우주의 통찰

위대한 석학 21인이 말하는 우주의 기원과 미래, 그리고 남겨진 난제들

앨런 구스 , 존 브록만 지음 | 김성훈 옮김

와이즈베리 2016년 04월 06일 출간 종이책 : 2016년 02월 11일 출간

작품소개

책소개

엣지재단은 “세상에서 가장 비싼 주소록을 지니고 과학의 대중화를 위해 이를 이용”하는 지식의 전도사 존 브록만이 1996년 창립했으며, 스티븐 핑커, 대니얼 카너먼, 나심 탈레브, 재레드 다이아몬드 등 세상을 움직이는 학자, 사업가, 예술가, 기술자들이 이곳에 모여 학문적 성과를 나누고 지적 탐색을 펼치고 있다. [베스트 오브 엣지] 시리즈는 존 브록만이 그동안 엣지의 지적 성과를 담은 인터뷰, 기고문, 강연문 등의 글들을 편집하여 마음, 문화, 생각, 우주, 생명의 다섯 분야로 집대성한 것이다.

목차

서문

1. 우주론의 황금시대 _앨런 구스
2. 순환우주론 _폴 스타인하르트
3. 급팽창 우주 _앨런 구스
4. 풍선을 만드는 풍선을 만드는 풍선 _안드레이 린데
5. 브레인이론 _리사 랜들
6. 순환우주 _닐 투록
7. 우주는 왜 지금의 모습이 되었을까? _션 캐럴
8. 매트릭스 안에서 _마틴 리스
9 자연에 대한 생각 _리 스몰린
10풍경 _레너드 서스킨드
11 인간원리 논쟁 _리 스몰린 vs 레너드 서스킨드
12 과학에서 중요한 것은 확실성이 아니다 _카를로 로벨리
13 텅 빈 공간의 에너지는 0이 아니다 _로렌스 크라우스
14 아인슈타인: 엣지 심포지엄 _브라이언 그린, 월터 아이작슨, 폴 스타인하르트
15 아인슈타인과 푸앵카레 _피터 갤리슨
16 우주를 더 큰 척도에서 생각하기 _라파엘 부소
17 양자 원숭이 _세스 로이드
18 노벨상, 그리고 그 이후 _프랭크 윌첵
19 반딧불이가 뭐 중요하다고 _스티븐 스트로가츠
20 구성자이론 _데이비드 도이치
21 거칠기이론 _브누아 망델브로

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책 속으로

최근의 관찰을 통해 우주의 팽창 속도가 오히려 빨라지고 있음이 발견됐다. 이것은 우주의 에너지가 대부분 물질도, 복사도 아니라는 것을 의미한다. 또 다른 형태의 에너지가 물질과 복사를 추월한 것이다. 마땅히 더 나은 용어가 없어서 우리는 이 새로운 에너지 형태를 암흑에너지라 칭했다. 암흑에너지는 우리에게 익숙한 물질이나 복사와 달리 스스로를 밀어내는 중력으로 작용한다. 이것이 바로 우주의 팽창이 느려지지 않고 오히려 빨라지는 이유다. 뉴턴의 중력이론에서 모든 질량은 서로 끌어당기는 중력으로 작용하지만, 아인슈타인의 중력이론에서는 스스로를 밀어내는 중력으로 작용하는 에너지 형태가 허용된다. -32p

급팽창이론은 우주를 팽창하게 만든 것이 무엇인지 설명할 뿐만 아니라 그와 동시에 사실상 모든 우주 물질들의 기원도 함께 설명한다. 내가 ‘사실상’이라는 수식어를 사용한 이유는 전형적인 급팽창이론에서는 처음에 시작할 때 1그램 정도에 해당하는 물질이 필요하기 때문이다. 따라서 급팽창이론은 궁극적인 시작에 관한 이론이라기보다는 거의 무(無)의 상태에서 출발해서 우리가 지금 주변에서 보고 있는 거의 모든 것을 설명하는 진화이론이라고 할 수 있다. -46p

급팽창이론에서 가장 중요한 예측 중 하나는 양자요동이론이라는 점을 짚어두고 넘어가야겠다. 은하를 탄생시킨 것은 결국 이 양자요동이다. 이 점을 생각해보자. 만약 급팽창이 불균질성을 만들어내지 않았더라면 급팽창이 폭발적으로 일어나면서 우주는 거의 완전하게 균질해졌을 것이고, 이것으로 게임은 그냥 끝나고 말았을 것이다. 은하도 나타나지 않았을 것이고, 결국 생명도 나타나지 않았을 것이다. 우리는 완전히 균일한 우주에서는 살 수 없다. 이런 우주는 말 그대로 텅 비어 있기 때문이다. -80~81p

