도서 소개
우리의 일상적 삶은 어떻게 우주의 바다와 연결되는가? 원자와 세포, 책과 장미, 고양이와 인간, 물과 빛, 행성과 은하 그리고 우주의 모든 것은 어떻게 생성되었고 작동하는가? 이 모든 것을 움직이는 기본 원리는 무엇인가? 30년 넘게 입자물리학, 끈이론, 양자장이론을 연구해온 물리학자이지 탁월한 과학커뮤니케이터인 지은이가 상대성이론과 양자물리학 등 현대물리학 핵심 개념을 통해 인간의 일상적 삶과 우주의 질서가 어떻게 연결되는지를 설명한다.
운동, 에너지, 물질, 질량, 빛, 파동, 공명, 매질, 장(field), 힉스, 빅뱅, 코스모스 등 기본 개념을 일반인들의 눈높이에 맞게 다시 재구성함으로써 우리가 살아가는 세상을 바라보는 새로운 시각을 제시한다. 전자와 쿼크의 운동과 같은 지극히 미시적인 세계에서부터 우리의 몸과 마음 그리고 감각적 경험 그리고 이 세상에 존재하는 모든 것들의 생성 원리와 우주의 작동 원리까지 개념적으로 명쾌하게 아우르는 설명은 마치 한 편의 황홀한 우주적 오디세이를 보는 듯하다.
출판사 리뷰
현대물리학으로 바라본 우주의 비밀에 관한 한 편의 황홀한 오디세이
“이것은 한 편의 황홀한 오디세이다.”(스테판 알렉산더) 너무나도 작아서 인간의 눈으로는 절대로 볼 수 없는 전자와 쿼크에서 가늠할 수 없을 정도로 광활하고 거대한 우주까지, 생성되자마자 순식간에 사라지는 것부터 우주의 탄생 이래 수십억 년 동안 존재해온 것까지, 아무것도 없는 빈 공간부터 인간의 머리로는 도저히 헤아릴 수 없는 무수히 많은 것들에 대한 이야기까지 종횡무진 한다. 우리 몸과 주변에서 볼 수 있는 평범한 사물들 그리고 밤하늘의 거대하고 광활한 우주의 모든 것들을 아우른다. 원자와 세포, 책과 장미, 고양이와 인간, 물과 빛, 행성의 운행과 은하 그리고 우주의 모든 것은 무엇으로 이루어져 있으며 어떻게 작동하는 것일까? 30년 넘게 입자물리학과 끈 이론, 양자장 이론을 연구해온 물리학자이자 탁월한 과학커뮤니케이터인 저자는 현대물리학의 눈으로 인간의 일상적 삶과 우주적 질서가 어떻게 연결되는지에 대해 차근차근 설명한다. 운동, 에너지, 물질, 질량, 빛, 파동, 공명, 매질, 장, 힉스 등 물질세계의 이치를 파악하는 핵심 단서들을 일반인들의 눈높이에 맞게 다시 재구성하여 한 편의 드라마 같은 여정으로 이끎으로써 우리가 살아가는 세계를 새롭게 바라보게 한다. 이로써 이 책은 현대물리학의 최전선에서 물리학자들이 씨름하고 있는 문제들의 심장부로 우리를 데려간다.
왜 우리의 직관과 상식 그리고 언어는 물리학적 원리와 반대로 움직이는 것일까?
