빅뱅 우주론 강의(모든 사람을 위한)(증보판)

'대한민국 대표 우주론 교과서' 대망의 증보판 출간!

★ APCTP 선정 "우리 시대의 과학 고전 50"

★ 융합형 과학 교육의 필독서



지금 인류는 갈릴레오, 뉴턴, 아인슈타인의 시대 이상의 지식 혁명 시대를 살고 있다. 우주의 기원과 운명이 밝혀지고 있기 때문이다. 우주의 기원과 운명, 이것이야말로 인류 지식의 궁극적 목표가 아닐까? ― 본문에서



21세기에 들어선 오늘날은 또 다른 천문학 혁명기에 놓여 있다. 플랑크 우주 망원경은 우주 배경 복사의 비등방성을 정밀 관측해 우주의 남은 비밀들을 풀어나가고 있다. 앞으로 허블을 대체할 제임스 웹 우주 망원경이 가져올 변화는 감히 예상할 수 없을 정도이다. 오늘날 우리는 우주 137억 년의 역사와 미래의 운명을 놀라울 정도로 견고하게 파악해 나가고 있다. 바로 빅뱅 우주론을 통해서 말이다.

융합형 공교육을 목적으로 개편된 고등학교 과학 교과에 천문학의 비중이 확대되었다. 특히 '우주의 기원과 진화', 즉 빅뱅 우주론에 관한 내용이 교과서의 첫머리를 장식하고 있다. '융합형 교과 시대'를 예고했던 2009년, 이석영 교수(연세 대학교 천문우주학과)의 『모든 사람을 위한 빅뱅 우주론 강의』는 출간과 함께 대중의 관심을 불러일으켰다. KBS 「인문강단 락(樂)」 초청 강연과, 이명현 교수 등 저명한 천문학계 인사들의 찬사 속에서 이 책은 단 번에 베스트셀러로 자리매김했다. 우리 사회가 빅뱅 우주론의 중요성을 체감하고 현대인이 반드시 알아야 할 기초 소양으로 인정했다는 뜻이다.

2018년부터 문 이과 통합 과학 시험이 출제되면 빅뱅 우주론에 대한 깊은 이해가 수험생들에게 요구될 것이다. 빅뱅 우주론이 통합 과학, 즉 137억 년에 걸친 빅히스토리의 시작이기 때문이다. 이제 중고등학생도 반드시 읽어야 할 이 책은 진정으로 '모든 사람을 위한' 책이 되었다.



천문학의 시대, 필수 교양이 된 빅뱅 우주론

융합형 교과 시대의 청소년과 일반인의 필독서



이번에 ㈜사이언스북스에서 새롭게 펴낸 『(증보판) 모든 사람을 위한 빅뱅 우주론 강의』는 우주의 원리를 설명하는 유일무이한 이론으로 자리매김한 빅뱅 우주론의 핵심과 최근 이슈를 모두 담았다. 새로운 천문학 혁명을 직접 경험하는 '감격을 나만 알 수 없다'는 저자 이석영 교수가 직접 들려주는 빅뱅 우주론의 최신 연구 결과를 이번 증보판을 통해 확인할 수 있다. 빅뱅 우주론의 기초부터 최전선의 풍경까지 모두 담은 강의라고 할 수 있다.

특히 증보판에 새롭게 추가된 12강 「우주 배경 복사의 비등방성」은 최전선의 핵심을 이루고 있다. 최근 10년간 WMAP와 플랑크 우주 망원경의 측정 결과에 따르면, 우주 배경 복사의 온도 분포는 완전히 고르지 않고 10-5~10-6의 편차를 보인다. 이 미세한 온도 편차를 우주 배경 복사의 비등방성이라고 한다. 그동안 측정상의 오차로 치부했던 비등방성이 현재 우주의 거대 구조를 결정하는 씨앗 역할을 했다는 사실이 오늘날 밝혀지고 있다. 이론적 예측과 놀랍도록 일치하는 비등방성 연구 결과와 우주 거대 구조의 형성 과정을 이 책에서 확인할 수 있다.

