제네시스

귀도 토넬리 지음 | 김정훈 옮김

쌤앤파커스 2024년 03월 08일 출간 종이책 : 2024년 02월 22일 출간

작품소개

책소개

힉스 보손을 발견한 세계적인 실험 물리학자 귀도 토넬리가 물리학에서 최근 발견된 사실들을 바탕으로 우주 탄생의 중요한 7가지 순간을 이야기한다.
우주 탄생의 첫 순간에 무슨 일이 일어났는지 이해하려면, 우리는 현재 물질의 작은 조각을 아기 우주 때의 매우 높은 온도로 되돌리는 방법을 찾아야 한다. 일종의 시간 여행을 시도하는 것이다. 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC) 실험을 통해 동면 중이던 입자들이 한순간 다시 나타났고, 이로써 138억 년 동안 잠들어 있던 입자 한 줌이 깨어났다. 귀도 토넬리가 발견한 ‘힉스 보손’이 바로 그것이다.
이 책 ≪제네시스≫는 우주 전체이자 시작인 이 입자에서 출발하여, 시공간의 탄생, 진공 상태로부터 어떻게 우주 전체가 만들어졌는지, 현재와 같은 광활하고 다양한 모습의 우주로 진화하는 과정, 오늘날의 다중우주 이론과 외계 은하에 이르기까지…. ‘우주’와 ‘시공간의 기원’에 대한 답을 찾는 7일간의 여정으로 우리를 이끈다. 저자는 “이 여정에서 우리는 ‘모든 것의 시작’을 목격할 수 있을 것이고, 이는 세상에 대한 우리의 관점을 영원히 바꾸어놓게 될 것이다.”라고 말한다.

목차

프롤로그/ 세상에서 정말 중요한 것을 이해하려는 노력
우리의 관점을 영원히 바꾸어놓는 세상
태초에 진공이 있었다
첫째 날/ 터져 나오는 숨결이 첫 번째 경이로움을 낳다
둘째 날/ 섬세한 손길이 모든 것을 변화시키다
셋째 날/ 불멸자들의 탄생
넷째 날/ 그리고 마침내 빛이 있었다
다섯째 날/ 첫 번째 별에 불이 켜지다
여섯째 날/ 혼돈이 질서로 위장하다
일곱째 날/ 복잡한 형태의 무리
우리를 인간으로 만드는 것
에필로그/ 우리의 가장 깊은 뿌리 그리고 미래
감수의 글/ 우주 탄생, 그 7일간의 이야기

책 속으로

자, 우리 앞에는 진공이라는 매우 독특한 물리 시스템이 펼쳐져 있습니다. 사실 이 시스템은 오해의 소지가 있는 이름과는 달리, 텅 비어 있지 않습니다. 물리법칙에 따라 엄청난 속도로 나타났다 사라지는 가상 입자로 채워져 있으며, 0을 중심으로 끊임없이 변동하는 에너지 장으로 가득 차 있습니다. 진공이라는 이 거대한 은행에서는 누구나 에너지를 빌릴 수 있으며, 빚이 많을수록 더 짧은 삶을 살게 됩니다. 물질적 우주는 이러한 시스템, 이러한 극심한 변동에서 발생할 수 있는 것입니다. 사실상은 여전히 진공에 불과하지만 그래도 놀라운 변모를 겪은 우주 말입니다. pp.47-48 태초에 진공이 있었다

별이 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 풍부하고 명료한 언어로 자신의 이야기를 들려준다는 사실은 이미 오래전부터 알려져 있었습니다. 이윽고 가장 강력한 광학 망원경에, 가장 깊은 우주를 향한 거대한 접시가, 즉 미지의 별이나 먼 은하에서 방출되는 전파 신호를 듣기 위한 거대한 귀가 더해졌습니다. 전파 천문학이 탄생한 것이죠. 이로써 우리는 특징적인 전파 신호를 내보내는 신비로운 천체들을 발견할 수 있었고 이에 펄서나 퀘이사와 같은 이국적인 이름을 붙이게 되었습니다. 일부 현상의 배후에는 물질의 새로운 응집 상태가 있다는 것을 이해하려면 수십 년의 연구가 필요할 것입니다. 가령 거대한 천체의 중심부에서 포효하는 중력의 힘 때문에 물질이 극도로 미세한 성분으로 부서져 엄청난 밀도의 중성자별이나 블랙홀이 만들어지는 것과 같은 일 말입니다. pp.64-65 태초에 진공이 있었다


