이 책은 코스모피아 천문대를 운영했던 저자가 천문대를 방문했던 어린이들에게 우주에 대하여 설명한 내용과 어린이들이 궁금해하였던 내용을 간추려서 어린이의 눈높이에서 알기 쉽게 썼다.
1장에서는 중력파는 무엇이며 과학자들이 어째서 중력파를 찾으려고 하는지, 그리고 중력파로 무엇을 알 수 있는지 소개하였다.
2장에서는 우주가 어떤 모습을 하고 있는지 연구해 온 결과, 우주가 편평하다는 결론을 내리게 된 과정을 소개하였다.
3장에서는 우주의 탄생인 빅뱅을 비롯하여 별의 죽음으로 생기는 블랙홀에 대하여 소개하였다.
토막상식으로 1장 끝에는 남반구 별자리, 2장 끝에는 노벨상에 얽힌 에피소드를 소개하였다.
부록으로 우주가 편평하다고 결론 내리게 된 근거인 우주를 구성하는 물질과 에너지의 비율을 알아내는 과정을 간략하게 소개하였다.
별 보기를 취미로 즐기던 저자가 우리나라의 본격적인 민간 천문대 1호인 코스모피아를 운영하며 어린이들에게 우주에 대하여 설명하던 내용을 책으로 엮었다. 어린이들에게 특별히 알려 주고 싶은 내용, 어린이들로부터 받았던 많은 질문에 대한 대답을 대화체로 엮어 표현할 단위가 없을 정도로 어마어마하게 큰 우주의 탄생, 이제까지 알아낸 우주의 역사, 우주의 모습 그리고 앞으로 우주에 대하여 파헤쳐야 할 숙제를 설명하였다. 초신성 빛의 변화로 우주는 무엇으로 구성되어 있는지 알게 되는 과정을 소개하는 한편 시간과 공간이 없던 빅뱅 이전에 대해서도 의문을 가지고 상상의 날개를 펴게 함으로써 어린이들이 우주를 품고 자랄 수 있도록 하였다.
[책속으로 추가]
한 가지 이론만으로 우주를 설명할 수는 없지요. 여러 이론의 상호관계를 논리적으로 전개하여 마치 한 편의 단편소설을 읽는 것처럼 아이들이 우주를 생각하면서 따라올 수 있도록 꾸며 보았습니다.
초등학교 고학년에서 중·고등학생을 위해서 썼지만 부모님께도 권하고 싶습니다. 부모님도 함께 읽고 아이들과 대화하면서 아이들이 우주를 품고 자랄 수 있도록 해주세요.
저는 아이들이 이 책을 통하여 우주에 대한 호기심이 생겼으면 합니다.
꼭 읽어보세요
1. 중력파
중력파는 무엇일까요?
과학자들이 찾고 싶어 하는 인플레이션 중력파
빅뱅의 흔적 우주배경복사
맑게 갠 우주
중력파로 무엇을 더 알 수 있을까요?
재미있는 과학이야기
2. 편평한 우주
우주 모습
암흑물질
암흑에너지
우주는 무엇으로 구성되어 있나요?
빅뱅과 오늘날 우주의 연결고리 인플레이션
재미있는 과학이야기
3. 궁금한 우주
시공간의 시작 빅뱅·
블랙홀
부록
이 책을 읽은 모든 분께
사진 출처 외
부모님께
별은 동전의 양면처럼 전혀 다른 두 면을 갖고 있습니다. 한 면은 별의 아름다움을 찾는 아마추어 천문인 영역이고, 또 다른 면은 첨단 이론이 불꽃 튀는 당대 최고의 우주 물리학자, 천문학자의 영역이지요.
아마추어 천문인은 별자리를 그려보고, 천체망원경으로 목성을 보며 갈릴레이와 시공을 넘어 교감하고, 별똥별을 헤아리며, 은하수를 보며 밤을 지새우는 사람들이라면, 우주 물리학자, 천문학자는 중력파를 예견하고, 블랙홀의 새로운 이론을 발표하며, 은하가 회전하는 모습을 관찰하다가 암흑물질을 발견하고, 초신성을 연구하며 암흑에너지를 발견하는 과학자들입니다.
