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“우주에서 가장 큰 개념에 대한 명확하고 간결하면서도 포괄적인 탐구” 상대성 이론부터 다중우주까지 물리학자이자 퓰리처상 노미네이트 작가가 풀어낸 빅뱅 우주론의 정수 빅뱅은 우리가 살아가는 우주를 이해하는 데 가장 핵심적인 개념이다. 모든 원소의 기본 재료인 양성자ㆍ중성자ㆍ전자, 지구를 비롯한 천체와 은하 등의 기원을 따지고 들어가면 모두 빅뱅에 닿는다. 하지만 100여 년 동안 여러 학자가 빅뱅에 대해 밝혀낸 것들과 그들 간의 논쟁, 우리가 앞으로 알아내야 할 것들을 한눈에 조망하기는 쉽지 않다. 빅뱅ㆍ블랙홀 및 관련 주제를 연구해 논문 80여 편을 집필한 물리학자이자 대중 과학서 6권을 쓴 작가인 토니 로스먼은, 이를 위해 사람들이 빅뱅에 관해 자주 묻는 핵심 질문 15개를 던지고 자신만의 방식으로 답한다. “궁극적으로, 모든 과학은 질문을 하고 그 질문에 대한 답을 찾는 것”이기에 이 질문들을 살피는 일은 빅뱅의 전모를 이해하는 가장 좋은 방법이다. 저자는 “우주의 탄생과 진화에 관한 궁극의 물음 15”를 통해 단편적인 사실이나 지엽적인 논쟁에 매몰되지 않으면서 빅뱅 이론의 핵심 개념과 그 발전 과정을 큰 맥락에 따라 풀어낸다. 빅뱅에 관한 기초지식부터 최신 연구까지 모두 포괄하면서도 간결하게 쓰인 이 책을 읽으면, 빅뱅이 한눈에 보일 것이다.

‘뜨겁고 팽창하는 우주’가 거둔 대성공 이 책은 “우주의 운명을 결정하는 힘”, 중력에 관한 이야기로 시작한다. 강한핵력, 약한핵력, 전자기력 등과 더불어 자연에 존재하는 4가지 힘 중 하나인 중력은 넷 중에서 가장 약하지만, 두 핵력은 원자핵 안에서만 작용하고, 천체들은 전기적으로 중성이기 때문에 우주 전체에는 미치지 않는다. 따라서 가장 약한 중력이 우주 전체의 진화를 결정한다. 중력을 처음 제대로 설명한 이론이 아인슈타인의 일반상대성 이론이다. 일반상대성 이론에 따르면 물질은 시공간을 휘어지게 하고, 그 휘어진 정도가 중력으로 표현된다. 1929년 천문학자 에드윈 허블이 멀리 있는 은하들이 더 빠르게 멀어진다는 사실을 발견하면서 우주가 팽창하고 있다는 사실을 받아들이기 시작했다. 우주가 지금보다 작았던 과거로 계속 거슬러 올라가면 우주는 하나의 점이었을 것이고, 그 점이 빅뱅 이후 팽창하면서 지금의 우주가 됐으리라는 것이 빅뱅 이론이다. 그러나 이 이론이 즉시 학계의 주류는 되지 못했다. 우주가 언제나 지금과 비슷했고, 은하들이 서로 멀어지면 새로운 은하들이 아주 천천히 만들어져 빈 곳을 메운다는 “정상 상태 우주론”도 만만치 않았다. 이 논쟁을 끝낸 것이 1965년 우주배경복사의 발견이었다. 우주배경복사는 우주 전체에 퍼진 절대 0도보다 3도 높은 열인데, 정상 상태 우주론으로는 이 우주배경복사의 존재를 설명할 수 없었다. 우주 팽창, 우주배경복사에 이은 빅뱅 초기 이론의 세 번째 성공은 물리학자 조지 가모가 제기한 뜨거운 빅뱅 이론이다. 그에 따르면 빅뱅 직후의 우주는 매우 뜨거워서 핵융합 반응이 일어날 수 있었고, 따라서 수소가 헬륨을 비롯한 다른 가벼운 원소들로 합성됐다. 빅뱅 핵합성이라고 불리는 이 이론은 관측과 잘 맞을뿐더러 일반상대성 이론과 핵물리학을 성공적으로 결합해냈다. 