기초를 찾기 위해 분자로, 원자로, 전자와 원자핵으로, 원자핵을 양성자와 중성자로 쪼갰으며, 더 나아가 양성자와 중성자가 쿼크로 이루어졌을 가능성이 매우 높다는 것을 밝혀냈다. 양성자와 중성자를 실제로 쪼개어 개별 쿼크들이 방출되게 만드는 작업은 아직까지 성공하지 못했지만 말이다.
저자는 ‘세계를 이루는 가장 작은 것들’을 찾기 위한 과학 지식이 과연 어디까지 도달했는지를 살펴보기 위해 힉스 장의 의미, 표준모형이 지닌 결함, 대통일이론(GUT)을 향한 시도, 기본입자들이 끈모양이라고 주장하는 초끈이론의 성과와 과제 등을 두루 짚어나간다.
고전역학은 우리의 일상생활을 설명하는 데엔 큰 무리가 없다. 그러나 원자보다 작은 세계로 들어갔을 때 고전역학은 제대로 작동하지 않는다. 미시세계에서는 오히려 양자역학이라는 새로운 이론적 틀이 훨씬 유효하다. 놀라운 점은 우리의 견고한 일상세계를 떠받치고 있는 기반이 비물질적인 장들과 입자들이며, 그것들은 객관적으로 기술할 수 없는 방식으로 양자역학에 따라 행동한다는 점이다. 그 입자들과 장들의 양자역학적이고 예측 불가능한 행동은 세계가 관찰자에 의존하지 않고 객관적으로 존재한다는 생각조차 의심하게 만들고 있다.
이 양자세계가 일상세계와 어떻게 연결되는지는 아직 밝혀지지 않았다. 우리는 물리학이 아직 완전한 물리학적 세계상을 구성하지 못했기 때문에 잠정적인 중간 결과에 만족해야 한다. ‘만물의 이론’, 즉 자연계의 네 가지 힘인 전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용, 중력을 하나로 통합하는 가상의 이론도 완성될지 미지수다.
저자는 “만물의 근원을 파헤치는 것으로부터 얻을 수 있는 놀라운 세계관은 물질적인 대상은 덧없고, 가변적이며, 영속하는 것은 오로지 장과 같은 추상적인 구조나 끈과 같은 형상이라는 것이며, 겉으로 굳건해 보이는 우리의 세계는 불확실하고 흔들리는 토대 위에 있다”라고 지적한다.
과학과 종교가 맞닿는 자리, 그곳은...
우주는 어떻게 시작되었을까? 우주의 시작에 대한 모든 사변들은 사실 물리학이 넘보아서는 안 되는 영역이다. 그러나 거시적인 우주, 기본입자들의 세계, 양자물리학의 세계라는 이 세 가지 주제들은 우리는 과학 바깥으로 자꾸 이끈다.

목차
제1부 들어가는 글
1 경이로운 우주
2 배후에 무언가 있을까?
제2부 거시세계 -빅뱅에서 블랙홀까지
1 직접적인 경험 - 사고실험
2 우주과학
밤의 어둠/ 별의 일생/ 은하/ 우주의 크기와 우주배경복사/ 우주모형/가속팽창/ 휘어진 공간/ 적색편이와 시간적 진화/ 시간을 축소하여 표현한 우주의 진화
3 우주 속 구조들의 발생
중수소, 헬륨, 리튬/ 구조 형성/빛나는 물질/ 은하 속의 암흑물질/ 은하단 속의 암흑물질/ 비중입자 암흑물질)/ 은하의 형성/암흑 무리와 빛나는 은하/ 별과 원소들
4 우주배경복사
초기 우주 속의 소리진동들/ 암흑물질과 암흑에너지/ 5퍼센트의 효과
5 최초의 1초
급팽창모형/ 시초
6 인본 원리
7 종말은 어떠할까?
8 극적인 시간과 공간 - 빅뱅과 블랙홀
공간과 시간/ 중력/ 블랙홀/ 중력붕괴/ 블랙홀을 관찰할 수 있을까?/ 양자이론과 블랙홀
9 공간과 시간은 발생하고 소멸한다
제3부 만물의 궁극적 토대 - 양자 세계와 기본 입자들
1 물질의 근본 요소
2 기본입자들의 상호작용
3 양자장이론
4 근본적인 힘들
5 기본입자
힘 전달 입자/ 경입자/ 쿼크
6 대칭성과 보존법칙
7 상호작용들의 통일
자발적 대칭성 붕괴/ 전기약력/ 강한 상호작용/ “표준모형”/ 대통일이론
8 만물의 이론을 찾아서
초끈이론/ 안정적인 장과 덧없는 물질
9 양자세계의 경이로움
입자, 파동, 장/슬릿에서의 굴절/ 입자 개념의 변화-하이젠베르크의 불확정성의 원리/ 양자이론은 어떤 실재를 기술하는가?/ 조심하세요, 수학입니다!/ 해석의 시도들/ EPR 역설/ 초월자?
10 부록
얽힌 상태/얽힌 상태를 만드는 방법/ 아스페 실험/ 원격이동/ 양자 암호기술/ 양자컴퓨터
제4부 한계의 설정과 초월
1 자연과학적 세계상의 의미
2 자연과학과 종교가 맞닿는 자리
3 생명의 발생
의식
4 우주과학적 논증
5 세계는 계획에 따라 진화하는가?
6 창조원리
7 요약
참고문헌/ 옮긴이의 말/ 찾아보기