아는 만큼 보이는 세상: 우주 편

마쓰바라 다카히코 지음 | 송경원 옮김

유노책주 2024년 10월 14일 출간 국내도서 : 2024년 10월 14일 출간

작품소개

책소개

보통 ‘우주’라고 하면 무엇을 떠올리게 될까? 밤하늘에 반짝이는 별, 블랙홀, 인공위성, 그리고 우주를 배경으로 한 각종 SF 영화들일 것이다. 20세기 영화의 상징인 〈스타워즈〉부터, 최근에 가장 사랑받는 마블 영화들까지 우주를 배경으로 하거나 우주에 존재하는 다른 지적 생명체에 관한 이야기들은 언제나 많은 관심을 받아왔다.
그렇다면 대체 “우주란 무엇일까?” 수많은 과학자가 이 문제에 답하기 위해 오랜 세월 노력했지만, 아직은 이 질문에 명쾌한 답변을 하기는 어려워 보인다. 다만 모든 가능성을 열어 놓고 진실에 가까이 다가가고자 하는 수많은 노력은 분명히 존재한다.

이 책의 저자 역시 이 질문에 답하기 위해 수많은 노력을 해 온 연구자 중 하나이다. 우주라는 말의 어원부터 시작하여 고대의 우주관, 현대의 과학으로 증명할 수 있는 우주의 여러 현상, 그리고 검증되지는 않았지만 이론적으로는 가능한 우주에 대한 최신 이론까지, 이 책 한 권에 ‘우주의 정체’를 최대한 담기 위해 노력했다.
먼저 1장에서는 고대의 우주관부터 시작하여 지구의 탄생에 이르는 이야기를 담았다. 천동설이나 지동설과 같은 익숙하고 반가운 이름들을 가득 만나게 될 것이다. 2장에서는 우주의 팽창을 이야기한다. 우주가 팽창한다는 게 대체 무슨 말인지, 그것이 지구와 무슨 상관이 있는지 등등을 담았다. 3장에서는 누구나 한 번쯤 이름을 들어본 양자역학이나 슈뢰딩거의 고양이 등 우주를 이해하는 데 도움이 되는 이론을 맛보기로 살펴본다. 4장에서는 앞서 말한 마블 영화에 등장하는 평행세계, 즉 다중 우주에 관해 이야기한다. 아주 흥미로운 챕터가 될 것이다. 5장에서는 우주를 탄생시킨 아주 작은 변수들에 대해 설명한다. 어떻게 보면 운명이 정해져 있다는 사실을 과학적으로 증명하는 이야기가 될지도 모르겠다. 6장에서는 시간과 우주에 관한 이야기로 마무리한다. 우주 등을 이야기할 때 빼먹을 수 없는 타임머신에 관한 이야기도 있으니 놓치지 말길 바란다.

우주에 관한 이야기는 흥미로우면서도 막상 파고들면 너무 어려워 쉽게 손 놓게 되는 분야이기도 하다. 하지만 가능한 한 어려운 이야기는 쏙 빼고, 흥미로운 주제를 던져 이해하기 쉽도록 풀어 쓴 《아는 만큼 보이는 세상: 우주 편》과 함께라면 우주에 대한 환상을 지키는 것은 물론, 우주를 한층 더 과학적으로 이해하는 영역으로 한발 내딛을 수 있게 될 것이다.

목차

들어가는 글 ‘우주란 무엇인가’를 찾는 여정

CHAPTER 1 지구는 언제부터 둥글었을까?│우주의 탄생
우리가 몰랐던 지구의 진짜 모습 ㆍ 고대의 우주관
누구도 우주의 진짜 모습을 알 수 없는 이유 ㆍ 우주의 차원
모든 것은 지구를 중심으로 돈다는 생각 ㆍ 천동설
“그래도 지구는 돈다!” ㆍ 지동설
과연 우주는 끝이 없을까? ㆍ 무한 우주론
기차에서 발견하는 우주의 비밀 ㆍ 지동설의 증거
제2의 지구는 정말로 있을까? ㆍ 외계 행성의 발견
왜 별이 있는데도 밤하늘이 어두울까? ㆍ 올베르스의 역설
우주에는 한계가 있다는 증거 ㆍ 우주팽창
변하는 것과 결코 변하지 않는 것 ㆍ 빛의 속도와 상대성 이론
차원은 ‘이것’으로 구부러져 있다 ㆍ 중력의 정체
아파트 고층에 살면 더 빨리 늙을까? ㆍ 시간의 왜곡
만약 지구에 중력이 없다면? ㆍ 무중력 상태