빅뱅 이론의 표준 모형이 탄생하다 빅뱅 이론이 성공을 거둔 것 같았지만, 모든 것을 설명하지는 못했다. 대표적인 난제가 암흑물질과 암흑에너지였다. 암흑물질은 우리 눈에는 보이지 않지만 중력을 가지고 있으며, 우주 전체의 85퍼센트를 차지하는 것으로 추정되는 미지의 물질이다. 1930년대에 천문학자 프리츠 츠비키는 은하단(수백 개에서 수천 개의 은하가 모인 집단)에 있는 전체 은하들의 속도가 은하단 안에 있는 별의 중력으로 설명하기에는 너무 크다는 사실을 알아차리고, 그 부족한 부분을 메우기 위해 암흑물질의 존재를 제안했다. 암흑물질의 후보로는 블랙홀처럼 빛을 내지 않는 천체, 약하게 상호작용하는 무거운 입자(WIMP) 등이 거론됐다. 암흑에너지는 우주를 구성하는 에너지의 약 70퍼센트를 차지하는 에너지다. 이론상 우주에 존재하는 물질들의 중력 때문에 우주의 팽창이 갈수록 느려져야 함에도 실제로는 우주가 가속 팽창하고 있다면 “은하들을 서로 밀어내는 어떤 힘”이 존재해야 하는데, 과학자들은 여기에 암흑에너지라는 이름을 붙였다. 우주는 거의 완벽하게 균일하지만 너무 완벽하게 균일해서는 안 된다. 그러면 별과 은하들이 생겨날 수 없기 때문이다. 1992년 COBE 위성이 우주배경복사에 존재하는 아주 작은 밀도 차이를 발견한 뒤, 과학자들은 우주의 현재 나이에서 은하들이 만들어질 수 있게 해주는 재료들의 정확한 비율을 찾으려고 했다. 이 과정에서 우주상수(우주 진공의 에너지 밀도에 대한 상수)와 차가운 암흑물질을 통해 빅뱅을 설명하는 표준 모형인 ΛCDM 모형이 탄생했다. 표준 모형이 풀지 못한 문제들 이렇게 빅뱅 이론의 표준 모형이 확립됐지만, 논쟁이 모두 끝난 것은 아니다. 빅뱅 후 10-3...6초에서 10-32초 사이에 우주가 1027배 혹은 1028배로 급격하게 커졌다는 인플레이션 이론이 대표적이다. 인플레이션 이론은 우주가 완벽에 가깝게 평평하다는 평평성 문제, 우주배경복사의 온도가 놀라울 정도로 균일하다는 지평선 문제 등을 해결했다고 주장한다. 그러나 인플레이션 이론이 관측이나 이론적인 정당성이 없다는 주장도 만만치 않다. 우주가 팽창과 수축을 반복한다는 되튕김 우주론도 인플레이션 이론의 대안으로 연구되지만, 되튕김 우주론은 우주의 온도, 압력, 밀도, 팽창 비율이 모두 무한대가 되면서 계가 완전히 붕괴하는 순간, 일명 빅뱅 특이점이라는 문제에 부딪힌다. 우주가 10-33 센티미터로 수축하기 전에 팽창하면 빅뱅 특이점 문제를 피하면서 평평성 문제, 지평선 문제 등을 해결할 수 있다는 주장도 있지만, 이 또한 논쟁거리다. 되튕김 우주도 빅뱅 특이점을 피한다고 장담할 수 없기에 과학자들은 양자중력 이론에 매달리기 시작했다. 현대 우주 연구의 토대인 일반상대성 이론은 양자 현상을 고려하지 않은 것으로 우주 탄생 직후의 순간에는 적용할 수 없기에, 여러 물리학자가 일반상대성 이론과 양자이론의 통합을 시도했다. 그러나 미시세계를 다루는 양자 이론과 거시세계를 다루는 일반상대성 이론은 서로의 영역을 설명하는 데 한계가 있었고, 둘을 통합하는 일은 거의 한 세기에 걸친 수많은 노력에도 불구하고 실패했다. 게다가 그럴듯한 양자중력 이론을 만들었다 하더라도 검증은 거의 불가능하다. 