한편 저자는 편평한 우주가 언젠가 팽창을 멈출 것이라는 대중의 오해를 바로 잡기 위해 특별히 수학적 증명 과정을 수반한 부록 「편평한 우주의 팽창」을 추가했다. 심지어 고등학교 과학 교재들조차 이러한 오류를 범하고 있는 지금, 이 책은 정확한 내용을 바탕으로 '대한민국 대표 우주론 교과서'로 자리매김하고 있다.

이석영 교수는 연세 대학교 천문우주학과를 졸업하고 예일 대학교에서 타원 은하에 관한 이론으로 박사 학위를 받았다. 타원 은하에 관한 논문으로 학계에서 크게 인정받은 그는 미국 천문학회에서 기조 강연을 하기도 했다. 졸업 후에는 곧바로 미국 항공 우주국(NASA) 고더드 우주 비행 센터에서 연구원으로 재직하면서 허블 우주 망원경 프로젝트에 참여했다. 뿐만 아니라 캘리포니아 공과 대학에서 선임 연구원으로 지낸 이력도 있다. 국내 천문학계가 배출한 최고의 인재라고 감히 말할 수 있다.

이 책은 그가 옥스퍼드 대학교와 연세 대학교에서 교수로 재직하며 학생들에게 강의한 빅뱅 우주론의 모든 것을 담고 있다. 자칫 어려울 수도 있을 내용들을 최대한 쉽게 설명하는 이석영 교수의 강의를 통해, 우리는 새로운 천문학 혁명의 맥락을 따라잡을 수 있다. 요컨대 『(증보판) 모든 사람을 위한 빅뱅 우주론 강의』는 우주 137억 년의 역사를 단 한 권에 담은 책이다.



"당신의 우주는 얼마나 넓습니까?"

한국 대표 천문학자가 들려주는 우주 137억 년의 이야기



나는 감히 "꽃보다 아름다운 것이 우주 공간에 있다."라고 말하고 싶다. 우주에는 단순한 아름다움을 넘어 '무게 있는 아름다움'이 있다. ― 본문에서



『(증보판) 모든 사람을 위한 빅뱅 우주론 강의』는 새롭게 추가된 강의를 포함해 총 18강으로 구성되어 있다. 1강 「당신의 우주는 얼마나 큰가요?」에서 저자는 우주 구성의 개괄적인 배경 지식과 함께 방대하고 심오한 빅뱅 우주론의 세계로 들어가는 우리를 맞이한다.

본격적으로 강의가 시작되는 2~4강에서는 빅뱅 우주론의 탄생 과정을 다룬다. 먼저 2강 「무게 있는 아름다움」에서는 허블 우주 망원경을 통해 관찰한 은하와 은하단의 모습을 통해 앞으로 다룰 탐구 대상(우주)의 규모를 체감할 수 있다. 지름 10만 광년의 은하, 태양 질량의 1000조 배에 해당하는 은하단, 수십억 년에 걸쳐 진행되는 은하의 모습 변화 등은 감히 우리의 일상적인 사고방식으로는 상상할 수 없는 규모이다. 독자 스스로가 이러한 '천문학적 관점'을 정립했다면, 이제껏 그 누구도 헤아리지 못한 세계를 탐구한다는 자부심을 갖고 다음 강의로 넘어가도 좋다.

3강 「우주는 왜 한 점으로 수축하지 않을까?」는 빅뱅 우주론의 실마리를 제공한 동시에 그것을 부정했던 아인슈타인의 이야기로 시작한다. 빅뱅 우주론이 생명력을 얻은 것은 오히려 프리드만의 (아인슈타인의 방정식을 통한) 수학적 증명과 허블의 관측 덕분이었다. 이러한 역설적인 탄생 이후 빅뱅 우주론은 본격적으로 발전을 거듭해 천문학의 핵심 이론으로 자리 잡는다.