주체할 수 없는 숨결의 개입으로 그 거품은 과도하게 커집니다. 불확정성 원리의 엄격한 의식에 따라 차분하게 질서 있게 요동치던 극미한 물체가, 갑자기 발작적으로 부풀어 오르기 시작합니다. 그 압도적인 광란은 주변의 진공을 집어삼켜 동일한 메커니즘 속으로 끌어들입니다. 모든 것이 너무도 빨라서 무슨 일이 일어났는지 정확히 보려면 초고속 카메라가 필요할 정도입니다. 그러나 어떤 장비도 그러한 급속한 변화의 세부를 포착할 정도로 빠르게 촬영할 수 없습니다. 그런 다음 갑자기 모든 것이 진정되고, 이제 자신의 고유한 생명을 가진 듯이 보이는 이상한 것이, 비록 엄청나게 줄어든 속도이지만, 계속 확장됩니다. 이렇게 해서 우리는 우리의 우주가 탄생하는 것을 목격했습니다. 첫째 날이 끝났고, 다음 138억 년 동안 진화하는 데 필요한 모든 것을 이미 갖춘 우주가 탄생했습니다. p.86 첫째 날 터져 나오는 숨결이 첫 번째 경이로움을 낳다

우리는 빅뱅이 일어난 지 1,000억 분의 1초 후에 이르렀고, 이 순간부터 모든 것이 훨씬 더 명확해집니다. 힉스 보손을 발견하고 그 질량을 측정한 이후로, 이 이야기에 이제 비밀이 거의 없습니다. 갓 태어난 우주는 이미 거대합니다. 10억km라는 상당한 크기에 도달했습니다. 온도가 특정 임계값 이하로 떨어지자 방금 전까지만 해도 자유롭게 돌아다니던 힉스 입자가 갑자기 응결되어 결정화됩니다. 응결 온도가 되자 힉스 입자는 살아남지 못하고 진공이라는 편안한 무덤 속으로 숨어버립니다. 그들을 다시 볼 수 있기까지는 많은 인내가 필요할 것입니다. 지구에 있는 누군가가 고에너지 충돌을 일으켜 그들을 단 1초도 안 되는 순간 동안만이라도 다시 살려낼 때까지 138억 년을 기다려야 할 테니까요. p.118 둘째 날 섬세한 손길이 모든 것을 변화시키다

우주의 모든 원시핵이 형성되는 데는 3분밖에 걸리지 않습니다. 3분이 지나면 온도와 밀도가 더 이상 핵반응을 유지할 만큼 높지 않게 됩니다. 이는 좋은 일이 될 것입니다. 이 과정이 너무 오래 지속되었다면 우주는 더 무거운 핵을 만들기 위해 많은 양의 자유양성자를 소비했을 것이기 때문입니다. 10분만 지속되었더라도 거의 모든 수소가 사라졌을 것입니다. 우주에 헬륨이 풍부하다는 것은 빅뱅 이론의 또 다른 확증이 됩니다. 이 원소는 별의 중심부에서도 생성되지만 원시 헬륨이 없다면 합계가 맞지 않을 것입니다. 우주의 모든 별이 140억 년 동안 수소를 태우더라도 측정된 양만큼 풍부하게 헬륨을 생산할 수는 없을 것입니다. 이때 생성된 핵은 수십억 년 동안 변하지 않았고 오늘날에도 우주에 존재하는 핵의 대부분을 이루고 있습니다. 그리고 훨씬 뒤에 가장 무거운 별의 거대한 핵 용광로에서 탄생할 주기율표의 무거운 원소들의 핵이 여기에 더해질 것입니다. pp.180-181 셋째 날 불멸자들의 탄생