양자중력 이론은 중력을 전달하는 중력자의 존재를 예측해야 하는데, 물질과 거의 상호작용하지 않는 중력자를 관측할 가능성은 희박하다. 이처럼 수학적인 정합성은 있지만 실험으로 검증할 수 없는 과학, “실험 너머의 과학”이 가능할까? 이런 딜레마를 잘 보여주는 것이 인류원리다. 인류원리의 약한 버전에 따르면 우리가 관측하는 우주는 생명체를 허용해야만 한다. 그렇지 않으면 관측자가 없을 것이기 때문이다. 우리는 인류원리를 통해 제한적으로나마 우주배경복사의 요동의 크기를 관측하고 우주상수를 계산할 수 있었지만, 이런 엄밀하지도 않고 관측할 수도 없는 이론에 기대는 한 “수학적 정합성과 확률과 아름다움이라는 모호한 개념에 의존할 수밖에 없게 될 수 있다.” 그래서 이런 이론들은 관측할 수 있는 것으로 전환되어야 한다. 우리가 앞으로도 알아내야 할 것들이 많이 남아 있다는 뜻이다. 우주론의 탄생과 발전을 이끈 궁극의 질문들 모든 과학이 그렇듯 우주의 탄생과 진화를 설명하는 학문인 우주론도 무수한 질문과 함께했다. “우주가 어떻게 시작되었을까?”라는 질문에서 우주론이 시작됐고, “우주의 팽창이 갈수록 느려져야 하는데 왜 우주가 가속 팽창할까?”라는 질문은 암흑에너지라는 개념을 낳았다. 이처럼 우주론은 질문에 대한 대답을 찾고, 거기서 파생된 또 다른 질문들에 응답하는 과정에서 생기고 발전했다. 이 책에 담긴 15개의 질문은 그중에서도 우주의 탄생과 진화를 이해하는 데 가장 핵심적인 질문들이다. “어떤 것이 상대적이고, 어떤 것이 상대적이지 않은가?”로 시작해서 “왜 아무것도 없지 않고 뭔가가 있을까?”로 끝나는 이 질문들과 함께라면 우주의 가장 깊은 비밀에 닿을 수 있을 것이다.

역자 서문-신화에서 과학으로, 우주론이 알아낸 것과 알아내야 할 것 들어가며-왜 아무것도 없지 않고 뭔가가 있을까? 1 중력, 호박, 그리고 우주론 2 특수상대성 이론 3 일반상대성 이론, 우주론의 기반 4 팽창하는 우주 5 우주론의 로제타석: 우주배경복사 6 태초의 가마솥 7 암흑 우주 8 더 어두운 우주 9 은하들은 존재하고 우리도 존재한다 10 우주의 파이프오르간 11 태초의 눈 깜짝할 사이: 우주의 인플레이션 12 인플레이션, 할 것인가 말 것인가 13 뭉침과 되튕김 14 왜 양자중력 이론인가? 15 다중우주와 메타 물리학 참고할 만한 책 감사의 말 찾아보기

특수상대성 이론은 시공간 개념을 내포하고 있긴 하지만, 이 개념을 아인슈타인이 만들어낸 것은 아니다. 상대성 이론에 대한 초기의 논문 어디에도 그는 시간을 네 번째 차원으로 언급하지 않았다. 프랑스의 수학자 앙리 푸앵카레Henry Poincare가 시공간의 필요성을 더 먼저 깨달았고, 독일의 수학자 헤르만 민코프스키Herman Minkowski가 그 의미를 처음으로 연구했다. 아인슈타인은 오히려 그 아이디어를 “불필요한 박식함”이라고 부르며 반대했다. 하지만 결국 시공간이라는 관점은 일반상대성 이론을 공식화하는 데 필수적인 것으로 밝혀졌다._42~43쪽 인기 있는 믿음과는 달리 아인슈타인은 질량과 에너지가 연결되어 있다는 것을 처음으로 보인 사람이 아니고, 이렇게 말하면 조금 삐딱해 보이겠지만, E=mc2을 만족할 만하게 증명하지도 않았다. 그 주제에 대한 그의 유명한 논문에는 실수가 있었고, 이후에 수습하려 했지만 성공하지 못했다. 