이 세상은 어떻게 태어났을까?
‘존재의 근원’을 찾아가는 과학자들의 분투기
우리는 가끔 ‘이 세상이란 과연 무엇이고, 이 세상은 어떻게 생겨났을까’라는 의문을 품는다. 그래서 신화나 종교, 철학에서는 일찍이 그 질문에 대한 답을 나름대로 제시해보고자 했다.
하지만 과학 분야에서는 좀체 그 질문에 대한 답을 찾으려는 엄두를 내지 못했다. 객관적인 사실에 기반하는 과학으로서는, 사실관계가 뒷받침되지 않은 채로는 탐구할 수가 없었기 때문이다. 그러나 20세기 후반부터 우주의 진화를 다루는 ‘우주론’이 크게 발달하면서 ‘우주의 시작’이라는 이 ‘신의 영역’에 과학자들도 발을 담그게 되었다. 스티븐 호킹을 비롯한 내로라하는 과학자들이 이 문제에 정면으로 맞서면서 나름의 해석과 관점을 내놓았다.
이 작업은 난해한 만큼 현대과학의 모든 것이 동원된다. 그래서 이 책에서는 소립자론과 양자론, 일반상대성이론을 설명한 다음, 이를 토대로 현재까지 나온 다양한 관점들, 예컨대 스티븐 호킹의 ‘무(無)로부터의 우주 탄생론’, 존 휠러의 ‘참가형 우주’, 휴 에버렛의 ‘다중 우주론’ 등을 소개한다.
우주의 시작은 아직 답을 찾지 못한 문제지만, 그 답을 찾기 위해 과학자들이 어떻게 분투하는지를 이 책은 잘 보여준다. 양자론과 일반상대성이론이 상식적인 사고로는 당최 이해할 수 없는 이론이듯이, 우주의 시작에 관한 주장들도 상식과 직관만으로는 이해하기 어렵고, 심한 경우 황당하다고 느낄 수도 있다. 하지만 과학의 역사가 보여주듯이, 모든 새롭고 혁명적인 이론은 늘 기존의 상식을 뒤집는 대담한 발상으로부터 태어났다. 설사 그런 발상들이 잘못된 것으로 판명이 나더라도, 그것을 토대로 삼아 한발씩 앞으로 나아갈 수 있다. 이 책은 그런 다이내믹한 사고를, 수필을 읽듯이 친절하고 알기 쉽게 소개한다.
이 책에 등장하는 과학자들의 우주 탄생에 관한 관점을 몇 가지만 추려보면 다음과 같다.
ㆍ 스티븐 호킹의 ‘무로부터의 우주 탄생론’과 ‘톱-다운형 우주’
: 우주의 시작에서는, 우주가 탄생한 것과 탄생하지 않은 것이 양자적으로 중첩돼 있다. 이 상태로부터 우주를 탄생시키는 것은 현재 우주에서 인간이 우주 자체를 관측할 때이다. 결국 우주의 역사는 시작점에서부터 차근차근 진행되는 ‘보텀-업’형이 아니라, 현재가 과거를 결정하는 ‘톱-다운’형이다.
ㆍ 존 휠러의 ‘관찰자 참가형 우주론’과 ‘정보 우주론’
: 시간과 공간을 포함해 이 세계의 모든 것은 ‘정보’의 모임이다. “모든 것은 비트에서 나온다(it from bit)”. 따라서 우주는 그것을 관측해야만 존재할 수 있다. 관측자가 참가하지 않으면 우주의 존재도 없다. 우주의 존재 자체가 관측자가 행하는 정보처리 자체이기 때문이다.
ㆍ 휴 에버렛의 ‘다(多)세계 해석’과 ‘다중 우주론’
: 양자론에 등장하는 중첩 상태는, 현실로 존재할 잠재적 가능성이 아니라 실제로 모두 현실이 된다. 같은 관측자가 다른 결과를 얻을 수 있는 세계는 무수히 많고, 그 때 관측자는 다른 세계에 사는 것이 된다. 단지 인간이 그런 분열을 느낄 수 없어 하나의 세계만 인식할 수 있을 뿐이다. 실제로는 관측되지 않은 무수한 우주가 존재한다.
들어가며
제1장: ‘우리 우주’에는 시작이 있다
1-1: 우주는 영원불변한 존재가 아니다
1-2: 우주의 시작에 대해 생각한다
1-3: 표준빅뱅이론을 신뢰할 수 있는 이유
1-4: 우주 인플레이션
제2장: ‘無’로부터의 우주 탄생론
2-1: ‘무(無)’란 무엇인가
2-2: 우주의 경계조건
2-3: 우주의 시작과 ‘무’
2-4: 우주는 정말 ‘무’에서 시작되었을까
제3장: 양자론과 우주론
3-1: 양자론의 의미
3-2: 고전물리학은 따분하다?