여섯째 날이 시작되었습니다. 우주는 이제 무수히 많은 거대한 별들로 빛나고 있습니다. 별들은 우주적 규모로 보면 매우 빠른 주기로 세대를 거듭하며 증식합니다. 별들 중 하나가 죽을 때마다, 별을 둘러싸고 있는 이온화된 수소와 헬륨의 거대한 구름은 점점 무거운 원소로 풍부해져, 가스와 먼지의 커다란 성운이 사방에 퍼지고, 그 성운은 다시 더 작고 수명이 긴 새로운 세대의 별을 낳습니다. 중력은 거대한 암흑 물질 주위에 형성된 이러한 물질 덩어리에 천천히 작용합니다. 질량 면에서 훨씬 압도적인 덩어리들은 진정한 퍼텐셜 우물을 생성하여 별과 가스, 먼지가 그 속으로 빨려들어갑니다. 모든 것이 그 속으로 곤두박질치는 이 무無는 모든 것을 가차 없이 끌어당기는 보이지 않는 어둠의 심장입니다. p.249 여섯째 날 혼돈이 질서로 위장하다

구름이 뜨겁고 계속 팽창하는 한, 이 거대한 구름을 응집시킬 수 있는 것은 아무것도 없습니다. 그러나 점차 냉각되고 속도가 감소함에 따라, 중력이 팽창력을 압도하고 물질 덩어리 주위에 더 크고 무거운 응집 중심을 형성합니다. 이제 가스와 먼지로 이루어진 커다란 원반이 형성되어 중심 주위를 돌고, 중심에서 질량의 대부분이, 특히수소가 밀집됩니다. 은하 내부에는 은하의 미니어처가 형성됩니다. 큰 구름의 일부가 자체 중력의 힘으로 붕괴되어 중심에서 별이 탄생하는 태양 성운이 형성되고, 그 주변에는 일종의 강착 원반이 형성되는데, 다양한 고리에 분포된 다른 더 작은 응집 중심들이 구분될 수 있는 형태로 형성되는 것입니다. 이른바 원시행성계 원반이죠. 갑자기 태양이 빛나기 시작하고 거대한 가스 행성들이 형성될 것입니다. 그런 다음 더 천천히 그리고 더 거친 경로를 따라 가장 안쪽 궤도의 암석 행성들이 모일 것입니다. pp.282-283 일곱째 날 복잡한 형태의 무리

출판사 서평

갓 태어난 우주의 첫 울음소리를 듣는
두 가지 방법

인간이 끊임없이 궁금해하고 알아내고 싶어 하는 우주의 시작, 그러니까 시공간의 탄생은 어떻게 관측할 수 있을까? 이에 대한 실험은 서로 완전히 독립적인 두 가지 방법으로 진행된다. 무한히 작은 것을 탐구하는 입자 물리학으로의 접근과 초거대 망원경을 사용해 무한히 큰 우주를 탐사하고 우주 전체까지 관측하는 시도다. 놀라운 점은 무한히 작은 입자의 세계에서 수집된 데이터와 천문학적 규모의 먼 거리에서 수집된 데이터가 동일한 이야기로 수렴한다는 점이다.
세계적인 실험 물리학자 귀도 토넬리의 첫 책 ≪제네시스≫는 우주의 전체이자 시작을 품은 채 138억 년 동안 잠들어 있던 한 줌의 작은 입자로부터 시작한다. 그 출발점에는 물질, 즉 암석과 행성, 꽃과 별 등 우리를 포함한 모든 것을 형성하는 물질이 특별한 성질을 가지고 있다는 사실이 있다. 이는 우주가 매우 오래되었고 현재 엄청나게 차가운 구조라는 사실과 관련이 있다. ‘우리 집’ 지구에 고립된 우리로서는 모든 것이 따뜻하고 편안해 보이지만, 대기의 보호막을 벗어나자마자 온도는 급락한다. 희박하고 매우 오래되었으며 차가운 현재 우주의 물질은, 엄청나게 높은 밀도로 작열하는 물체였던 아기 우주 때의 물질과 완전히 다르게 행동한다.
그렇다. 우주 탄생의 첫 순간에 무슨 일이 일어났는지 이해하려면, 우리는 현재 물질의 작은 조각을 원래 조건의 매우 높은 온도로 되돌리는 방법을 찾아야 한다. 일종의 시간 여행을 시도해야 하는 것이다. 이것이 바로 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 일어나는 일이다. 이 기계로부터 원시우주와 비슷한 온도로 가열하여 멸종된 입자를 다시 살려낼 수 있다.