하지만 그 결과는 원자폭탄과 태양에서의 핵반응을 설명하는 데 핵심적인 역할을 하면서 시간의 검증을 확실하게 견뎌냈다._44쪽 현대 우주론은 기본적으로 아인슈타인의 일반상대성 이론을 우주 전체에 적용하는 것이다. 지금까지 일반상대성 이론은 역사상 가장 정교하게 검증된 과학 이론 중 하나 혹은 유일한 이론이다. 이 이론에 어긋나는 실험이나 관측은 하나도 없으며, 이 이론이 우리 우주를 훌륭하게 서술한다는 것에 의문을 품는 우주론자도 더는 없다._45쪽 일부 물리학자는 상대성 이론의 기하학적 그림을 물리학과는 상관없는 비유로 간주한다. 하지만 일반상대성 이론의 기하학은 정확하게 19세기에 게오르크 베른하르트 리만Georg Bernhard Riemann 등이 만들어낸, 확장하면 시간을 네 번째 차원으로 포함할 수 있는 휘어진 표면의 기하학이다. 이것이 비유라면 완벽한 비유다. 중력은 실제로 공간, 그러니까 시공간의 곡률이다. 뉴턴의 중력 이론에 따르면 무거운 물체는 중력을 만들어내고 그 힘은 다른 물체를 움직이게 한다. 일반상대성 이론에 따르면 물질은 시공간을 휘어지게 하고 그 곡률이 물질의 움직임을 결정한다. 뉴턴의 우주에서는 영원히 평평한 공간을 가로질러 힘이 작용한다면, 아인슈타인의 우주에서는 시공간이 탄력적이고 물체가 움직이면 계속해서 모양이 변한다. 이것이 일반상대성 이론이 만들어낸 개념의 혁명이었다._56~57쪽 지금은 우주가 팽창하고 있다는 사실이 너무나 잘 알려져 있어서 하나의 상식이 되었다. 그런데 이게 무슨 의미일까? 우주론에 대한 강연이 끝나고 연단에 다가온 청중들이 가장 먼저 물어보는 것은 “모든 은하들이 우리에게서 멀어지고 있다면 우리가 우주의 중심에 있는 건가요”다. 두 번째 질문은 “우주는 어디로 팽창하고 있나요”다. 솔직히 말하면 질문의 순서는 바뀌는 경우도 있다. 그건 자연스럽지만 우주가 팽창한다는 개념은 자연스럽지 않다는 것을 보여준다. 아인슈타인에게는 확실히 그랬다. 그가 일반상대성 이론을 출판한 1916년에는 우주가 팽창한다는 천문학 증거가 없었다. 그리고 같은 해 그가 그 이론을 적용하여 우주에 대한 최초의 현대적인 모형을 만들 때, 그는 우주가 반드시 정지해 있어야 한다고 가정했다. 이후 10년 동안 천문학자들은 -우리은하 안에 있는 것으로 여겨지던 “구름”인-성운이 사실은 우리은하 밖에 있고, 게다가 우리에게서 멀어지고 있는 것으로 보인다는 사실을 알아내 우주가 팽창하고 있다는 생각을 밀어붙였다._65~66쪽 모든 은하가 서로 멀어지고 있다면 과거의 어느 시점에 이 팽창이 시작되었다고 하는 것은 (확실한 결론은 될 수 없다 하더라도...) 그럴듯한 추론이다. 우주의 팽창을 시작하게 만든 사건을 우리는 빅뱅Big Bang이라고 부른다. 1949년 천문학자 프레드 호일Fred Hoyle이 조소하는 의미로 사용한 말이다. 빅뱅은 고전적인 의미의 폭발이 아니다. 주위에 누군가가 있었다 하더라도 어떤 소리도 듣지 못했을 것이다. 이미 존재하는 공간에서 일어나는 고전적인 폭발로 빅뱅을 상상하는 것도 정확하지 않다. 우주에 바깥이 없다면 우주가 폭발하여 나갈 곳도 없다. 우리가 알고 있는 시공간은 빅뱅 순간에 생겨났다. 빅뱅의 순간에 우주의 모든 물질은 하나의 점에 모여 있었으므로, 이곳이 중심일 거라고 생각할 수 있다. 