지금 이 순간에도 지구는 초속 240킬로미터로 회전하고 있다. 뮤온 입자는 대기권에서 엄청난 속도로 인간의 머리를 향해 돌진하고 있고, 공기 분자는 우리의 얼굴을 강타하고 있으며, 우리 몸을 이루는 기본 입자들은 끊임없이 진동하고 있다. 하지만 우리는 이를 전혀 감지하지 못한다. 이유가 뭘까? 사물을 구성하는 원자는 대부분이 빈 공간임에도 왜 우리는 앉아 있는 의자를 통과해 땅으로 꺼지지 않는 것일까? 세상의 물질은 움직이고, 출렁이며, 흐물흐물하고, 금방 사라져버리는 파동으로 이루어져 있음에도 어떻게 탁자, 나무, 손, 행성과 같은 단단하고 실체감이 있는 물체들이 만들어질 수 있는 것일까? 현대물리학이 말하는 우주의 작동 원리를 이해하기 위해서는 인간이 지구라는 행성에서 생존하면서 터득해온 직관적 지식과 감각적 환영과 상식적 논리와 언어적 혼란이라는 더께를 걷어내야만 한다. 지구에서는 삼척동자도 알 수 있는 마찰력이라는 것이 없는 세계를 상상할 수 있어야 하고, 움직이는 물체는 언젠가 정지한다는 상식적 논리를 넘어서야 한다. 지난 수천 년 동안 내로라하는 뛰어난 사상가들조차 지구가 외부에서 힘을 가하지 않아도 끊임없이 회전할 수 있다는 사실을 알아차리지 못한 것은, 20세기 들어서야 ‘등속운동은 감지할 수 없다’는 상대성원리의 핵심 원리를 과학적으로 정립할 수 있었던 것은 바로 우리가 진화하면서 생존을 위해 쌓아온 직관과 상식과 언어가 가진 한계 때문이었다. 책은 운동, 질량, 빛, 에너지, 파동 등 현대물리학의 가장 기본적인 개념들을 새롭게 재구성하고 알기 쉽게 설명하면서 이러한 직관적 앎의 먼지를 벗겨내고 물리세계의 비밀을 풀어나간다. 어떻게 운동이 힘을 들이지 않고도 가능한지, 마찰력이 없는 세계의 모습은 어떤지, 우리를 구성하는 기본 입자들이 왜 우주 제한 속도인 빛의 속도보다 느리게 움직이는지에 대해 하나하나 파헤친다.
생명이 있는 우주는 격렬하고, 혼란스럽고, 다양하며, 수많은 복잡성으로 가득하다.
우리 우주는 우아하지 않다.
우리 우주는 어떻게 지금의 모습을 갖게 되었을까? 우주를 구성하는 기본 입자들은 어떻게 물과 당과 미네랄과 단백질 분자를 형성하고 다시 이 분자들이 모여 DNA와 세포와 식물과 동물과 바위와 장미와 그리고 생각하는 인간을 만들었을까? 그것은 바로 전자와 양성자와 중성자 같은 입자들이 정지 질량을 가지며, 우주 제한 속도보다 느리게 움직이기 때문이다. 이렇게 우리 우주에 존재하는 모든 것들이 생겨나게 된 것이다. 만약 전자와 쿼크가 정지 질량이 없다면 어떨까? 모든 것이 우주 제한 속도인 빛의 속도로 움직이는 우주는 어떤 모습일까? “세상의 모든 재료가 영원히 우주 제한 속도로 움직인다면, 어떻게 가스 구름이 붕괴되어 별이 만들어지고, 씨앗이 발아하여 장미꽃을 피우고, 뇌가 연결되어 생각을 할 수 있을까? 모래가 제자리에 머물기를 거부하고, 마치 태풍에 휩쓸리듯 순식간에 흩어져버린다면, 모래로 어떻게 모래성을 쌓을 수 있을까?” 세상을 구성하는 기본 입자가 우주 제한 속도보다 느리게 운동한다는 사실 덕분에 이 우주와 생명을 가진 우리가 존재할 수 있었던 것이다. 만약 물질의 가장 기본이 되는 구성 요소가 모두 빛의 속도로 움직인다면 그 세계는 어떤 모습일까? “이 우주는 우리 우주보다 훨씬 더 단순하다. 어디서나 똑같아 보인다. 성능이 뛰어난 현미경으로 보나 강력한 망원경으로 보나 그 모습은 항상 동일하다. 마치 기계로 칠한 하얀 벽처럼 매끄럽고 완벽하며 흠잡을 데 없는 모습을 하고 있다. 이것은 가장 우아한 우주다. 하지만 생명은 존재하지 않는다.”(120쪽) 우리가 사는 우주는 격렬하고, 혼란스럽고, 다양하며, 수많은 복잡성으로 가득하다. 우주는 결코 우아하지 않다.
우리는 우주라는 집 안에 거주하고 있는 존재가 아니다. 우주의 바다에서 헤엄치는 물고기도 아니다. 우리는 이 기묘한 우주라는 바다의 파도이다!