순환우주론의 밑바탕에 깔려 있는 개념은 우리가 경험하는 세상, 즉 3차원의 공간이 사실은 하나의 막이라 상상할 수 있는 넓게 펼쳐진 존재(extended object)라는 것이다. …… 이 그림에 따르면 우리는 이런 막 중 하나의 위에 살고 있고, 이 막은 혼자 있지 않고 또 다른 짝을 갖고 있다. 그리고 이 짝은 아주 작은 간극을 두고 떨어져 있다. 막 안에는 3차원의 공간이 들어 있고, 두 막을 4차원이 떨어뜨려놓고 있다. -133p

우리가 상상할 수 있는 가장 복잡한 존재는 유기체의 생명이 아니라 일종의 하이퍼컴퓨터일지도 모른다. …… 이 슈퍼컴퓨터, 혹은 하이퍼컴퓨터는 실체의 간단한 부분만이 아니라 전체 우주의 커다란 부분을 시뮬레이션할 수 있는 능력을 갖게 되리라는 점이다. 그렇다면 당연히 이런 의문이 뒤따른다. 만약 이런 시뮬레이션이 우주 그 자체보다 훨씬 많은 숫자로 존재한다면, 우리가 그중 어느 하나에 들어가 있을 가능성은 없을까? 우리는 자신을 견고한 물리적 실체의 일부라고 생각하는데, 그게 착각이 아닐까? 혹시 우리가 어떤 신, 이를테면 그 시뮬레이션을 가동하고 있는 존재의 마음속에 들어 있는 개념에 불과한 것은 아닐까? 한 우주 속에 그런 시뮬레이션을 가동하는 수많은 컴퓨터가 들어 있는 경우처럼, 만약 시뮬레이션의 숫자가 우주의 숫자보다 많다면 이런 의미에서 우리는 ‘인공생명’일 가능성도 있다. -164~165p
우리가 바라보는 별들은 과거의 모습이다. 우리는 미래로부터 오는 빛은 결코 볼 수 없다. 우리는 미래에 존재하는 항성으로부터 날아오는 별빛을 볼 수 없다. 우리는 미래에 일어나는 초신성 폭발이 시간을 거슬러 우리에게 보내는 복사를 결코 볼 수 없다. 그런데 빛의 전파를 지배하는 법칙인 맥스웰 방정식은 시간에 대해 가역적이다. 따라서 미래에 발생하는 사건으로부터 전파되는 빛을 포함하는 해(solution)를 가지고 있다. 그리고 과거의 우리가 관찰할 수 있도록 정보와 에너지를 과거로 전파하는 해도 존재한다. 이런 해가 우리가 사용하는 해의 종류만큼이나 많이 존재한다. 따라서 이 법칙은 시간에 대칭적이다. 하지만 이것을 자연에 적용하면 이런 해가 대부분 버려진다. 미래에서 과거로 전파되는 무언가가 존재하는 기미가 보이면 그런 해를 모두 버리기 때문이다. -

출판사 서평

이 시대 최고 석학들의 지식 프로젝트 모임 ‘엣지(Edge)’에서 엄선한
인간이 알아야 할 가장 중요한 지식 시리즈, 베스트 오브 엣지 제4권 『우주의 통찰』
“지식의 최전선에 닿는 방법이 있다. 세상에서 가장 세련되고 정교한 지식을 가진 사람들을 한 방에 몰아넣은 다음 스스로에게 묻곤 했던 질문들을 서로 주고받게 하는 것이다. 그 방이 바로 엣지다.”
엣지재단은 “세상에서 가장 비싼 주소록을 지니고 과학의 대중화를 위해 이를 이용”하는 지식의 전도사이자, 이 시대 최고의 인문과학 도서 편집인으로 평가받는 존 브록만이 1996년 창립한 지식 공유 모임이다. 스티븐 핑커, 대니얼 카너먼, 나심 탈레브, 재레드 다이아몬드 등 세상을 움직이는 학자, 사업가, 예술가, 기술자들이 엣지에 모여 학문적 성과를 나누고 지적 탐색을 펼치고 있다. 〈베스트 오브 엣지〉 시리즈는 존 브록만이 그동안 엣지의 지적 성과를 담은 인터뷰, 기고문, 강연문 등의 글들 가운데 인간에게 가장 중요한 지식으로 손꼽히는 테마들을 편집해 마음, 문화, 생각, 우주, 생명의 다섯 분야로 집대성한 것이다. 〈베스트 오브 엣지〉 시리즈는 스티븐 핑커, 필립 짐바르도 등이 참여한 『마음의 과학』을 필두로, 재레드 다이아몬드와 데니스 더턴 등이 문화적 쟁점을 해부한 2권 『컬처 쇼크』, 대니얼 카너먼, 나심 탈레브, 대니얼 길버트 등이 심리, 의사결정, 문제해결, 예측 등 생각의 다양한 측면에 관한 연구 성과를 담은 3권 『생각의 해부』, 앨런 구스, 폴 스타인하르트 등이 우주의 기원과 진화에 대해 탐구한 4권 『우주의 통찰』에 이어, 프리먼 다이슨과 에드워드 윌슨 등이 생명통합과학의 세계를 소개한 5권 생명편이 차례로 출간될 예정이다. 이 책은 〈베스트 오브 엣지〉 시리즈의 제4권으로 ‘우주’에 관한 이 시대 가장 첨예한 이슈와 첨단 지식들을 다루고 있다.