CHAPTER 2 우주는 지금도 풍선처럼 부풀고 있다?│우주의 구조
우리가 볼 수 있는 최대한의 우주 ㆍ 우주의 지평선
우주는 매일매일 커진다! ㆍ 급팽창 이론
우주가 맑아지자 생겨난 일 ㆍ 우주의 맑게 갬
불균형이 만들어 낸 균형 ㆍ 우주 마이크로파 배경 복사
별은 어떻게 만들어졌을까? ㆍ 암흑 물질
우리의 은하는 어떻게 생겼을까? ㆍ 은하
암흑 에너지가 우주를 살찌운다고? ㆍ 우주 가속 팽창과 암흑 에너지
“우리는 별들로부터 만들어졌다” ㆍ 백색왜성과 초신성 폭발
왜 우주가 거품처럼 생겼다고 주장할까? ㆍ 우주의 거대구조
우주에는 정말 끝이 없을까? ㆍ 우주의 지평선과 관측 범위

CHAPTER 3 슈뢰딩거의 고양이는 살아 있는 걸까?│우주와 양자역학
우주를 파악하는 새로운 학문의 등장 ㆍ 양자역학
빛은 입자일까, 파동일까? ㆍ 빛의 정체
에너지와 진동을 연결하는 마법의 숫자 ㆍ 플랑크 상수
전자는 어디에 있을까? ㆍ 원자와 파동함수
상자 안의 고양이가 살아 있으면서 죽어 있다니? ㆍ 슈뢰딩거의 고양이
아인슈타인이 으스스한 원격 작용이라고 말한 ‘이것’은? ㆍ 양자 얽힘
세계에서 가장 빠른 컴퓨터의 탄생 ㆍ 양자 컴퓨터
우주는 ‘무’에서 탄생했다는 믿음 ㆍ 빌렌킨 가설
우리도 벽을 통과할 수 있게 된다고? ㆍ 양자 터널 효과
이미 존재하는 우주에서 우주가 탄생했다면? ㆍ 에크로파이로틱 우주론

CHAPTER 4 어쩌면 ‘또 다른 나’가 존재할지도 모른다?│우주와 평행세계
“우리의 우주는 사실 별사탕 모양이다!” ㆍ 우주의 균일과 비균일
우주의 탄생을 이해하기 위한 노력들 ㆍ 빅뱅과 급팽창 이론
왜 우주가 하나가 아니라는 걸까? ㆍ 카오스적 급팽창
무한히 펼쳐지는 우주에는 무수히 많은 내가 존재한다? ㆍ 다중 우주
모두의 힘을 하나로 만든 이론 ㆍ 우주에 존재하는 네 가지 힘
“우리가 사는 우주는 사실 10차원이다!” ㆍ 끈 이론
우리의 물리 법칙과 완전히 다른 우주의 존재 ㆍ 랜드스케이프 우주
서로 다른 차원으로는 영원히 갈 수 없다고? ㆍ 브레인 우주
존재할 수 있지만 존재하지 않는다는 말의 뜻 ㆍ 괴델의 불완전성 정리
가능한 확률과 불가능한 확률이 공존한다면? ㆍ 양자론의 해석 문제
양자론 해석의 양대 산맥 ㆍ 코펜하겐 해석과 다세계 해석
“인간이 우주를 보아야 우주도 존재한다!” ㆍ 참여적 인류 원리
이 세상은 진짜일까? ㆍ 시뮬레이션 가설

