우주와 존재의 비밀을 밝히는 물리학 방법과 신비 해설

안녕하세요 책읽는 생각 부자입니다 오늘은 지난 시간에 이어 카를로 로벨리의 모든 순간의 물리학을 소개해드리려고 합니다 요즘 저는 평생 공부해 본 적 없는 과학 물리학 양자 역학에 빠져 있는데요 아무리 읽어도 잘 모르겠는 내용들이지만 저를 자꾸자꾸 빠져들게 합니다이 책은 국내에서 2016년 2월 초판이 발행된 카를로 로벨리의 첫 번째 책으로 알고 있 세상에서 가장 아름다운 이론이라 말하는 아인슈타인의 상대성 이론을 시작으로 양자역학 우주의 구조 공간 입자를 넘어 리하게 설명하는 신기한 세상 속 우리 자신을 어떻게 생각해야 할지 저자는 이야기합니다이 시간에는 과학의 가장 기초가 되는 일강 아인슈타인의 상대성 이론과 우리가 살고 있는 삼강 우주의 구조에 대한 저자 이야기들을 려고 해요 쉽지만은 않지만 과학과 좀 더 가까워지는 계기가 되고 무한의 우주와 나라는 작고도 미약한 존재와의 관계를 생각해 보며 우리는 누구인가를 생각하는 시간 가져 보시길 바라며 물리학의 세상 속으로 들어가 보겠습니다 세상에서 가장 아름다운 이론 역사의 흐름 속에서 하나둘씩 놀랍게 도약해 온 우리의 모든 지식 중에서 아인슈타인이 발전시킨 지식은 아마도 단연 특별할 것입니다 왜 그럴까요 첫 번째 이유는 일단 어떻게 작용하는지를 알기만 하면 아인슈타인의 이론은 말도 못하게 간단하다는 것입니다 물론 저자의 입장에서만 얼마나 간단한지 정리해 보자면 이렇습니다 뉴턴은 무엇 때문에 사물이 추락하고 행성들이 회전하는지 설명하고자 했습니다 그는 모든 물체에는 한쪽에서 다른 쪽을 장기는 힘이 있을 거라고 생각했고이 힘을 중력이라는 두 물체 사이에 아무것도 없을 때이 중력이 어떻게 작용하여 서로 끌어당기게 하는지 아는 것이 없는 상태에서 위대한 과학의 아버지 뉴턴은 가설을 세우고자 이에 대해 신중하게 관찰했습니다 그리고 물체들이 움직이는 공간이 텅빈 거대한 통 우주를 담은 하나의 거 상자를 상상했습니다 혹은 어떤 힘이 가해져 이동 경로를 휘게 만들지 않는 한 그러한 공간은 물체들이 똑바로 직선으로 이동하게 되는 선반이 아닐까 하는 생각을 했죠 당시 뉴턴은이 공간 즉 세상이 하나의 거대한 통과 같은 공간이라는 생각은 했지만이 공간이 무엇으로 이루어져 있는지 알지 못했죠 하지만 아인슈타인이 태어나기 바로 몇 태 전 영국의 대한 물리학자인 마이클 패러데이와 제임스 클크 맥스웰 두 사람이 뉴턴의 세상에 차가운 성분 한 가지를 추가했습니다 바로 전자기 장이었어요이 전자기장은 우리 눈에 보이지 않지만 전자기파를 사방으로 퍼트려 공간을 채우고 있으며 때로는 진동을 하고 호수의 표면처럼 물결이 생기기도 합니다 그리고 전력을 주위에 전달할 수도 있죠 차에는 어릴 때부터 전자기장의 매력에 흠뻑 빠져 아버지가 지은 전기 발전사에 회전자를 돌려보면서 중력에 일정한 범위 즉 장이 있다는 것을 일찍감치 눈치 챘습니다 다시 말해 전기장과 동일한 중력장이 존재하는 것입니다 이러한 것을 깨달은 아인슈타인은이 중력장이 어떻게 만들어지고 어떤 방정식을 이용해야 이것을 설명할 수 있을지 알아내려 했습니다 그 과정에서 그는 아주 특별한 진정 천재적인 발상을 하게 