“힉스입자 발견, 중력파 검출이 알려줄 우주의 비밀은”
우주론의 황금기를 이끌어온 석학 21인이 들려주는 우주의 기원과 진화에 관한 통찰
바야흐로 우주론의 황금시대다. 2012년 7월 유럽원자핵공동연구소(CERN)가 대형강입자충돌기 실험으로 힉스입자를 발견했다. 빅뱅 당시 질량이 없던 소립자에 질량을 부여하는 존재로 추측되며‘신의 입자’로 불리던 힉스입자의 발견은 우주의 기원 및 입자물리학 연구에 새로운 장을 열어주었다. 2016년 2월 12일, 고급레이저간섭계중력파관측소(LIGO) 연구단이 중력파 직접 검출에 성공했음을 공식 발표하며, 또 한 번 과학계가 들썩이고 있다. 중력파는 초신성 폭발이나 블랙홀 충돌 등 갑작스러운 중력 변화에 의해 발생하는 흔들림이 물결처럼 퍼져나가는 것인데, 중력파는 시공간을 일그러지게 만들며 빛의 속도로 우주 공간에 전달된다. 중력파는 빛과 달리 모든 물질을 통과하면서도 통과하는 물질에 의해 왜곡되지 않기 때문에 방출될 당시의 정보를 온전히 담고 있다. 따라서 전파망원경 등 기존의 관측장비가 가진 한계를 넘어서는 강력한 과학검증 도구가 될 수 있다. 중력파의 존재는 1915년 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예측되었으며 우주의 기원과 블랙홀을 설명할 중요한 실마리로 여겨졌는데 미해결 과제로 남아 있다가 1세기 만에야 그 봉인이 풀렸다.
중력파 발견의 쾌거는 아인슈타인의 일반상대성이론만 검증하는 데 그치지 않는다. 중력파의 존재는 MIT 물리학교수인 앨런 구스가 1980년대에 빅뱅이론의 난제들을 보완하여 만든 우주 기원 이론인 ‘급팽창이론’의 결정적 증거가 되며 우주론에 더 명확한 방향성을 부여해주기 때문이다. 이번에 밝혀진 중력파는 13억 년 전 쌍성 블랙홀 간의 충돌로 인해 발생한 중력파로, 2014년 남극의 바이셉2 망원경으로 우주배경복사에서 중력파를 검출해냈다고 발표했다가 해석 오류로 밝혀졌던 종류의 중력파, 즉 138억 년 전 빅뱅 당시에 검출된 것과 동일한 원천의 중력파는 아니다. 그러나 중력파의 검출 정밀도가 점점 정확해짐에 따라 빅뱅 당시의 중력파 관측 가능성 역시 높아지고 있으며, 급팽창이론은 다시금 주목받고 있다.
학문적으로 살펴보면, 우주의 기원·구조· 생성· 변화에 관한 과학을 다루는 우주론은 1980년대부터 30년간 황금기를 이어오고 있다. 2000년대 후반 이후로는 고감도 위성망원경 관측이나 대형강입자충돌기 실험처럼 우주 가설을 검증할 강력한 기기와 데이터가 등장하며 그 절정을 맞이하고 있다. 〈베스트 오브 엣지 시리즈〉 제4권 『우주의 통찰』은 앨런 구스를 비롯해 우주론의 황금기 30여 년을 이끌어온 대표 석학 21인이 직접 자신들의 주요 연구를 소개하고 우주 과학의 핵심 쟁점들을 논하며, 우주의 기원과 진화를 비롯해 여전히 풀리지 않는 우주론의 난제 등 우주에 관한 입체적인 지식과 통찰을 전해주는 책이다. 우주론은 물질의 최소 구성단위인 소립자의 역학을 다루는 입자물리학에서부터 별과 항성계의 물리적 상태를 연구하는 천체물리학, 천문학, 실험물리학, 응용수학, 과학철학 등등 다양한 학문적 성과가 어우러지는 분야다. 상대성이론부터 초끈이론, M이론, 고리양자중력이론에 이르기까지 현대 이론물리학 최전방의 논의들이 진행되는 분야이기도 하다. 『우주의 통찰』은 이렇듯 우주를 해석하는 다양한 결을 보여주기 위해 이론물리학, 천문학, 천체물리학, 응용수학, 양자공학 등 각 분야의 선구자 21인의 주요 연구와 핵심 이론을 아우르고 있다.