4강 「빛은 137억 년의 세월을 뚫고」에서는 우주의 '끝'에서 '137억 년의 세월을 뚫고' 우리에게 도달한 우주 배경 복사의 발견에 대한 이야기를 다룬다. 우주 배경 복사의 발견은, 그리고 그것의 에너지 스펙트럼이 열역학 이론과 정밀하게 일치한다는 사실은 빅뱅 우주론을 증명할 수 있는 직접적인 증거에 해당한다.



우주가 과거로부터 지금까지 팽창해 왔다면 앞으로는 어떻게 될까? 끝도 없이 팽창할까? 아니면 언젠가는 다시 줄어들까? 빅뱅 우주론에 따르면 우주의 운명은 우주 탄생과 함께 이미 결정되었다. 이것은 마치 로켓을 공중으로 쏘아 올릴 때 초기 속도를 알면 로켓의 최후를 알 수 있는 것과 같다. ― 본문에서



5~7강은 빅뱅 우주론이 밝혀낸 우주의 역사를 다룬다. 5강 「우주의 나이가 38만 년이 되기까지」에서는 빅뱅 직후부터 38만 년의 기간에 일어난 우주의 변화에 대해 설명하고 있다. 대통일 이론 시대, 급팽창의 시대, 강입자의 시대, 핵합성의 시대를 비롯해 우주 역사 38만 년까지 개괄적으로 이해할 수 있다. 특히 앞서 이야기한 '천문학적 관점'이 매우 긴 시간뿐만 아니라 매우 짧은 시간(10-43초)에 대한 이해 역시 요구한다는 것을 미리 일러두고 싶다.

이렇게 짧은 시간을 조금이나마 헤아릴 수 있다면 6강 「태초의 3분」으로 넘어와도 좋다. 태초의 3분은 이후 137억 년의 역사와 견줄 정도로 역동적인 변화가 있었던 시기다. 강입자와 수소 원자가 지배했던 이 시기의 우주는 빅뱅 핵합성 이론을 통해 잘 설명된다. 수소 원자의 핵합성 작용을 시작으로 헬륨 등의 물질들이 만들어지며 현재의 우주가 형성되었다는 것이다.

7강 「우주의 운명은?」에서는 그렇게 만들어진 우주의 미래를 예측하고 있다. 우주가 계속 가속 팽창해서 극히 낮은 밀도를 갖게 될 것인지, 아니면 서서히 팽창을 멈추고 특정한 크기를 갖게 될 것인지 등의 다양한 가능성이 있다. 심지어 다시 한 점으로 수축할 것이라는 '빅크런치' 가설도 있다. 그 누구도 미래를 완벽히 헤아릴 수 없지만 초기 조건을 통해 과학적으로 어느 정도 예측할 수는 있다. 그래서 천문학자들은 빅뱅 초기 우주의 상태를 알고자 했는데, 이 과정에서 치명적인 문제점들을 발견했다.



그저 공상에 그치고 말 것인가?

빅뱅 우주론의 3대 난제와 해결책



1920년 말 허블의 우주 팽창 발견, 1960년대 우주 배경 복사의 발견, 1950년대부터의 이론 연구와 1980년대의 관측 연구를 통해 완성된 빅뱅 핵합성 이론 등은 빅뱅 우주론을 현존하는 최고의 우주론으로서 자리매김하게 만들었다. 하지만 빅뱅 우주론에도 문제는 있었다. 그것도 매우 심각한 문제가 말이다. ― 본문에서



8~9강은 빅뱅 우주론이 지닌 문제점들을 다루고 있다. 8강 「빅뱅 우주론은 완벽하지 않았다」는 빅뱅 우주론에 위기를 가져온 대표적인 문제점들을 소개한다. 정보 교환의 한계 범위를 넘어서는 두 지점으로부터 같은 정보가 관측된다는 '우주의 지평 문제', 현재의 우주가 만들어지기 위해서는 초기 우주의 밀도가 조금의 오차도 없이 매우 신묘하게 결정되었어야 한다는 '편평도 문제', 초기 우주에 존재했을 원시 입자를 현재 전혀 발견할 수 없다는 '원시 입자 문제' 등을 이번 강의에서 확인할 수 있다.