우주에는 중심이 없기 때문에 이 생각은 틀렸다._75쪽 우주 전체를 묘사하는 일반상대성 이론의 핵심 처방은 다음과 같다: 우주를 구성하고 있는 내용물과 그것이 어떻게 분포되어 있는지를 정한다. 그러면 일반상대성 이론 방정식이 우주가 어떻게 진화하는지 이야기해준다. 이것은 일반상대성 이론의 처방이긴 하지만 아인슈타인의 처방은 아니었다. 앞에서도 이야기했지만 아인슈타인은 우주가 팽창하지 않고 정지해 있다고 믿었다. 그는 그런 우주를 만들기 위해서 자신의 방정식에 수학적인 항을 더했다. 그 악명 높은 우주상수다. 이것은 순전히 임의의 항이었다. 우주가 팽창한다는 사실이 밝혀진 후 아인슈타인은 이것을 “인생 최대의 실수”라고 선언했다._77~78쪽 밀도가 임계값보다 작으면 우주의 기하학적 구조는 무한히 큰 감자칩과 비슷하고 (가까이 있는 평행한 두 직선이 만난다) 영원히 팽창한다. 이런 모형은 일반적으로 열린 우주라고 한다. 3장에서 이야기했듯이 실제 우주는 열린 우주와 닫힌 우주의 정확한 경계에 있는 평평한 우주로 보인다. 팽창 비율이 무한대에서 0이 될 때까지 감소하다가 영원히 조금씩 팽창하는 것이다. 미래로 갈수록 팽창 비율이 줄어든다면 과거로 가면 빨라질 것이다. 실제로 빅뱅 순간에는 무한대였다. 그것이 정말 가능할까?_80~81쪽 우주배경복사가 처음 발견되었을 때 우주론자에게 가장 중요한 특징은 놀라운 균일성이었다. 우주배경복사의 온도, 다시 말해서 복사의 세기는 모든 방향에서 완전히 똑같았다. 더구나 충분히 큰 규모에서는 은하들 자체도 우주 전체에 거의 고르게 분포되어 있다. 이런 관측들은 역사적으로 우주론의 원리라고 불리는 것을 지지해주었다. 큰 규모에서는 우주가 균일하다는 것이다. … 하지만 그런 단순한 그림은 완전히 맞을 수가 없다. 오늘날 우주배경복사의 가장 중요한 특징은 완전히 균일하지는 않다는 것이다. 1992년 COBE 위성은 하늘 전체에서 우주배경복사의 작은 불균일을 관측했다. 우주론자들은 그 불균일이 반드시 있어야 하고, 그것이 없었다면 우리가 존재할 수 없다는 것을 알고 있었다. 이 요동은 은하 형성의 시작을 나타낸다. 여러분은 아마 COBE나 그 후계자들이 만든 알록달록한 지도들을 보았을 것이다. 2009년에 발사된 플랑크위성 프로그램이 만든 잘 알려진 지도는 우주배경복사 온도의 작은 변화를 최고의 해상도로 보여준다. 우주배경복사 온도의 변화는 약 10만 분의 1밖에 되지 않지만, 그 부분들의 크기와 분포는 초기 우주에 대한 거의 모든 비밀을 푸는 열쇠가 되었다. 우주배경복사의 무엇이 그렇게 중요할까?_94~95쪽 우주는 기묘한 현상이 일어나는 무대로 밝혀졌고, 현재로서는 우주론을 입자물리학과 떼어놓을 수 없다. 일반상대성 이론, 핵물리학, 입자물리학, 그리고 여러 분야가 함께 엮여서 우리가 그리는 우주를 만들어내고, 여러 가닥은 분리될 수 없다. 어떤 새로운 물리학의 제안도 400년 동안의 실험 및 관측과 일치해야 하고, 결국 자연은 우리보다 더 똑똑하다는 사실을 이해해야 한다._127쪽 유명한 최소 작용의 원리principle of least action는 물리학자들 사이에 보편적으로 받아들여진다. 