“여기에서 공간의 작은 부분을 원시우주와 비슷한 온도로 가열하여 멸종된 입자를 다시 살려낼 수 있습니다. 태초의 작열하는 물체를 채우고 있다가 이미 오래전에 사라진 극대 입자들을 되살리는 것입니다. 가속기 덕분에 입자들이 마치 얼음 석관에서 동면 중이다가 깨어난 것처럼 한순간 다시 나타나 우리가 이를 자세히 조사할 수 있게 됩니다. 힉스 보손도 이런 식으로 발견한 것이었습니다. 우리는 138억 년 동안 잠들어 있던 입자 한 줌을 다시 깨워냈습니다.” _본문 중에서

이 책의 저자 귀도 토넬리는 바로 이 ‘신의 입자’라 불리는 힉스 보손(우리 우주를 구성하는 가장 근본적인 입자) 발견의 중심에 있었다. 그는 이 발견을 통해 현대 물리학으로 우주를 설명하는 데 있어 가장 중요한 역할을 해냈다.
귀도 토넬리는 힉스 보손의 발견으로부터 우주의 시작과 시공간의 탄생, 진공 상태로부터 어떻게 우주 전체가 만들어졌는지, 현재와 같은 광활하고 다양한 모습의 우주로 진화하는 과정 등을 7일로 나누어 이 책에서 이야기한다. 우주 초기부터 최근까지 인간이 밝혀낸 것들 중 거의 모든 것들, 또 아직도 우리가 모르는 것들과 알아내고 있는 것들, 우주의 기원과 역사에 대한 다양한 인문학적 비유로 7일의 여정을 이끈다.

우주의 기원을 향한 여정,
모든 편견을 버려라

“우리는 이제 곧 세계의 기원을 향한 여정을 시작할 것입니다. 그러기 위해서는 사물의 지속성이나, 우리 주변의 조화로움을 목격할 때 느껴지는 안도감 등 우리의 일상을 이끄는 개념들을 즉시, 그리고 영원히 버려야 합니다. 모든 것이 질서정연하고 규칙적인 체계로 보이고 그와 대조되는 혼돈과 무질서는 멀리 구석으로 밀려나 있던 때와는 달리, 우리는 더 이상 우주를 ‘코스모스’라는 말로 부를 수 없게 될 것입니다.” _본문 중에서