9강 「보이는 게 전부가 아니다!」에서도 문제가 발생한다. 눈에 보이는 우주의 밀도보다 실제 밀도가 훨씬 더 높다는 것이다. 더 골치 아픈 일은 그것까지 감안해 계산한 우주의 팽창 속도와 달리 실제로는 훨씬 더 빠른 속도로 우주가 팽창하고 있다는 것이다. 이것들을 설명하기 위해 오늘날에는 각각 암흑 물질과 암흑 에너지라는 개념이 도입되었다.



여기저기 구겨진 모습에서 맵시 있는 셔츠를 상상할 수 없는 것처럼 급팽창 전 초기 우주만 봐서는 지금같이 멋진 우주를 생각해 낼 수 있을 것 같지 않았다. 그런데 급팽창이라는 최신 다리미를 사용해 쓱쓱 다렸더니 원래의 구김살이 작았든 컸든 상관없이 무조건 깨끗하게 펴지는 것이 아닌가! ― 본문에서



10~13강에서는 틀린 이론으로 낙인찍힐 위기에 봉착한 빅뱅 우주론을 기사회생시킬 뿐만 아니라 오히려 더 견고하게 만들어 준 해법이 소개된다. 10강 「초강력 다리미, 급팽창」은 앨런 구스가 주장한 급팽창 이론을 다룬다. 물이 끓으면 부피가 급격히 증가하듯이 매우 뜨거웠던 초기 우주 역시 급격한 부피 팽창을 거쳤다는 것이다. 가설을 넘어 급팽창 이론이 될 수 있었던 증거들과 함께, 이것이 앞서 언급한 빅뱅 우주론의 문제점들을 멋지게 해결하는 모습을 확인할 수 있다.

11강 「정체 모를 에너지가 우주를 지배한다!」는 암흑 에너지에 대해 집중 조명한다. 암흑 에너지는 중력에 반하는 척력으로 작용해 우주를 가속 팽창시키는 미지의 에너지이다. 특히 아인슈타인의 실수로 여겨졌던 우주 상수가 바로 암흑 에너지의 정체일 가능성이 있다는 것은 매우 흥미로운 사실이다.



잡음이 들려주는 우주 탄생의 비밀

우주 배경 복사에 숨겨진 우주의 비등방성을 국내 최초 해설!



최근 우주론의 가장 큰 쾌거는 우주 배경 복사의 비등방성에 관한 발견이다. ― 본문에서



서로 완전히 다른 각도에서 진행된 연구들이 여기저기에서 서로 들어맞기 시작하더니 그럴듯한 우주의 모습 하나가 그려지기 시작한 것이다. 우리는 드디어 우주의 역사를 알게 된 것인가? ― 본문에서



앞서 언급한 12강 「우주 배경 복사의 비등방성」은 급팽창 이론의 새로운 증거가 되는 연구 결과를 다루고 있다. 우주 공간이 균일하고 등방적이라는 '우주론의 기본 원리'가 무너졌지만 이를 통해 급팽창을 거친 우주 탄생 과정을 훨씬 더 자세히 이해하게 되었다. 관측 기술이 발달함에 따라 더 새로운 비밀들이 밝혀질 것으로 기대되는데, 이 때문에 저자는 오늘날이 혁명기라고 말한다.