“우주는 왜 지금의 모습이 되었으며, 우주의 구성 법칙은 무엇인가?”
급팽창이론의 아버지 앨런 구스부터 끈이론의 제창자 레너드 서스킨드까지
우주과학 드림팀이 전하는 우주론의 쟁점
대표 저자 앨런 구스는 1980년대 우주론의 황금시대의 서막을 열었고, 가장 강력한 우주론으로 주목받고 있는 급팽창이론을 설명한다. 구스는 “빅뱅이론이 뱅(폭발)에 관한 이론이 아니라, 폭발이 남긴 여파에 대해서만 설명하는” 한계를 가지고 있었던 까닭에 “대체 무엇이 폭발했고, 무엇이 우주를 막대한 팽창의 시기로 이끌었는지”설명하기 위해 급팽창 개념을 도입했다고 이야기한다. 그리고 138억 년 전 초고밀도 초고온의 한 점에 불과하던 우주가 빅뱅 이후 빛의 속도보다 더 빠른 속도로 기하급수적으로 팽창(10의 34제곱분의 1초 만에 10의 25제곱 배 이상 팽창)하는 과정과 원리를 소개한다. 이를 통해 빅뱅이론에서는 해결하지 못했던 우리 우주의 특성인 균일성(우주는 거시적인 시점에서 보면 평균적으로 어느 방향에서나 균일하다) 및 평탄성(우주의 기하학적 구조는 매우 평탄하다)을 설명할 수 있게 된 배경, 급팽창으로 완전히 균일해져버릴 수도 있었던 우주가 양자요동으로 인한 미세한 질량밀도 불균형으로 인해 물질 및 은하계가 만들어진 메커니즘을 소개하며 독자들의 머릿속에 현대 우주론의 개념적 기둥을 세워준다.
급팽창이론의 경쟁 이론인 순환우주론의 선구자 폴 스타인하르트(급팽창 우주 모형의 초기 설계자이기도 하다)와 닐 투록은 이 책에서 우주의 진화가 순환적으로 이루어지는 원리를 설명한다. “우주가 뜨거웠다가 차가워지고, 밀도가 높아졌다가 낮아지고, 뜨거운 복사 상태에서 우리가 오늘날 바라보는 구조물로, 그리고 결국에는 텅빈 우주로 진화하는 시기를 거치”며 이 주기가 끊임없이 반복되는 것이다. 따라서 순환우주론에는 급팽창이론처럼 우주의 시작이 없으며, 우주의 시공간은 무한히 뻗어 있다. 급팽창이론과 순환우주론의 중요한 물리학적 차이는 바로, ‘중력파 존재의 유무’이다. “급팽창 모형의 요동은 중력파를 일으킬 정도로 빠른 속도의 격렬한 과정에서 만들어지는 반면, 순환 모형의 요동은 엄청나게 느리고 차분해서 중력파를 만들어내기에는 너무 약한 과정을 통해 만들어지기 때문”이다. 닐 투록은 앞으로의 중력파 실험을 통해 “우리 모형이 틀렸음이 입증될 수도 있다”며 과학자로서 겸허한 입장을 보여준다.
스탠퍼드대학 이론물리학자 안드레이 린데는 급팽창 다중우주론의 제창자로 다중우주의 개념을 설명해준다. “우주가 처음에 아주 아주 작기는 하지만 그래도 속성이 서로 다른 영역을 그 안에 담고 있다면 우주의 우리 영역이 기하급수적으로 폭발하면서 우주의 다른 영역은 더 이상 볼 수 없게 될 것”이라고 이야기하며 우리가 관찰할 수 있는 우주를 넘어 수많은 다른 우주가