우리는 습관적으로 보고 경험하는 것들에 크게 좌우되며 살기 때문에, 우리 삶을 지배하는 법칙이 우주의 다른 모든 구석에 널리 펴져 있는 법칙과 같을 것이라고 자연스럽게 생각한다. 낮과 밤, 달이 뜨고 해가 지는 것, 하늘에 떠 있는 별과 구름, 바람이 불고 파도가 치는 것…. 하지만 사실은 그렇지 않다. 오히려 그 반대다. 이 책은 우리가 잊고 사는 혹은 착각하고 있는 우주에 대한 ‘실제’를 이해하기 위한 여정, 그 자체가 될지도 모르겠다.
사실, 아름답고 반짝거리는 ‘코스모스’의 겉모습 아래 ‘카오스’가 숨어 있다는 것을 이해하기 위해서는 먼 은하까지 갈 것도 없다. 우리의 태양만 자세히 들여다봐도 된다. 평온하게 우리의 하루를 비춰주는 태양 가까이 가보면 무수한 열핵 폭발, 대류 운동, 엄청난 질량의 주기적 진동과 사방으로 뿜어지는 플라즈마로, 그야말로 ‘혼돈의 카오스’가 따로 없다. 이 혼돈도 멀리서 보면 질서정연하고 규칙적으로 보일 수는 있다.
무한히 작은 세계에서도 마찬가지다. 겉보기에 매끄럽고 광택이 나는 표면도 아주 자세히 보면 양자들이 미친 듯이 요동치고 진동하며 상호작용하고 있기 때문이다. 미시적 관점에서의 물질은 우연과 불확정성 원리가 지배하는 양자역학의 법칙을 따른다. 아무것도 가만히 있지 않고, 모든 것이 끊임없이 변화하는 다양한 상태와 가능성으로 부글거린다.
이 책 속 7일 동안 펼쳐지는 이야기에서 기본 입자 세계의 가장 작은 구석을 탐사할 때에도, 은하나 은하단과 같은 거대 구조, 별의 중심에서 일어나는 일을 관찰할 때에도 이와 같은 상호작용들을 우리는 계속해서 마주한다.
“우주의 탄생을 이해하려면 우리는 무엇보다도 질서에 대한 편견을 버려야 한다.”고 귀도 토넬리는 말한다. 이 여정에 필요한 것은 정말로 단 하나, ‘편견을 버리는 것’이다. 그렇게만 한다면, 우리는 이 책을 통해 공상과학소설조차 진부하게 보일 정도의 대담한 개념을 마주할 수 있을 것이다. 과학은 이 세상 그 어떤 것보다 풍부한 상상력과, 강력한 사실들로 우리의 기원을 이야기해줄 수 있기 때문이다. 그리고 이는 세상에 대한 우리의 관점을 영원히 바꾸어놓게 될 것이다.

작가정보

저자(글) 귀도 토넬리

귀도 토넬리 guido tonelli
‘신의 입자’라고 불리는 힉스 보손 발견에 핵심적인 역할을 한 이탈리아의 입자 물리학자.
현재 이탈리아 피사대학교의 일반 물리학과 교수이자, 유럽 입자 물리 연구소CERN의 선임 연구원이다. 고에너지 물리학 분야에서 일하며 힉스 보손을 비롯한 입자 물리학의 표준 모델, 초대칭 등 새로운 물리학 연구에 참여해왔다.
그는 2011년 CERN의 특별 세미나에서 힉스 보손의 존재에 대한 최초의 증거를, 2012년 힉스 보손이 관찰되었음을 CMS 실험의 대변인으로서 공식적으로 발표했다. 이 발견 덕분에 ‘입자 질량의 기원에 대한 근본적 이론’을 제시한 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 노벨 물리학상을 수상했다.
귀도 토넬리 또한 이에 대한 공헌으로 이탈리아 공화국 공로 훈장을 받았으며, 세계적인 업적을 세운 과학자에게 수여되는 엔리코 페르미상을 수상했다. 또 새로운 힉스형 입자를 발견한 실험에서 리더십을 발휘한 공로로 특별 기초 물리학상을 수상했다.
그는 이탈리아에서 획기적인 베스트셀러가 된 《제네시스Genesis》와 《템포Tempo》(2022), 《물질Materia》(2023) 등을 출간하였고, 그의 책은 전 세계 30개 국가에서 번역 출간되었다

번역 김정훈

옮긴이 김정훈
서울대학교에서 서양철학을 전공하고 고전어와 철학을 가르치고 있다. ≪나 없이는 존재하지 않는 세상≫, ≪죽음: 이토록 가깝고 이토록 먼≫, ≪우리와 그들의 정치≫, ≪보이는 세상은 실재가 아니다≫ 외 여러 권의 책을 옮겼다.