CHAPTER 5 운명은 정해져 있다는 과학적인 근거│우주와 매개변수
우주는 여러 기적이 겹쳐야만 탄생한다 ㆍ 다중 우주론
중력이 딱 지금과 같은 힘을 가진 이유 ㆍ 매개변수
중력이 지금보다 강하면 생기는 일 ㆍ 중력 상수
만약 빛의 속도가 지금보다 느려지면 어떻게 될까? ㆍ 빛의 속도
원자 크기의 미시 세계에서 일어나는 일 ㆍ 미시 세계와 플랑크 상수
길이, 질량, 시간을 모두 가지게 되면? ㆍ 플랑크 척도
삼각관계의 미묘한 균형이 빚어낸 세상 ㆍ 전자, 양성자, 중성자
별이 핵융합하며 벌어진 엄청난 사건 ㆍ 중수소
생명체에게 유리한 물의 특수 성질 ㆍ 물의 비열
측정하지 않고도 정답을 내놓은 천재의 이야기 ㆍ 삼중 알파 과정
우주의 나이가 1,000억 살이 넘으면? ㆍ 강한 인류 원리와 약한 인류 원리
“우주의 목적은 인간을 탄생시키는 것이다!” ㆍ 강한 인류 원리
2차원에서는 인간에게 어떤 일이 벌어질까? ㆍ 차원 수에 따른 예측
존재하는데도 볼 수 없는 것 ㆍ 타키온 입자
아인슈타인의 일생일대 실수가 없으면 안 되게 된 이유 ㆍ 우주항과 우주 상수

CHAPTER 6 과거나 미래로의 시간 여행은 가능할까?│우주의 미래
다시, 우주란 무엇인가 ㆍ 시간과 공간
로켓을 타고 미래로 갈 수 있을까? ㆍ 타임머신
시공간을 초월하는 방법 ㆍ 웜홀과 블랙홀
과거로 돌아가도 미래를 바꿀 수 없다고? ㆍ 시간 역설
선택할 때마다 새로운 우주가 하나씩 탄생한다 ㆍ 평행 우주
거시 세계와 미시 세계를 모순 없이 묶는 법 ㆍ 양자중력론
시간은 인간이 발명한 것이라고? ㆍ 시공간 이론
볼 수 있어야 존재하는 것이라는 주장 ㆍ 관측적 우주론
우주를 탐구하려면 수학이 필요할까? ㆍ 우주 연구

책 속으로

1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 우주가 팽창하고 있다는 증거를 발견했습니다. 우주가 팽창하고 있다는 말은 즉, 시간을 거슬러 올라가면 우주가 한 점에 모여 있었다는 의미입니다. 우주에 시작이 있다는 뜻이지요.
오늘날 우리는 우주가 약 138억 년 전에 탄생했다는 것을 알고 있습니다. 빛의 속도는 유한하며, 100광년 떨어진 별에서 지금의 지구에 도달한 빛은 100년 전에 방출된 빛입니다. 우주가 탄생한 약 138억 년 전부터 지금까지 빛이 도달할 수 있는 거리 이내에 있는 별의 빛만 관측할 수 있는 것이지요. 우주가 무한한지 아닌지는 접어두고서라도, 적어도 우리가 볼 수 있는 우주의 크기는 유한하다는 말입니다.
그렇다면 시간이 지날수록 밤하늘은 점점 더 밝아질까요? 우주가 팽창한다는 사실을 무시하면 더 먼 별에서 오는 빛이 늘어나기 때문에 그렇게 되겠지요. 전체적으로 볼 때 적색편이의 효과는 적으므로, 단순하게 생각하면 시간이 지날수록 밝아진다고 볼 수 있습니다. 하지만 시간이 더 흐르면 이번에는 가까이 보이는 별들이 다 타버리기 때문에 어두워질 겁니다.
〈우주에는 한계가 있다는 증거〉에서