작가정보

저자(글) 앨런 구스

저자 앨런 구스는 이론물리학자이자 우주론학자. 매사추세츠공과대학교 물리학과 빅토르 바이스코프(Victor F. Weisskopf) 교수. 백뱅이론의 문제점을 보완하며 초기 우주의 기하급수적인 팽창 과정을 설명해주는 우주론인 급팽창이론을 제창했다. 메사추세츠공과대학교에서 물리학 학사학위를 받고, 동 대학원에서 석사 및 박사학위를 받았다. 급팽창이론을 개척한 공로로 2012년 밀너재단이 수여하는 기초물리학상을 받았으며, 2014년에는 노르웨이왕립과학문학학회로부터 제2의 노벨상이라 불리는 카블리상을 수상했다. 저서로는 『인플레이션 우주: 우주의 기원을 설명할 새로운 이론을 찾아서』 등이 있다.

저자(글) 존 브록만

저자 존 브록만(John Brockman) (엮음)은 ‘지식의 지휘자’, ‘지식의 전도사’, ‘지식의 효소’. 모두 존 브록만을 수식하는 단어다. 엣지의 설립자이자, 리처드 도킨스, 스티븐 핑커, 재레드 다이아몬드 등 현대 과학의 선구자들을 상아탑에서 끌어내 대중과 소통하는 베스트셀러 작가로 탄생시킨 편집자 겸 출판사 브록만 사(Brockman Inc.)의 대표이기도 하다. 영국 일간지 《가디언》은 리처드 도킨스의 말을 빌려, “세상에서 가장 비싼 주소록을 지닌 존 브록만은 과학의 대중화를 위해 이를 이용한다.”고 소개했다. 저서로는 『디지털 시대의 파워 엘리트』『과학은 모든 의문에 답할 수 있는가』 등이 있으며 『위험한 생각들』『우리는 어떻게 과학자가 되었는가』 등을 편저했다.

번역 김성훈

역자 김성훈은 치과의사의 길을 걷다가 번역의 길로 방향을 튼 엉뚱한 번역가. 중학생 시절부터 과학에 대한 궁금증이 생길 때마다 틈틈이 적어온 과학 노트를 아직도 보물 1호로 간직하고 있다. 학생 시절부터 흥미를 느꼈던 번역 작업을 통해 이런 관심을 같은 꿈을 꾸는 사람들과 함께 나누기 원한다. 경희대학교 치과대학을 졸업했고, 현재 출판번역 및 기획그룹 바른번역 회원으로 활동 중이다. 역서로는 『인포그래픽으로 보는 우주 탄생의 비밀』 『퀀텀맨』 『수학의 비밀』 『정리하는 뇌』 『신의 호텔』 『편안함의 배신』 『우리 아이를 위한 내몸 사용설명서』 『뇌의 미래』 『의사들에게는 비밀이 있다』 『메이요 클리닉 이야기』 『위대한 수학』 『WOW!: 뱁티스트 헬스케어의 탁월한 서비스경영을 배우다』 『흥미로운 심해 탐사여행』 『동물학자 시턴의 아주 오래된 북극』 『글자로만 생각하는 사람 이미지로 창조하는 사람』 등이 있다.

감수 이명현

감수자 이명현은 초등학생 때부터 별에 빠져 별만 보고, 별 이야기를 부모와 동생들에게 끊임없이 하는 꿈꾸는 소년이었다. 별을 보기 위한 모든 활동에 가장 적극적인, 별과 UFO와 외계인에 빠진 소년은 결국 연세대학교 천문기상학과를 거쳐 네덜란드 흐로닝엔대학교에서 전파천문학으로 박사학위를 받았다. 일가를 이루고 부인과 아이들에게도 끊임없이 별 이야기를 해오고 있다. 아니, 이제는 그 영역을 넓혀 모든 사람들에게 별 이야기를 하며, 신문이나 잡지의 기고를 통해서 또는 책을 통해서도 끊임없이 별 이야기를 하고 있다. 2014년에는 우주적 감성 에세이 『이명현의 별 헤는 밤』을 출간했다. 그럴 뿐만 아니라 ‘한국 세티SETI’ 조직위원회에서 전파망원경을 이용해 우주로부터 오는 인공 전파를 포착해 외계의 지적 생명체를 아직도 찾고 있다. 그는 아직도 별에 미친, 별을 사랑하는 사람이다.