되죠 중력장이 공간 속에서 확산되는 것이 아니라 중력장 자체가 공간이라는 것입니다 이것이 바로 일반 상대성 일원의 개념입니다 그에 따르면 사물이 이동하는 뉴턴의 공간은 중력을 갖고 있는 중력장과 똑같은 것입니다 세상 사람들이 경악할 정도로 단순화된 대단한 발상이었습니다 이제 공간도 물질과 다를바 없는 것이 된 것이죠 이제 공간은 세상을 구성하는 물질 중 하나가 된 것입니다 이제 공간은 파도처럼 물결을 이루며 휘기도 하고 굴절도 하고 왜곡되기도 하는 실체입니다 우리는 보이지 않는 단단한 선반 위에 있는 것이 아니라 물컹하고 유연한 거대한 조개 속에 들어 있다고 할 수 있죠 태양은 자신의 주변 공간을 굴절시키고 지구는 신비로운 힘에 이끌려서 아니라 기울어진 공간 속에서 직선으로 주행하기 때문에 태양의 주의를 돕니다 이해가 잘 안 되면 깔대기 속에서 작은 구슬이 구르는 모습을 상상해 보세요 구슬이 구르는 것은 깔때기의 가운데 부분에서 신비한 힘이 나와서가 아니라 깔때기 벽면이 곡선이 때문이죠 행성들이 태양의 주의를 돌고 물체가 바닥으로 떨어지는 것도 공간이 곡선을 이루고 있어서입니다 그렇다면 이렇듯 공간이 곡선을 이룬다는 사실을 어떻게 설명할 수 있을까요 수학의 왕자라 불리던 19세기 최고의 수학자 프리드리 가우스는 언덕의 표면에 비유해 이차원 곡선의 표면을 설명했 현재 우리가로 표기하고 리만 곡면이라 부르는 리만의 논문을 통해 아인슈타 있는을 에너지에 비례하는 수로 정한 방정식을 씁니다 즉 공간은 물질이 있는 곳에서 곡선을 이룬다 그게 전부이고 아인슈타인의 방정식은 그저 그렇게 중간 정도까지 진행되었을뿐 꼬린 지점에 도달하지는 못했습니다 공간이진다는 관점과 이를 설명하는 방정식 그뿐입니다 하지만이 방정식 속에는 반짝반짝 빛나는 우주가 있죠 처음에는 정신 나간 사람의 헛소리처럼 들렸지만이 예측들은 결국 모두 실험을 통해 입증되고 아 맙니다 아인슈타인의 방정식은 별 하나의 주위를 둘러싸고 있는 공간이 어떻게 휘는지 설명합니다이 공면 때문에 행성들이 별의 주의를 공전할뿐 아니라 빛이 직선으로 이동하다가 방향을 트는 현상이 발생하게 됩니다 아인슈타인은 일찍이 태양이 빛을 굴절시킨다 예측했습니다 그의 예측은 1919년에 입되 사실로 밝혀졌죠 그런데 공간이 아니라 시간도 곡선이 되는 것이죠 아인슈타인은 지구 대기권 박처럼 중력의 약한 곳에서는 시간이 빨리 흐르고 반로 중력이 센 지구 표면에서는 시간이 천천히 흐른다고 예측했습니다 아주 약간의 차이이기 하지만 쌍둥이 중에서도 산에서 산 사람은 바다에서 산 자신의 형제보다 더 나이들어 보일 것입니다 이것은 시작에 불과하죠 거대한 별은 자신의 연료 수술을 태우면 빛을 잃습니다 연소 중에 발생된 열기 마저 다 사라지면 별 스스로의 무게 눌리게 되고 심지어 공간을 매우 강하게 휘게 만들어 빛조차 빠져나올 수 없는 구멍이 만들어집니다이 구멍이 그 유명한 블랙홀이 제가 대학을 다닐 때는 이런 어려운 이론에서 예측하는 내용들이 별로 믿기지 않았지만 요즘에는 하늘에서 수많은 것들을 관찰할 수 있고 그것들을 천문학자들이 연구하고 있습니다 하지만 여기서 그치지 않죠 공간은 전체적으로 게 확장되고 팽창할 수 