태양보다 질량이 훨씬 무거운 별은 자기 중력을 견디지 못해 붕괴하고, 그로 인해 결국 폭발합니다. 이것이 ‘초신성 폭발’입니다. 폭발이 일어나면서 철과 탄소 등의 원소가 방출됩니다. 또한 초신성 폭발 순간에는 에너지가 엄청나기 때문에 철보다 무거운 금이나 은, 백금 같은 원소가 만들어집니다. 이러한 초신성 폭발로 인해 우주 공간은 다양한 원소들로 가득 차게 되었습니다.
지구가 존재할 수 있는 것도 초신성 폭발 덕분이라고 할 수 있습니다. 태양보다 훨씬 무거운 별이 일생의 마지막 단계에 폭발을 일으켜 탄소 등의 원소들을 우주에 흩뿌린 덕분에 그것이 다시 모여 지구를 형성하게 된 것입니다.
우리 몸을 구성하는 탄소도 한때 어느 별 속에 있었을 것입니다. 그렇지 않다면 우주 공간에 탄소가 없었을 테니까요. ‘우리는 별들로 이루어져 있다’라는 말이 있는데, 사실 그렇습니다. 우리 몸속의 탄소가 ‘수백억 년 전에는 어떤 별 속에 있었다’라는 사실을 기억하고 있다고 상상해 보는 것도 재미있지 않을까요?
〈“우리는 별들로부터 만들어졌다”〉에서

방사성 원소가 방출하는 방사선을 감지하면 독가스가 나오도록 설정한 상자입니다. 이 상자에 고양이를 넣습니다. 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 살았는지 죽었는지 알 수 없습니다. 이 장치를 설치한 다음 일정 시간이 지났을 때 방사성 원소가 붕괴될 확률, 즉 독가스가 나올 확률이 50%라고 가정해 봅시다.
인간이 보는 순간 하나의 결과로 결정되고, 보지 않으면 여러 결과가 중첩된 상태라면 상자를 열어보기 전까지는 고양이의 생사도 아직 정해지지 않은 상태라는 말이 됩니다. 고양이는 살아 있는 상태와 죽은 상태가 중첩되어 있다가 상자를 여는 순간 하나의 상태로 결정되는 것입니다.
사실 슈뢰딩거는 이를 통해 “그런 우스꽝스러운 일이 있을 수 있는가?”라는 말을 하고 싶었던 것입니다. 우리의 상식에 비추어 생각해 보면 그런 일은 있을 수 없습니다. 상자를 열어보지 않더라도 고양이는 죽었거나 살아 있거나 둘 중 하나이지요. 고양이가 살아 있으면서 동시에 죽어 있다니요! 하지만 양자역학의 해석에 따르면 가능합니다.
〈상자 안의 고양이가 살아 있으면서 죽어 있다니?〉에서

평행 우주의 개념에 따르면 과거로 돌아가 현재에 영향을 미치는 행동을 할 때마다 우주가 분기됩니다. 어떤 사람이 부모를 죽였다면 그가 부모를 죽인 우주와 죽이지 않은 우주로 갈라지게 됩니다. 그는 부모를 죽이지 않은 우주에서 태어난 자식이고, 부모를 죽인 우주 쪽에는 존재하지 않습니다. 그러면 시간 역설이 발생하지 않습니다.
이미 알아챘겠지만, 이 평행 우주는 양자론과 밀접하게 관련된 개념입니다. 에버렛의 다세계 해석에서는 모든 가능성이 중첩된 상태로 존재하며, 관측자가 인식할 때마다 세계가 갈라집니다. 과거로 돌아가든 그렇지 않든 그것과 상관없이 우리는 항상 평행 세계에 존재합니다.
어떤 선택을 하면 그 선택을 한 세계와 선택하지 않은 세계로 나뉩니다. 예를 들어, 이 책을 구입한 ‘나’와 구입하지 않은 ‘나’가 각각 다른 세계에 존재하는 것입니다. 조금씩 다른 ‘나’가 무수히 많이 존재한다고 상상하면 이상한 기분이 들겠지만, 다른 평행세계에서 어떤 일이 일어나는지 알 수 없고 서로 관여할 수도 없습니다.
〈선택할 때마다 새로운 우주가 하나씩 탄생한다〉에서