13강 「우리가 아는 것은 겨우 4퍼센트」는 빅뱅 우주론의 문제점부터 해결책까지 이어지는 기나긴 내용의 소계에 해당한다. 초기 빅뱅 가설부터 비등방성에 관한 최신 연구에 이르기까지 결국 우리가 깨달은 것은 오직 우주의 4퍼센트만 이해했다는 것. 나머지 96퍼센트를 이루고 있는 암흑 물질과 암흑 에너지는 여전히 미지의 영역이다. 하지만 무엇을 모르고 있는지 알고 있다는 사실만으로도 빅뱅 우주론의 의의는 충분하다.



아낌없이 사회에 환원하는 이들이 가끔씩 있어, 이 사회가 그나마 살 만한 것처럼 느껴지듯이, 자신이 만든 원소들을 아낌없이 돌려준 거대한 별들이 있기에 이 우주가 아름다운 게 아닌가 싶다. ― 본문에서



14강 「암흑 물질은 은하의 요람」은 96퍼센트의 미지의 영역에서 비롯된 별과 은하의 탄생에 대해 다루고 있다. 암흑 물질의 중력 분포가 만들어 놓은 우주 공간의 '웅덩이'로 입자들이 모여들어 핵융합 과정을 거쳐 최초의 별과 은하가 탄생했다. 15강 「별보다 은하」, 16강 「하나의 별이 탄생해 사라지기까지」는 그렇게 탄생한 별과 은하의 이야기를 다루고 있다. 은하 연구는 이석영 교수의 전공 분야에 해당하는 만큼 그의 정밀한 설명이 담긴 강의를 한 문장 한 문장 직접 경험해 볼 것을 권한다. 특히 이번 증보판을 통해 12강에서 다뤘던 우주 배경 복사의 비등방성이 어떻게 현재와 같은 은하 분포를 만들어냈는지 확인할 수 있다.



바로 이 순간 인류 최대의 질문이 밝혀진다

빅뱅 우주론의 신기원, 그 첫 번째 고전!



20세기 초부터 속도가 붙은 관측 기기의 발전은 21세기에 접어든 지금 최정상을 향해 치닫고 있다. ― 본문에서



갈릴레오가 망원경으로 목성을 처음 관찰했을 때 스스로가 수천, 수만 년을 이어 오던 인류의 우주관을 송두리째 바꾸게 될 줄은 꿈에도 생각하지 못했을 것이다. 가장 고귀한 발견은 우리가 상상하지 못하는 방식으로 상상할 수도 없는 가치를 가지고 불쑥 찾아올 것이다. ― 본문에서



지금 이 순간이 천문학 혁명기라고 말하는 이유 중 하나는 관측 기술의 획기적인 발전에 있다. 우리는 외부 은하를 관측한 허블 우주 망원경, 우주 배경 복사 스펙트럼을 측정한 코비 우주 탐사선, 천문학의 정량화 시대를 이끈 WMAP, 더욱 정밀한 우주 배경 복사 온도 분포를 측정해 비등방성 연구에 기여한 플랑크 우주 망원경, 그리고 2018년 발사 예정인 제임스 웹 우주 망원경 등이 가져다주는 혜택을 누리고 있다. 이와 관련한 내용이 17강 「21세기는 천문학의 시대」에 잘 드러나 있다. 급팽창 이론과 비등방성 연구로 대표되는 이론적 발전과 더불어 차세대 우주 망원경의 출현에 힘입어, 우리가 아는 우주는 더욱 선명하고 넓어지고 있다.

어느덧 18강 「이 모든 것이 빅뱅의 산물이다」에 와서도 여전히 궁금한 점이 무궁무진할지도 모른다. 137억 년의 역동적인 우주 역사를 모두 담아낸 책이니 그 내용의 밀도가 높다는 것을 인정해야 할 것이다. 다만 최초의 빅뱅 가설이 발표된 지 90년, 코비 우주 탐사선이 우주 배경 복사 스펙트럼을 측정한 덕분에 가설에 불과했던 빅뱅설이 이론으로 정립된 지 25년, 우주가 가속 팽창한다는 사실이 밝혀지고 암흑 에너지라는 개념이 본격적으로 도입된 지 20년이 지난 지금, 우리가 서 있는 위치를 알고 있다면 '빅뱅 우주론 강의'의 훌륭한 수강생이라고 생각해도 좋다.