있습니다 아인슈타인의 방정식은 거기에서 더 나아가 아예 공간은 정지된 상태로 있을 수 없으며 항상 확장하고 있다고 지적했죠 1930년 우주의 팽창은 실제로 관측됐고 아인슈타인은 자신의 방정식을 통해 우주의 팽창이 아주 작지만 매우 뜨거웠던 젊은 우주의 폭발 이름하여 빅뱅에 의한 것이라고 예측했습니다 이번 가설도이를 뒷받침하는 증거들이 하나 둘씩 늘어났고 폭발 초기의 열기로 인해 발생했던 빛이 우주에 산되는 우주 배경 복사까지 관찰했습니다 아인슈타인의 방정식의 예측이 옳았던 것이죠 또 한 가지 아인슈타인은 공간이 중력파의 영향으로 바다의 표면처럼 물결을 이루며이는 쌍에서 관찰될 것이라고 예측했습니다 더 놀라운 것은 아인슈타인의이 파장의 규모를 수천억 분의 1 정도까지 정확하게 짚어냈다는 것이죠이 외에도 아인슈타인의 이론은 수많은 것들을 예측했습니다 정리하면 아인슈타인의 이로는이 화려하고 경의로운 세상에서 우주가 폭발하고 공간이 출구도 없는 구멍 속으로 빨려 들어가고 시간은 한 행성에서 아래로 내려갈수록 느려지고 별과 별 사이에 펼쳐진 공간은 바다의 표면처럼 물결 모양을 이르며 흔들린다고 설명합니다이 모든 것은 기본적인 직관 즉 공간과 장이 같다는 개념에서 얻어진 결과이죠 그리고 간단한 방정식이 낳은 결과이기도 합니다이 책을 읽는 독자들은 이해할 수 없을지 모르지만 적어도 얼마나 간단한지 보여 드리고 싶어서 한번 쓰고 넘어가 당연히 리만의 이론을 소화하고 이런 방정식을 읽는 법을 습득하려면 학습 과정이 필요하죠 약간의 시간과 노력도 할해 할 것입니다 아인슈타인의 예측에서든 리만의 이론에서 그 속에 감춰진 아름다움과 세상을 보는 새로운 시각만 인정할 줄 알면 됩니다 우주의 구조 과은 실험과 측정 수학 엄격한 추론이기 이전에 시각적 있니다 과학적 사고는 우리가 예전과 다른 방식으로 사물을 볼 줄 아는 능력이 있어야 성장합니다 수천 년 동안 세상 사람들은 아래에는 땅 위에는 하늘이 있다는 개념을 갖고 있었죠 26세기 전 그리스의 철학자 아낙시만드로스가 이룬 최초의 위대한 과학 혁명은 태양과 달 별이 어떻게 지구 주의를 돌 수 있는지를 연구하고 바꿔 놓았습니다 아낙시만드로스의 혁명후 하늘은 땅 위에만 있는 것이 아니라 사방을 둘러싸고 있고 땅은 어딘가로 추락하지 않고 공간 속에 매달린 채 표류하는 거대한 바위가 됐죠 일찍에 누군가는 어쩌면 파르메니데스 일수도 있고 피타고라스 수도 있는 비행을 하기 위한에 가장 형태는 모든 방향의 형태가 똑같은 구형이라는 것을 깨달았습니다 그리고 아리스토텔레스는 수많은 천체들이 주행하는 지구 주변의 하늘과 지구가 구형이라는 것을 확인하기 위해 설득력 있는 과학적 명제를 제시했죠 그 결과 탄생한 우주의 이미지가 바로 이것입니다 이것이 아리스토텔레스가 자신이 쓴 천체에 묘사한 우주의 모습이자 중세가 끝날 때까지 지중의 주변 문명의 특징으로 남은 세상의 이미지이 그리고 단가 학교에서 공부했던 세상의 이미지이기도 합니다 그 이후 코페르니쿠스가 소위 위대한 과학적 혁명을 시작하면서 또 한번 도약하게 됩니다 코페르니쿠스의 세상은 아리스토텔레스의 세상과 다르지 않았습니다 하지만 근원적으로 다른 것이 하나 있었죠 코페르니쿠스는 