최소 작용의 원리는 두 점 사이의 가장 짧은 거리는 직선이고, 예를 들어 빛은 이 직선을 따라 이동한다는 단순한 아이디어에서 나왔다. 이 원리는 계의 에너지와 연관된 작용이라는 양을 최소화함으로써 어떤 이론의 방정식을 얻을 수 있다는 것이다. 역사적으로 최소 작용의 원리는 물리학에 혁명을 일으켰고, 모든 현대 이론들을 만들어내는 경로가 되었다. 경험으로 정확한 방정식을 찾는 대신, 작용을 상정함으로써 경험을 최소화하여 이론의 방정식을 만들어낸다. 아인슈타인은 작용에서 장 방정식을 유도하기까지는 자신의 일반상대성 이론이 완성된 것으로 생각하지 않았다. 양자중력 이론들도 역시 작용을 상정하는 것으로 시작한다. 하지만 최소 작용의 원리는 가끔 틀린 답을 준다는 것이 알려져 있다. 완전히 새로운 이론에서 작용을 상정하기만 했다면 정확한 방정식을 만들어냈는지 어떻게 알까? 특히 그 결과들을 실험으로 검증할 수 없다면?_232쪽~233쪽 가장 성공적인 이론들은 제한적인 분야에 적용 가능한 이론이다. 우주의 가장 초기에 무슨 일이 일어났는지에 관한 지식은 행성들의 궤도를 계산하는 데 전혀 쓸모가 없다. 아마도 과학의 가장 위대한 성과는 모든 것을 말하지 않고도 뭔가를 말할 수 있다는 것일 것이다. 그리고 모든 것의 이론이 불완전하게 남아 있을 것이라는 데는 의문의 여지가 없다. 10차원 끈 이론이 의심의 여지 없이 받아들여진다 하더라도 왜 10차원이냐는 의문은 풀리지 않은 채 남아 있을 것이다. 어떤 이론도 모든 것을 규정할 수 없다. 자연의 상수든 우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 가정이든, 언제나 두 손으로 직접 해야 할 것이 남아 있다. 대부분의 우주론자들은 자연의 궁극적인 의문을 풀기 위해서 연구하는 것이 아니라 그것에 가까이 가기 위해서 연구한다고 이야기할 것이다. 그 러니까 걱정 말고 마음을 편하게 가져라. 다음 세대의 우주론자들이 걱정을 이어나갈 것이다. 왜 아무것도 없지 않고 뭔가가 있을까?__236~237쪽

토니 로스먼 [저]

일반상대성 이론과 우주론을 전공한 이론물리학자이자 작가. 텍사스대학교에서 박사 학위를 받았고, 그곳에 있는 상대성 이론 센터에서 공부했다. 프린스턴대학교와 하버드대학교 등에서 물리학을 가르쳤고, 2019년 뉴욕대학교 탠던공과대학 교수직에서 은퇴했다. 주로 빅뱅, 블랙홀 및 관련 주제를 연구해 80여 편의 논문을 집필했다. 우주 핵합성, 블랙홀, 인플레이션 우주론 및 중력자 연구에 기여했다는 평가를 받는다. 작가로도 대중 과학 및 과학사에 관한 책 6권을 비롯해 13권을 집필했다. 《매디슨가의 물리학자A Physicist on Madison Avenue》로 1991년 퓰리처상 후보에 올랐으며, 수학자 후카가와 히데토시와 같이 쓴 《신성한 수학: 일본 사원 기하학Sacred Mathematics: Japanese Temple Geometry》로 미국출판협회로부터 2008년 PROSE 수학 전문 및 학술우수상을 받았다.

이강화 [저]

천문학자. 여러 매체를 통해 사람들에게 과학을 알리는 일을 하고 있다. 달 착륙 음모론, 백신 음모론 등 각종 음모론과 유사과학을 싫어한다. 《빅뱅의 메아리》《우주의 끝을 찾아서》 등을 쓰고, 《아시모프의 코스모스》《웰컴 투 더 유니버스》 등을 번역했다.