올해는 빅뱅 우주론과 관련된 각종 기념일이자 차세대 관측 기술이 가져올 극적인 변화의 한가운데에 위치해 있다. 빅뱅 우주론의 신기원을 맞이하는 2017년, 『(증보판) 모든 사람을 위한 빅뱅 우주론 강의』의 출간은 그 의미가 크다.



21세기는 천문학의 시대이다. 셀 수 없을 정도로 많은 우주 탐사 프로젝트가 진행되고 있다. 자, 이제 독자들 중 누가 이 역사에 참여할 것인가? ― 본문에서

증보판을 펴내며 진심으로 '모든 사람'을 위해 7
책을 시작하며 하늘의 높이라고? 10

1강 당신의 우주는 얼마나 큰가요? 15
2강 무게 있는 아름다움 23
우주 망원경 연구소 41
3강 우주는 왜 한 점으로 수축하지 않을까? 43
예일 대학교 59
4강 빛은 137억 년의 세월을 뚫고 61
프리스턴 대학교와 고등 과학원 74
5강 우주의 나이가 38만 년이 되기까지 77
옥스퍼드 대학교 92
6강 태초의 3분 95
케임브리지 대학교 107
7강 우주의 운명은? 109
카네기 천문대 123
8강 빅뱅 우주론은 완벽하지 않았다 127
파리 천체 물리 연구소 144
9강 보이는 게 전부가 아니다! 147
캘리포니아 공과 대학 170
10강 초강력 다리미, 급팽창 173
매사추세츠 공과 대학 185
11강 정체 모를 에너지가 우주를 지배한다! 187
하버드 대학교 205
12강 우주 배경 복사의 비등방성 207
하버드 대학교 221
13강 우리가 아는 것은 겨우 4퍼센트 225
캘리포니아 주립 대학교 샌타크루즈 캠퍼스 232
14강 암흑 물질은 은하의 요람 235
막스 플랑크 연구소 247
15강 별보다 은하 249
레이던 대학교와 흐로닝언 대학교 271
16강 하나의 별이 탄생해 사라지기까지 273
파도바 대학교 290
17강 21세기는 천문학의 시대 293
미국 항공 우주국 303
18강 이 모든 것이 빅뱅의 산물이다 307

부록 편평한 우주의 팽창 314
찾아보기 317
사진 및 그림 저작권 320

이석영 저자 이석영은 연세 대학교 천문우주학과를 졸업하고 미국 예일 대학교 천문학과에서 타원 은하의 자외광 진화에 관한 이론 연구로 박사 학위를 받았다. 미국 항공 우주국(NASA) 고더드 우주 비행 센터에서 박사 후 연구원을 지내면서 허블 우주 망원경 프로젝트에 참여해 이론적 연구를 수행했다. 그 후 미국 캘리포니아 공과 대학 물리학과 교수를 지냈다. 2005년에는 별 생성을 멈춘 것으로 알려졌던 타원 은하가 별을 꾸준히 생성하고 있다는 것을 발견해 세계 천문학계를 놀라게 했다. 이 업적을 인정받아 미국 천문학회의 초청을 받고 기조 강연을 하기도 했다. 현재 연세 대학교 천문우주학과 교수로 학생들을 가르치며, 타원 은하의 별 생성 과정과 초거대 블랙홀과의 관계를 밝히는 연구를 하고 있다. 은하의 진화 연구로 천문학 분야 최고 권위 학술지인 《미국 천체 물리학회지》, 《영국 왕립 천문학회지》, 《사이언스》, 《네이처》 등에 100편 이상의 논문을 발표했고, 미국 과학 한림원 협력 연구상을 받았다. 저서로는 『초신성의 후예』가 있다.