고대 이미 되었으나 버려졌던 아이디어에 차가 나여 행성들의 무도회의 중심에 있는 것이 지구가 아니라 태양이라는 것을 발견하고이를 증명해 냈습니다 매우 빠른 속도로 스스로 회전하며 태양의 주의를 도는 행성이 된 것이죠 계속해서 지식이 축적되고 인간이 사용하는 도구가 발전하면서 대한가 우주에 존재하는 다른 무수한 행성계 다르지 않다는 것과 우리의 도 다른 별들과 똑같은 별일 뿐이라는 사실이 밝혀졌습니다 태양도 천억개 정도의 별들이 모여 만들어진 거대한 별구름 즉 은하계 속에 아주 미세한 알갱이 하나에 지나지 않는 것이라는 사실을 말이지요 1930년대에 들어서면서 천문학자들은 성들을 정확하게 측정해 은하 역시 수천 수백만 개의 은하로 이루어진 대한 은하 그름 속에 있는 먼지 알갱이 같은 존재일 뿐이라는 것을 증명했죠 다만 그러한 은하 그름은 성능이 아주 뛰어난 망원경을 사용해야만 볼 수 있고 우리의 맨눈으로는 볼 수 없는 곳까지 뻗어 있습니다 이제 세상은 균등하고 무한하게 펼쳐진 곳이 되었습니다 지구의 궤도에서 업을 망원경으로 사진을 찍으면 되게 가장 성능이 좋은 망원경을 동원해야 볼 수 있고 맨눈으로는 새카만 하늘의 아주 작은 조각으로 밖에 보이지 않을 아주 먼 하늘의 모습까지도 볼 수 있죠이 천체 망원경으로는 아주 멀리 있는 은하들이 흩뿌려져 있는 모습이 보입니다 우리와 비슷한 태양을 가진 수천억개의 은하도 있죠 몇 년 전부터는이 태양의 주위에도 대부분 행성들이 있다는 사실을 우리 눈으로 확인하기도 했습니다 그러니까 우주에는 지구와 같은 행성이 수백 수천억 개나 존재한다는 것이죠 그리고 이러한 은하계들이 존재는 사방 곳곳에서 관찰됩니다이 은하계가 다 똑같아 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다 공간이 평면이 아닌 곡선입니다 은하들이 흩뿌려진 우주의 조직 자체가 바다의 파도와 비슷한 파동에 의해 움직이고 있다고 생각해야 합니다 그렇기 때문에 바다에서 배가 지나가면 가 요동을 치듯 블랙홀이 지나가면 우주의 공간도 동요합주 현재 우리는이 거대하고 탄력 있고 은하들 가득한 우주가 150억년 정도의 시간 동안 성장하면서 작고 아주 뜨겁고 밀도가 높은 은하 그룹에서 벗어났다는 것을 알게 되었습니다 그리고 이제는 그런 모습을 설명하려면 우주가 아닌 우주의 전체적인 역사를 그림으로 나타내야 합 예를 들면 바로 이런 계도가 필요합니다 우주는 작은 공 모양으로 만들어졌고 수없는 폭발을 거쳐 현재의 크게가 됐습니다 이것이 현재 우리 우주의 모습인데 우리가 아는 것보다 규모가 더 큰 단계까지 확장되었습니다 이밖에 또 무언가가 있을까요 예전에는 또 무엇이 있었을까요 혹시 우리와 비슷한 우주 나 완전히 다른 우주도 존재할까요 과학은 우리를 끝도 없는 미지의 세계로 안내하는 듯합니다 우리는 항상 사랑을 하는 정직한 존재입니다 우리는 천성적으로 더 많은 것을 알고 싶어 합니다 그래서 계속 배웁니다 우리가 배울 수 있는 것은 한계가 있지만 우리는 알고자 하는 욕망을 불태웁니다 지식은 아주 작은 공간에 심오한 구조 속에 시간의 특성 속에 블랙홀의 운명 속에 그리고 우리의 생각 속에 있습니다 [음악]