과학오디세이 유니버스: 우주.물질 그리고 시공간

빅뱅부터 양자역학 그리고 끈이론까지

세상 모든 것이 궁금한 당신을 위한 과학 이야기





'세상은 왜 없지 않고 존재할까? 우리는 왜 여기에 있을까?'



이처럼 심오하고 궁극적인 질문은 과학의 영역이 아닌 것으로 여겨졌다. 하지만 〈유니버스〉의 저자는 "21세기는 궁극의 질문에 대해 과학이 어느 정도 의미 있는 답들을 내놓기 시작한 최초의 시대로 기록될 것"이라고 말한다. 나아가 저자는 "우리는 지금, 세상의 근원을 추론이 아닌 객관적 사실에 입각해 규명하려는 전대미문의 지적 대모험 시대를 살고 있다"고 강조한다.



16세기 갈릴레오 갈릴레이의 지동설을 시작으로 코페르니쿠스, 케플러, 뉴턴으로 이어지는 과학 세계의 획기적 진보는 '과학혁명'으로 명명된다. 그런데 20세기 후반 이뤄진 과학의 진보는 16세기의 과학혁명을 압도한다. 먼저 과학의 전 분야에서 새로운 도구들이 등장해 혁명을 일으켰다. 다음으로 물리학을 바탕으로 전자, 정보, 컴퓨터공학이 비약적으로 발전했다. 그리고 분자생물학, 뇌과학, 인지과학의 발전이 과학혁명을 가속했다. 한편 지금껏 축적된 과학적 지식은 유기적으로 연결되며, 과학이 인식할 수 있고 설명 가능한 세계의 깊이와 범위가 기하급수적으로 확장됐다. 저자는 과학계의 최근 20여 년을 격동적인 '지적 대혁명'의 시기라고 명명한다.



〈유니버스〉는 우주와 물질에 관한 분야에서 현대과학이 이뤄낸 중요한 성취와 핵심 이론을 집대성했다. 1장에 등장하는 '페르미 버블', '암흑 물질', '암흑 에너지' 등은 우리가 속한 우주의 모습을 인식할 수 있게 하는 핵심요소다. 한편 '우주배경복사'와 '표준빅뱅 이론'은 우주의 기원과 미래를 설명한다. 2장에서는 '양자역학'과 '표준모형'이 소개된다. 두 이론은 우주를 구성하는 가장 작은 입자들에 관한 이론으로서, 물질의 실체를 파악하는 핵심 이론이다. 마지막 3장은 상대성이론과 양자역학을 통합하는 최신의 이론을 다룬다. 예컨대 '끈 이론', 'M-이론', '막 세계 가설' 등 최신이론들은 우주와 시·공간에 대한 근원을 새롭게 밝히며, 인식의 틀을 확장하고 있다.





우주와 생명은 어떻게 존재하고 왜 있는 것일까

경이로운 '빅 히스토리'가 전하는 '인문학적 통찰'



〈유니버스〉와 〈라이프〉는 '과학 오디세이' 시리즈에 속한 쌍둥이 책이다. 〈라이프〉는 '생명과 인간, 마음'의 기원을 다루면서, 우주와 물질을 다루는 〈유니버스〉와 함께 '모든 것의 기원과 존재의 의의'를 탐구한다. '과학 오디세이' 시리즈의 〈유니버스〉와 〈라이프〉는 '우주 물리학, 생물학, 인지과학, 고인류학, 물질과학' 등 각기 다른 여러 분야의 과학을 다루면서, 우주와 생명이 '어떻게' 그리고 '왜' 시작됐는가에 대한 적실한 과학적 대답과 인문학적 통찰을 제공한다.



이처럼 우주와 생명, 만물의 역사를 총괄하고 그 본질을 통찰하는 학문은 '빅 히스토리'(Big history)에 분류된다. 빌 게이츠는 자신의 블로그 '게이츠노트(GatesNotes)'에서 "빅 히스토리는 어떻게 모든 것들이 서로 되어있는지를 보여주고, 여러 부문의 통찰을 하나로 엮어 내러티브를 만들어낸다"고 말했다. 국내외에서 선풍적인 인기를 끌었던, 칼 세이건의 〈코스모스〉나 빌 브라이슨의 〈거의 모든 것의 역사〉는 우주의 방대한 시공간을 매력적인 내러티브로 엮어낸 역작이다. 이와 마찬가지로 '과학 오디세이'는 전문화되고 세분화된 과학의 성과를 유기적으로 연결하고, 융합한다. 이 시리즈를 통해 독자들은 따로 발전해 온 과학의 세계를 거시적으로 조망하면서 현대과학의 핵심적인 맥락과 줄거리를 파악해낼 수 있을 것이다.