〈선택할 때마다 새로운 우주가 하나씩 탄생한다〉에서

출판사 서평

일상에서 만나게 되는
다양한 우주 이야기들 속으로!
까만 밤하늘에 무수한 별들을 보다 보면 ‘별이 저렇게 많은데 왜 하늘은 어두운 걸까?’ 하는 의문이 들 때가 있다. 이렇게 밝게 빛나는 별들이 수없이 가득 채워져 있다면 낮에는 태양 때문에, 또 밤에는 별 때문에 하늘이 환하게 빛나야 할 것 같은데 실제로는 그렇지 않다. 심지어 별들은 스스로 빛을 내기까지 하는데 말이다! 왜 그런 걸까?
이 문제는 1823년 독일의 천문학자 하인리히 올베르스가 의문을 제기한 것으로 ‘올베르스의 역설’이라고 불리는 문제이다. 올베르스는 별들이 절묘한 균형을 이루며 균일하게 분포되어 있으며, 우주에 불투명한 무언가가 있어 별에서 나오는 빛을 막고 있다고 주장했습니다.
그의 주장대로 실제 우주에는 ‘성간 물질’이라 불리는 희박한 가스나 먼지가 있다. 이 물질의 농도가 높은 곳에서는 어둡게 보이는 영역이 생기고, 이 어두운 영역을 ‘암흑 성운’이라 부르기도 한다. 하지만 이 암흑 성운이 있는 곳은 극히 일부분이고, 우주의 대부분 공간은 투명하다는 것이 밝혀지며 이 가설은 폐지되었다.
또 다른 가설로는 ‘적색편이’라는 것이 있다. 아주 멀리 떨어진 곳에 있는 별에서 가시광선이 방출되더라도 지구에 닿을 때쯤이면 눈에 보이지 않는 전파가 되어버린다는 가설이다. 이 또한 완전히 틀리지는 않지만, 밤하늘이 어두운 이유를 완벽하게 설명하기는 어려웠다.
이처럼 우주에는 관찰하고 실험하는 것만으로는 다 증명할 수 없는 현상들이 존재하고, 인간이 과학을 통해 알고 있는 것은 아주 일부분에 불과하다. 이런 것들을 해결하기 위해서는 지금까지 밝혀진 사실들을 바탕으로 한 다양한 상상력이 필요한데, 이렇게 상상력을 발휘해야 여러 가설도 세워질 수 있는 것이다.
인류는 고대부터 현재까지 끊임없이 “우주란 무엇인가”라는 질문의 답을 찾고 탐구해 왔다. 이 책은 그 여정을 좇아 모든 가능성을 펼쳐 놓고 조금이나마 그 진실에 가까이 다가가고자 했다.