별은 이 모두를 안은 채 빛나고 있답니다.
저는 우주 이론이 너무나 궁금하였습니다. 어떻게 우주가 편평하다는 것을 알아냈을까? 암흑물질은 무엇이고 어떻게 발견했을까? 암흑에 너지는 암흑물질과 무엇이 다를까? 어떻게 우주가 가속팽창 한다는 것을 알아냈을까?
우주에 관한 많은 책의 머리말에는 일반인도 충분히 이해할 수 있다고 강조했음에도 여전히 어려웠습니다.
그런데 아마추어 천문인 영역과 전문가 영역 사이에 이론물리학 theoretical physics 이라는 틈새가 있었습니다. 이론물리학은 실험 또는 관측천문학과 달리 논리적으로 우주 이론에 접근하는 분야입니다. 우주 론의 바탕이 되는 이론물리학은 20세기부터 본격적으로 시작되었는데 무엇보다 반가운 것은 이러한 이론물리학은 일반인도 비교적 이해하기 쉽다는 것입니다.
예를 들어 볼게요.
아인슈타인은 빛이 휜다고 주장했어요. 그는 중력에 대한 새로운 이론을 소개하면서 다음과 같이 설명하였답니다. 질량이 무거운 물체
주변은 중력에 의해 움푹 파이기 때문에 근처에 있는 작고 가벼운 물체가 그 쪽으로 흘러 들어간다는 것입니다. 종래 뉴턴의 ‘잡아당기는’ 개념에 ‘빨려 들어가는’ 새로운 개념을 추가한 것이지요.
이것을 발전시켜 상대성이론에서 ‘시공간은 휘었다’는 멋진 이론을 발표하였습니다. 빛은 원래 똑바로 가지만 휘어 있는 공간을 지나면서 휜다고 설명한 것이지요.
태양계를 생각하면 이해하기 쉬워요.
태양계 전체 질량의 99%가 태양이니 태양 주위는 어마어마하게 깊이 파였겠지요. 태양계 8개 행성은 그대로 있다가는 태양에 빨려 들어갈 운명입니다. 빨려 들어가지 않으려면 태양 주위를 열심히 도는 수밖에 없어요. 가장 멀리 있는 해왕성은 천천히 돌아도 태양에 빨려 들어갈 염려가 없습니다. 그러나 태양 옆에 있는 수성은 조금이라도 한눈을 팔면 태양이 움푹 파 놓은 구멍으로 빨려 들어갈 테니까 쉬지 않고 빠른 속도로 돌고 있을 수밖에 없지요.
어렵지 않지요? 다음과 같이 이해하면 충분합니다.
태양을 도는 속도는 태양과 가까울수록 빠르다.
행성이 도는 것은 태양에 빨려 들어가지 않으려는 몸부림이다.
그리고 한 단계 더 나아간다면,
아인슈타인은 상대성이론에서 중력 때문에 질량이 큰 물체 주변이 움푹 파인다고 했으니 그곳을 지나는 빛은 휠 수밖에 없다.
케플러법칙 같은 전문 지식이 없어도, 상대성이론을 몰라도 얼마든지 이해할 수 있지요?
이론물리학을 이해하는 데 도움이 되는 예를 하나 더 들어 볼게요.
중세 유럽, 어느 마을에 7개 다리가 있는데 그 마을에는 예로부터 전해 내려오는 숙제가 있었답니다. 어떻게 하면 7개 다리를 한 번씩만 지나며 마을을 산책할 수 있을까 하는 것이었지요. 많은 사람이 도전하 였지만 어느 한 다리를 두 번 건너지 않고는 다리 모두를 한 번에 건널 수가 없었어요.
우리가 심심풀이로 풀어보는 ‘연필 떼...지 않고 한 번에 그리기’와 같은 숙제였던 것이지요. 어떤 획기적인 방법이 있을까 하였는데 엉뚱하게 불가능하다는 것이 증명되었습니다. 그런데 그 증명을 이해하기가 쉽지 않아요. 그 증명을 설명한 오일러의 정리를 소개할게요.