흔히들 우주를 바다에 비유한다. 공간을 가득 채우고 있으며 모든 것이 파도처럼 요동한다. 하지만 우주는 아직 모르는 것이 더 많고, 쉽게 상상할 수 없으며, 이해하기 힘들고, 그래서 어쩌면 불가능한 바다이다. 책은 우주의 탄생부터 지금까지 존재하면서 모든 것에 질량을 부여한 힉스장의 비밀을 파헤치는 여정을 통해서 현재까지 가장 기본적인 입자인 것으로 보이는 전자와 쿼크에서부터 원자, 세포, 인간의 몸, 식물과 동물 그리고 우주의 모든 것까지 모두 연결되어 있음을 밝혀낸다. 하지만 여전히 우주는 논리적으로 설명할 수 없는 무언가가 남아있고 해결되지 않는 근본적 질문이 남아있다. 왜 오직 빛만이 우주 제한 속도로 움직이는 것일까? 우주의 모든 것을 구성하는 기본 입자들은 우주 제한 속도보다 느리게 움직이는 것일까? 왜 빛은 따라잡으려 해도 절대 따라잡을 수 없는 악몽 같은 속성을 가지는 것일까? 우주의 탄생 이후 130억 년의 시간 동안 힉스장의 평균값은 왜 0이 아니고, 또 커지지도 작아지지도 않고 안정적이고 일정하게 유지된 것일까?(만약 힉스장의 평균값이 커지거나 작아지면 우주는 파국적 재앙을 맞아 무로 사라질 것이다.) 여기서 질량 계층 퍼즐과 자연성 문제, 우주 확실성 한계 등 현대물리학이 풀지 못한 난제들이 이어진다. 가장 기본적인 물리 개념부터 우주라는 미지의 심연으로 우리를 이끄는 책은 모든 것이 파괴되고 살아남은 아주 먼 미래의 인류에 관한 우화로 끝을 맺는다. 생명의 비밀을 파헤치기 위해 바다로, 대기 중으로, 우주로 향하던 미래의 인류는 결국 우리 자신으로 되돌아온다. 우주의 비밀은 멀리 있는 것이 아니다. 우리는 우주 안에 마치 집에 거주하듯 우주 안에 거주하는 존재도 아니고, 우주라는 바다 속에 물고기처럼 유영하는 존재도 아니다. 우리는 우주라는 바다의 파동 그 자체이다. 우리는 불가능한 바다의 파도이다.
상대성원리를 설명하는 것은 몇 마디의 말 ― 이를테면, 등속운동은 감지할 수 없다 ― 이면 충분하다. 하지만 인간의 심리와는 상당히 다른 방향으로 움직인다. 상대성원리는 앞으로 물리학자가 될 사람들은 물론이고 우리 모두가 어린 시절부터 자연스럽게 키워왔던 세계에 대한 가정을 뒤엎는다. 마치 일상생활 자체가 인간의 정신이 기본적인 물리 법칙에 닿지 못하도록 설계된 것처럼 보일 정도이다.
고대 그리스의 뛰어난 수학자와 철학자조차 상대성원리를 발견하지 못한 것은 바로 이런 이유 때문이다. 이들은 지구가 둥글다는 것을 증명했고, 집에서 멀리 떠나지 않고도 지구의 크기를 측정했지만, 지구가 움직인다는 결론에 이르지는 못했다. 몇몇 사람들은 지구가 회전하고 이동할지도 모른다고 제안했지만, 가장 영향력 있는 사상가들은 지구가 운동한다면 우리가 쉽게 감지할 수밖에 없을 것이라고 생각했다. 운동이라는 것이 반드시 쉽게 감지될 필요는 없다는 사실을 깨닫는 데는 수 세기가 더 걸렸다.
공은 분명히 물리적 사물, 즉 실체와 무게가 있는 물질로, 손에 쥐고, 던지고, 잡을 수 있고, 반으로 자르고, 저울로 무게를 재고, 코 위에 서 균형을 잡을 수 있다. 더 일반적으로 말해 공은 그 자체로 존재하며, 우리가 던지는 대로 동서남북 어디로든 갈 수 있다. 하지만 밧줄 위의 파동은 이와 달리 잠깐 나타났다가 사라지는 현상이고, 매질에 갇혀 있다. 우리는 밧줄 위의 파동을 손에 쥐거나, 던지거나, 받거나 반으로 자를 수 없다.