알아 두면 생각의 크기를 키우는
우주에 관한 거의 모든 이야기
이 책은 처음부터 저 먼 우주로 나가지 않는다. 우선은 과거로 돌아간다. 첫 번째로는 고대의 우주관과 지구의 탄생에 관해 살펴보는데, 이는 걸어서 갈 수 있는 범위 너머에 무엇이 있는지 알고 싶어 하는 인간의 욕망을 함께 살펴보고자 함이다. 이 욕망이 오랜 세월 동안 사람을 움직여 수많은 난제를 해결하며 오늘날의 ‘우주상’이 확립된 것이기 때문이다. 더불어 기차가 빠르게 달려도 왜 별은 제자리인지, 별이 수없이 많아도 왜 밤하늘은 어두운지 등등 일상에서 만나는 우주와 관련한 궁금증을 이야기한다.
두 번째로는 우리가 관측할 수 있는 우주에 관해 이야기한다. 우주의 팽창과 빛이 도달할 수 있는 거리, 더 나아가 우주와 우리은하, 지구의 탄생까지 살펴본다. 주로 별과 빛에 관한 이야기를 다루었고, 칼 세이건의 명언 “우리는 별들로부터 만들어졌다!”라는 말이 무슨 뜻인지 알려 준다.
세 번째는 양자역학, 슈뢰딩거의 고양이 등 내용은 무슨 말인지 몰라도 그 이름만은 무척 많이 들어본 이론과 더불어 생각할 우주의 현상들을 엮었다. 양자역학이라고 하면 무척 어렵다는 편견이 있는데, 우주 첫 걸음이라는 목표에 맞게 필요한 만큼 이해할 수 있도록 충분히 쉽게 설명했으니 너무 겁먹지 말고 따라오기를 바란다.
네 번째는 많은 사람이 궁금해 하는 평행세계, 다중 우주에 관해 이야기한다. 이론적으로 보았을 때 평행세계는 실제로 존재할 수 있는지, 존재한다면 어떠한 형태인지, 우리가 직접 평행세계를 체험할 수 있는지 등등에 관해 지금까지의 과학이 밝혀낸 이야기들과 여러 가설을 담았다.
다섯 번째는 오늘날의 우주, 지구, 인간을 만들어 낸 아주 작은 변수에 대해 이야기한다. 이를 두고 ‘매개변수’라 하는데, 이 작은 변수가 없었다면 아주 티끌만 한 오차에도 우주, 지구, 인간은 탄생할 수 없었을지도 모른다는 이야기를 과학적으로 풀어내고 있다. ‘운명은 정해져 있다’라는 믿음을 과학으로 증명하는 과정이라고 봐도 과언이 아닐 것이다.
마지막으로는 시간과 미래에 관한 이야기를 담았다. 우주를 이야기할 때 가장 많은 사람이 호기심을 가지고 궁금해 하는 ‘시간 여행’에 관한 이야기가 있는데, 실제로 타임머신을 만들 수 있는지 살펴보고 시간 여행을 하게 될 경우 어떤 문제점들이 생기는지도 알아본다. 사실 지금까지 밝혀진 사실로는 ‘이론적으로는’ 시간 여행이 가능하다는 점이다. 이 내용에 관해 궁금하다면 마지막 장을 차근차근 읽어나가기를 바란다.

어두우면서도 한없이 넓은 우주에 비해 아주 작은 존재인 인간이 밝혀낸 영역은 티끌에도 미치지 못할지도 모른다. 하지만 아주 먼 과거부터 인간들은 끊임없이 내가 사는 이 지구에 대해, 이 우주에 대해 알기 위해 수없이 노력해 왔다. 그 와중에 밝혀진 것들도 많다. 이렇게 포기하지 않고 호기심을 가지고 ‘왜’ 그런지 탐구하다 보면 우주의 비밀에 작은 한 발을 더 내딛을 수 있을지 모른다. 《아는 만큼 보이는 세상: 우주 편》이 ‘우주란 무엇인가’ 하는 질문에 대한 수많은 답 중 하나가 되기를 바란다.

작가정보

저자(글) 마쓰바라 다카히코

松原隆彦
1966년 나가노현에서 태어났다. 교토대학 이학부 졸업한 후 히로시마대학 대학원 이학연구과에서 박사 학위를 받았다. 나고야대학 대학원 이학연구과 준교수를 거쳐, 현재 KEK(고에너지 가속기 연구기구) 교수로 있다. 전공은 우주론. 2012년에는 일본천문학회가 저명한 천체물리학자인 하야시추시로를 기리기 위해 제정한 하야시추시로상을 받았다.
저서로 《물리학은 처음인데요》, 《물리학으로 풀어보는 세계의 구조》, 《우주는 무한한가 유한한가》, 《우주는 어떻게 시작됐는가》 등이 있다.

번역 송경원

물리학과를 졸업하고 교육대학원에서 일어교육을 전공했다. 재미가 일이 되고 일이 재미가 되는 삶을 꿈꾸며, 재미있고 의미 있는 작품을 기획 · 검토 및 소개하는 일에 힘쓰고 있다. 현재 소통인(人)공감 에이전시에서도 번역가로서 활동 중이다.
옮긴 책으로 《종교의 흑역사》, 《아는 만큼 보이는 세상: 수학 편》, 《아는 만큼 보이는 세상: 물리 편》, 《같은 소재도 전혀 다른 이야기가 되는 글쓰기 매뉴얼》, 《100세까지의 독서술》, 《누구나 혼자인 시대의 죽음》 등이 있다.