오일러의 정리
18세기 스위스의 수학자 오일러 L. Euler(1707~1783) 가 ‘중세 한 마을의 다리 건너기 숙제’에서 힌트를 얻어 연필 떼지 않고 한 번에 그리기가 가능한지 불가능한지를 정리한 것이다. 오일러는 홀수 점 (꼭짓점에서 만나는 선이 홀수인 점) , 짝수 점 (꼭짓점에서 만나는 선
이 짝수인 점) 의 개념으로 가능한 도형, 불가능한 도형의 전형을 정리하였다. 짝수 점만 으로 되어있는 도형이나, 홀수 점이 2개인 도형은 어느 한 점을 출발점으로 나머지 하나를 종착점으로 하는 경우만 가능하다. (출처: 두산백과 오일러의 정리, 한붓그리기 참조)
증명을 이해하는 것이 더 어렵다는 생각에 동감할 것입니다. 이 어려운 증명을 이해하려고 노력할 것이 아니라 다음과 같이 이해하면 어떨까요?
‘꼭짓점에서 만나는 선이 짝수로 만나는가 혹은 홀수로 만나는 가로 연필 떼지 않고 한 번에 그리기가 가능한지 불가능한지를 판단하였 다.’ 아니면 한발 더 나아가 ‘중세 어느 마을의 다리 건너기 숙제는 불가 능하다.’는 결론만 받아들이는 겁니다.
결국 우리가 심심풀이로 하던 ‘연필 떼지 않고 한 번에 그리기’가 당당히 위상기하학이란 새로운 학문으로 발전하게 되었답니다. 위상기하 학의 끝은 ‘뫼비우스의 띠’입니다. 뫼비우스의 띠를 직접 만들어 보고 실제로 가운데를 잘라보세요. 신기한 현상을 경험하면서 4차원 세계를 이해하는 실마리가 떠오를 수 있습니다.
정리해 볼게요.
첫 번째, 자세한 정보는 전문서적과 인터넷에서 찾아보면 됩니다. 더중요한 것은 우주 이론의 논리적인 흐름을 이해하는 것입니다.
스티브 잡스는 “21세기에는 지식이 더 이상 필요 없다. 왜냐하면 우리 주머니 속 스마트 폰 안에 다 들어 있기 때문이다.”라고 이야기했습니 다. 그리고 “이제 대학은 존재할 이유가 없다.”라는 파격적인 이야기까지 했다고 합니다.
두 번째, 이론을 증명한 과정까지 이해할 필요는 없습니다. 과학자들이 연구한 결론만 받아들이면 됩니다. 그 결론을 내리는 과정은 과학자 들에게 맡기고 우리는 어떠한 근거로 이런 결론을 얻게 되었는가만 이해 하면 됩니다.
마지막으로 고정관념에서 벗어나 상상의 날개를 펴야 합니다. 이것 이야말로 아이들이 우주 이론을 알아야 하는 진짜 이유입니다
위에서 태양계를 예로 들면서 아인슈타인의 새로운 중력이론을 설명했습니다. 태양계 전체는 동심원을 그리는 평면적인 모습이므로 중력 이론이 2차원 평면에서는 이해되었을 겁니다.
그런데 3차원 공간 설명은 쉽지 않습니다. 위아래, 좌우뿐만 아니라 모든 방향이 휘었다고 상상해 보세요. 3차원적으로 그린다면 다음과 같이 될 수밖에 없겠지요.[그림5]
3차원 공간에서 태양 주위가 움푹 파였다, 행성들이 움푹 파인 태양으로 빨려 들어간다는 것을 상상하기 쉽지 않아요.
여기에 ‘시간’ 하나를 더 추가하여야 합니다. 아인슈타인은 시간도 휘어 있다며 ‘휘어 있는 시공간’ 개념으로 우주 이론을 전개하였답니다.