3-3: 양자론은 고전물리학을 뒤엎는다
3-4: 신은 주사위 놀이를 한다
3-5: 중력을 양자화하는 이론은 미완성
3-6: 중력의 양자론을 검증하는 일의 어려움
3-7: 양자우주론
제4장: 상대성이론과 우주론
4-1: 시간과 공간은 단순한 무대인가
4-2: 아인슈타인의 등장
4-3: 운동의 상대성이란
4-4: 중력이란 무엇일까
4-5: 시공간이 휘어져 있다는 것의 의미
4-6: 중력은 빛을 휘게 한다
4-7: 우주를 모델화하다
4-8: 우주 팽창의 발견과 르메트르
4-9: 우주는 어디를 향해 팽창하는가
제5장: 소립자론과 우주론
5-1: 소립자론을 우주론에 응용하다
5-2: 빅뱅이론과 원자핵 물리학
5-3: 현재의 우주에 있는 다양한 원소...의 기원
5-4: 3중 알파반응의 기발함
5-5: ‘인간원리’란 무엇인가
5-6: 소립자론에서 보는 다중우주
5-7: 우주론에서 말하는 다중우주
제6장: 우주의 시작에 답은 있는가
6-1: 우주의 시작이라는 의문
6-2: 휠러의 ‘참가형 우주’
6-3: 호킹의 ‘톱-다운형 우주’
6-4: 휠러와 다(多)세계 해석
6-5: 우주관(宇宙觀)은 돌고 돈다
6-6: 정보와 우주
6-7: 플랑크톤이 매우 똑똑하다면.
맺는말
인플레이션 이론은, 표준빅뱅이론이 기술하는 우주보다 시간상으로 앞서 일어난 현상을 설명한다. 또 인플레이션이 시작되기 전부터 이미 우주는 존재하고 있었다고 전제하기 때문에 우주가 시작되고 난 이후의 일을 탐구하는 이론이다. 인플레이션 시기가 끝난 후, 뜨거운 불덩이 같은 상태[빅뱅]의 우주가 되었고, 빅뱅 우주가 계속 팽창하고 온도가 내려가면서 지금의 우주가 되었다고 보는 것이 인플레이션 이론이다. (33페이지)
우주가 시작되기 전에는 무엇이 있었나, 라는 질문이 의미가 있으려면 우주가 시작되기 전에도 보통 생각하는 의미에서의 시간이 흐르고 있어야만 한다. 그런데 시간은 우주가 있어야만 존재할 수 있다. 우주가 없다면 시간도 없다. ‘무’에서는 시간이 흐르지 않으므로 ‘무’라는 상태가 ‘언제’ 시작되었는가, 라는 질문도 의미가 없다. (99페이지)
인플레이션은 다른 우주를 만들어낼 수 있다. 게다가 다른 우주에서도 양자적인 불확정성이 있으므로 거기서도 다른 우주가 태어날 수 있다. 최초의 우주를 모(母)우주라 하면, 거기서 태어난 우주는 자식(子)우주, 자식 우주에서 태어난 우주는 손자(孫)우주가 된다. 이처럼 다른 우주는 얼마든지 증식해 갈 수 있으므로, 그 결과 다중우주가 된다.(187페이지)
스티븐 호킹의 ‘무로부터의 우주 탄생론’은 양자론의 원리가 시공을 초월해서도 성립한다는 전제에서 추론을 펼친다. 우주의 탄생이 우리가 알고 있는 양자론의 원리에 지배된다고 보는 것이다. 양자론에서는 현실과 비현실이 모호하다. 또 ‘무’는 우주를 낳는 모체이다. 따라서 ‘무’에서는 우주가 태어난 상태와 태어나지 않은 상태가 중첩돼 있다.(200페이지)
영화 〈매트릭스〉는 가상 현실이 주제이다. 이 영화를 보고, 지금 우리가 사는 이 세계가 가상 현실이 아니라는 건 어떻게 보장되는가, 라는 의문을 품은 이들도 많을 것이다. 컴퓨터에 의해서 자의적으로 만들어진 가상 현실이 인간이 느끼는 현실과 구별될 수 없다면, 이 세계라는 존재는 도대체 무엇일까. 게다가 자연계는 인간이 직관적으로 믿고 있는 것과 같은 존재가 아니라는 건 이미 양자론을 통해 분명해지지 않았는가. 현실의 세계가 존재한다고 믿는 것은 인간의 뇌가 작동한 결과일 뿐이고, 그렇게 존재한다고 믿고 있을 뿐일지도 모른다. 우리가 현실이라고 믿는 세계는 우리가 이해할 수 있는 정보가 축적된 것일 뿐, 그 이상의 존재가 아닐지도 모른다. 휠러가 지적한 것처럼 비트(bit)가 모든 것을 만들어내는 것이 자연계의 진실일까.(238페이지)
마쓰바라 다카히코 [저]
1966년생. 교토대학 이학부를 졸업한 후 히로시마대학 대학원 이학연구과에서 박사 학위를 받았다. 나고야대학 대학원 이학연구과 준교수를 거쳐, 현재 KEK(고에너지 가속기 연구기구) 교수다. 2012년에는 일본천문학회가 저명한 천체물리학자인 하야시주시로(林忠四郞, 1920~2010년)를 기리기 위해 제정한 하야지주시로상을 받았다. 저서로 『우주에 바깥은 있는가』 『우주는 무한한가, 유한한가』 『현대 우주론』 『우주론의 물리(상·하)』 『대규모 구조의 우주론』 『우주의 탄생과 종말』 『우주의 암흑 에너지』 등이 있다. 국내에는 『물리학은 처음인데요(원제: 눈에 보이는 세계는 환상인가)』 『물리학으로 풀어보는 세계의 구조』가 번역, 출간돼 있다.
원회영 [저]
서울대를 나와 과학 분야 책을 주로 번역해 왔다. 옮긴 책으로 『아인슈타인의 철학과 상대성이론』 『중력의 발견』 『빅 북 사이언스』 『우주는 무한한가, 유한한가』 (근간) 등이 있다.
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