'과학 오디세이' 시리즈를 통해 마침내 발견하게 되는 것은 시·공간에 대한 본질적 이해, 그리고 삶의 의미다. 저자는 "과학이 우리의 근원에 대해 제공해주는 객관적 지식을 통해 삶의 의미를 찾는 것이 더 소중하다"고 말한다. 저자는 고리양자중력 이론의 선구자로 알려진 카를로 로벨리의 현대물리학이론을 빌려, '시간은 환상일 가능성이 크다'는 사실을 강조한다. 또한 최신의 뇌과학은 '나'라는 정체성 또한 우리 뇌가 만든 가공물이라는 사실을 전달한다. '지나간 과거나 오지 않은 미래에 고통스러워하지 말고, 현재의 순간에 충실하라'는 오래된 격언은 이처럼 현대과학이 발견한 객관적 사실로 뒷받침되고 있다.





50여년 과학에만 몰두한, 과학전문가의 역작

10년의 연구와 집필기간, 600여 편의 인용문헌과 100여 권의 추천도서



'과학오디세이' 시리즈의 〈유니버스〉와 〈라이프〉는 총 1,000여 페이지에 달하는 방대한 저서이다. 이 책은 일반인들도 쉽게 이해할 수 있도록 쓰인 본문에 이어, 심도 있는 이해를 원하는 독자들을 위해 중요 원문 논문과 이용 가능 서적을 부록을 통해 충실히 소개했다.



이 책을 집필한 저자 안중호는 35년간 학생들을 가르치고 재료공학을 연구해 온 과학자다. 현재는 기초연구 및 과학기술의 이해를 돕기 위한 관련 활동을 하고 있다. 이 책은 저자가 2010년 교양과학 교재로 제작한 〈현대과학으로 본 인간과 우주〉 시리즈에서 확대, 발전된 것이다. 이후에도 저자는 국내외 많은 과학 서적들과 중요 원본 논문들을 직접 연구하며 현대과학의 최신사항을 섭렵하여, '우주, 생명, 인간, 마음, 물질'에 관한 1.000여 페이지에 달하는 '과학 오디세이', 즉 '과학의 대서사시'를 집필했다.



저자는 일본 과기청 JTA Fellow, 호주 연구재단 ARC IREX Fellow, 각종 국제학회지 편집임원 및 한국분말야금학회장 등을 역임하며, 나노 신소재, 초전도체, 에너지 소재 분야에 160편(국내 33편, SCI 137편)의 학술논문 및 230편의 학술발표를 했다. 이와 같은 저자의 학문적 역량과 과학에 대한 헌신적 열정은 현대과학을 총체적으로 정리하는 방대한 시리즈의 단단한 뿌리였다.

시작하는 글



1 장

우주는 어떤 모습을 하고 있을까?

볼 수 있는 세상의 끝 | 우주의 크기

끝없는 유한함 | 관측 가능한 우주 너머

별 하나, 나 하나 | 우주에 있는 별의 개수

우주 속 인류의 보금자리 | 태양계 가족의 새 분류

해왕성을 넘어 | 태양계의 먼 천체들

영원하지 않는 이웃 | 가까운 항성들

용이 사는 개울 | 새로 밝혀진 우리은하의 구조

약육강식의 세계 | 은하들의 상호작용

떠돌며 무리 지으며 | 은하군과 은하단

장대함의 끝 |필라멘트, 장성 그리고 보이드

천체가 거대한 이유 | 우주팽창의 발견 과정

기이한 팽창 | 우주팽창에 대한 오해들

태초의 열은 어디로 갔을까 | 빅뱅의 증거들

우주의 불꽃놀이? | 빅뱅에 대한 오해들

빛으로 이루어진 화석 | 우주배경복사

보이진 않지만 존재하는 | 암흑물질의 존재 근거

존재하지만 정체를 모르는 | 암흑물질의 후보들

가속페달을 밟은 우주 | 암흑에너지

아인슈타인의 위대한 실수 | 장 방정식과 우주상수

텅 빈 곳에도 있는 그것 | 진공에너지

기적 같은 우연의 일치 | 표준빅뱅이론의 의문점들

상상을 초월하는 팽창 | 인플레이션

모든 물질의 기원 | 우주에 물질이 있는 이유

우주물리학자들이 쓴 시나리오 | 우주의 과거사



2 장

물질은 어떻게 구성되어 있는가?