시공간의 휘는 현상은 〈코스모피아-스토리가 있는 은하이야기〉 ‘4장 새로운 개념 시공간’을 참고 바랍니다.
시간을 한 축으로 하는 4차원 우주, 또는 그 이상의 고차원인 우주를 이해하려면 상상력 외에는 뾰족한 방법이 없습니다. 그림으로 보여줄 수도 없어요. 시간을 그릴 수는 없기 때문이지요.
우주 이야기를 시작하면서 어떠한 주제로 어떻게 전개할 지 무척 고심하였습니다. 태양계 경우에는 태양, 8개 행성, 달 그리고 혜성, 소행성 등의 주제를 하나하나 설명해 나가면 됩니다. 그러나 우주는 막연합니 다. 실체를 볼 수도 없고 상상하기 힘든 우주를 아이들에게 이해시키기가 참으로 막막하였지요. 이 책에서는 중력파와 편평한 우주로 주제를 압축하여 아이들에게 우주를 설명하여 보았습니다.
중력파는 21세기의 우주를 파헤칠 강력한 도구가 될 것이라 믿고 두가지에 초점을 맞추어 전개해 나갔습니다.
- 과학자들은 중력파를 통해 무엇을 알아내려고 하는가?
- 어떤 이유로 중력파가 우주를 파헤치는 강력한 무기가 될 수 있다고 확신하는가?
편평한 우주는 이 책의 하이라이트입니다. 우주에 끝이 있을까? 없을까? 이런 질문에 답을 하고자 이 주제를 다루었습니다. 21세기 초에 내린 결론이라 최신 핫 hot 한 뉴스입니다. 그렇지만 ‘정말 우주가 편평한 가? 또 편평하면서 가속팽창 하고 있는 것이 맞는가?’ 하는 의구심을 가지고 이론물리학의 논리를 따라갔습니다.
그 중 편평한 우주를 증명한 논리가 무척 흥미로웠습니다. 마치 퍼즐 맞추듯 그동안 수많은 과학자가 연구한 이론을 하나하나 맞추어 우주 모습이 편평하다는 결론을 내린 것이지요.
마지막에서는 빅뱅, 블랙홀에 대하여 설명하였습니다. 빅뱅, 블랙홀은 아직 100% 규명된 현상은 아니므로 현재까지 과학자들이 연구한 이론을 소개하는 데 주력하였습니다. 또 우리가 사는 북반구와 사뭇 다른 남반구 별자리, 노벨상에 얽힌 이야기를 소개하면서 흥미를 잃지 않고
계속 이 책을 읽어나가도록 꾸며 보았습니다.
이 책은 아이들이 읽을 수 있는 우주에 관한 최초의 책이라는 자부심을 느끼고 있습니다. 지금까지 나와 있는 우주 책들은 쉽게 풀어썼다고 해도 일반인이 특히 아이들이 읽기에 쉽지 않았어요. 또는 빅뱅, 은하, 시공간, 중력파, 암흑물질, 초신성, 암흑에너지 등등 용어를 설명한 책은 많았으나 각 주제를 연결하여 논리적으로 설명한 책은 없었습니다.
이 책은 각 주제가 어떻게 연결되는지를 중점적으로 다루었습니다.
이세영 [저]
저자 이세영은 연세대학교에서 천문과 관계없는 세라믹공학과 경영학을 전공하고 경영학 석사MBA, Master of Business Administration학위를 미국 버지니아Virginia 린츠버그대학Lynchburg College에서 받았다. 그 후 평범한 직장 생활을 하다가 문득 본 밤하늘에서 잊고 살았던 마음의 별이 떠올라 아버지께 물려받은 산이 있는 가평에서 1997년부터 2014년까지 코스모피아를 운영하였다. 저서로 〈밤하늘의 문을 열다(2012)〉, 〈우주의 문을 열다(2016)〉, 〈코스모피아-스토리가 있는 은하이야기(2017)〉, 〈코스모피아-스토리가 있는 우주이야기(2018)〉등 다수의 천문 관련 서적과 수필집 《흙 별 안단테》를 집필하였다.
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