따라서 파동과 공이 비슷한 효과를 낼 수 있다는 사실은 흥미롭지만, 그 의미를 너무 확대해석하면 곤란하다. 우리의 직관은 결국 이 둘이 근본적으로 다르다고 말한다. 결국, 파동은 ‘어떤 물질적인 것의 진동’을 포함하긴 해도, 파동 그 자체는 물질이 아니다.
아니 … ‘파동은 정말 물질이 아닐까?’ 곧 우리가 세계의 양자적 본질과 마주하게 되면, 이 질문을 완전히 새로운 관점에서 다시 생각하게 될 것이다.
기타 줄을 퉁겼을 때 줄의 진동이 음파를 만들고, 이 음파가 방 안을 가로질러 우리 고막에 닿는다. 이때서야 비로소 듣는 과정이 시작된다. 음파는 고막을 진동시켜 달팽이관 액체에 파동을 일으키고, 이 파동은 청각 섬모(stereocilia)라는 미세한 털 모양의 구조에 의해 감지된다. 이후 섬모에서 발생한 전기 신호는 청각 신경을 따라 뇌로 전달되고, 뇌는 이 신호를 처리해 어떻게든 음악적 음색이라는 의식적 경험을 만들어낸다.
이 과정에서 우리의 귀와 뇌는 결코 기타와 직접적으로 접촉하지 않는다. 오직 우리의 외이도에 들어온 음파와만 관계를 맺을 뿐이다. 말하자면, 실제로 우리가 ‘듣는’ 것은 소리의 파동일 뿐이다. 마찬가지로 우리가 ‘보는’ 모든 것은 기타에서 반사되어 눈에 도달한 빛일 뿐이다. 우리는 이동하는 소리와 빛의 파동에 의존해 정보를 얻고, 눈과 귀로 이들 파동을 감지하며, 뇌가 그로부터 의미를 만들어낸다. 하지만 소리와 빛을 생성하거나 반사하는 물체 자체를 직접 듣거나 보는 것이 아니라 뇌가 물체의 존재를 추론할 뿐이다. 우리가 물체에 대해 아는 지식은 완전히 간접적인 것이다. 우리의 모든 감각 기관은 오직 정보가 우리 몸에 도달했을 때만 그 정보를 받아들인다. 그전에는 받아들이지 못한다. 이렇게 감각 기관 이 받아들인 정보를 뇌가 해석하여 이를 바탕으로 주변 사물에 대한 어떤 개념을 얻고, 우리의 의식 속에 외부 세계의 모습을 그려낸다. 이렇게 그려진 그림을 우리는 마치 실재인 것처럼 생각하지만, 이 그림은 외부 세계를 부분적으로 재구성한 것이지 직접적인 이미지가 아니라는 사실을 인식하지 못하거나 잊고 지낸다. 우리가 주변 환경에 대해 알고 있는 모든 것은 간접적일 뿐만 아니라 불완전하다.
목차
1. 서곡 007
1부 운동
2. 상대성: 거대한 착각 028
3. 등속운동: 겉보기보다 쉬운 050
2부 질량
4. 우주에 대항하는 갑옷 073
5. 아인슈타인의 등장: 정지 질량 100
6. 세계 속의 세계: 물질의 구조 124
7. 질량인 것(과 질량이 아닌 것) 151
8. 에너지, 질량, 그리고 그 의미 165
9. 감옥에서 가장 중요한 것 179
3부 파동
10. 공명 195
11. 파동의 이해 216
12. 귀로 들을 수 없는 것과 눈으로 볼 수 없는 것 232
4부 장
13. 일반장 257
14. 기본장: 첫 번째, 불안한 모습 276
15. 기본장: 두 번째, 겸손한 모습 321
5부 양자
16. 양자와 입자 339
17. 파동입자의 질량 353
18. 아인슈타인의 하이쿠 379
6부 힉스
19. 그 어떤 장과도 다른 장 387
20. 힉스장의 작동 방식 394
21. 해결되지 않은 기본적인 질문들 417
22, 더 심오한 개념적 질문 434
23. 정말 중요한 질문 442
7부 코스모스
24. 양성자와 중성자 465
25. 양자장의 마법 478
26. 코다: 평범함 속의 비범함 489
감사의 말 498
용어 해설 501
미주 505
찾아보기 528