원자는 실체인가? | 원자의 실제 모습

인간지식의 금자탑 | 양자와 양자역학

원자보다 작은 것들 | 전자와 원자핵의 발견 이야기

건포도 푸딩에서 행성으로 | 보어의 원자모형

식당 테이블 보에 적은 수식 | 물질파

돌지 않는 이상한 팽이 | 전자의 스핀

아이들의 물리학 | 양자역학의 탄생

에로틱한 폭발 | 슈뢰딩거 방정식

펜치로 티눈 빼기 | 하이젠베르크와 불확정성 원리

음의 에너지로 가득 찬 세상 | 반물질

양자역학의 주류적 견해 | 코펜하겐 해석

신이 무엇을 하든 참견 말라 | 아인슈타인의 패배

동시에 죽어 있고 살아 있기 | 슈뢰딩거의 고양이

하나로 얽힌 세상 | EPR 역설

또 다른 내가 사는 세상 | 여러 세상 해석

입자인가 장인가 | 양자장론과 양자전기역학

소립자들의 주기율표 | 표준모형

맛깔 있고 자유로운 입자 | 쿼크와 렙톤

힘의 중재자들 | 게이지 보손과 자연의 4힘

땅이 꺼지지 않는 이유 | 전자기력과 광자

세상에서 가장 강한 접착제 | 강력과 글루온

맛깔을 바꾸는 요술 | 방사선 붕괴와 약력

신의 입자인가 빌어먹을 입자인가 | 힉스입자

모든 물리학의 핵심 원리 | 대칭성과 그 깨짐

기적 같은 덧셈 뺄셈 | 계층성 문제와 초대칭성

모든 힘을 하나로 | 대통일이론

훌륭한, 그러나 완벽하지 못한 | 표준모형의 숙제들







3 장

세상은 왜 있을까?

삼키고 증발하고 | 블랙홀

진동하는 끈이 물질이라고? | 끈 이론

돌돌 말리고 숨겨진 | 여분의 차원

막, 매직, 미스터리, 마더 | M-이론

막으로 된 세상 | 막 세계 우주론

영원히 큰 불이 반복되는 | 에크피로틱 우주

무수히 생겨나는 아기들 | 혼돈 인플레이션 우주론

색즉시공 공즉시색 | 저절로 생겨나는 우주

또 다른 세상들 | 다중우주, 평행우주

인간을 위해 우주가 존재한다고? | 인류의 원리

세상은 옷감일까? | 고리양자중력 이론

있는 듯 없는 듯 | 공간의 실체

세상의 시작은 있는가? | 최초의 시간

시간은 환상인가? | 시간의 문제

보다 높이, 보다 멀리 보기 | 궁극의 이론



맺는 글

감사의 글



부록

1. 아인슈타인의 장 방정식

2. 프리드먼의 방정식과 음의 압력

3. 우주의 평평도

4. 가짜 진공과 인플레이션

5. 슈뢰딩거의 파동방정식

6. 파인만 도형(다이아그램)

7. 광속과 특수상대성이론, 정지질량

참고문헌 및 주석

추천도서

그림 출처

안중호 성균관대학교 금속공학과를 졸업하고 벨기에 루벵대학(UC Louvain) 금속물리연구소에서 석사, 박사학위를 받았다. 한국기계연구원(현 재료연구소) 선임연구원, (국립)안동대학교 신소재공학부 교수, 공과대학장을 역임했다. 일본 과기청 JTA Fellow, 호주 연구재단 ARC IREX Fellow, 각종 국제학회지 편집임원 및 한국분말야금학회장 등을 거치는 연구활동을 통해 나노 신소재, 초전도체, 에너지 소재 분야에 160편(국내 33편, SCI 137편)의 학술논문 및 230편의 학술발표를 했다. 현재 안동대학교 명예교수로 기초연구 및 과학기술의 이해를 돕기 위한 관련 활동을 하고 있다.