우주의 통찰 (지식의 엣지 4)

“힉스입자 발견, 중력파 검출이 알려줄 우주의 비밀은”
우주론의 황금기를 이끌어온 석학 21인이 들려주는 우주의 기원과 진화에 관한 통찰
바야흐로 우주론의 황금시대다. 2012년 7월 유럽원자핵공동연구소(CERN)가 대형강입자충돌기 실험으로 힉스입자를 발견했다. 빅뱅 당시 질량이 없던 소립자에 질량을 부여하는 존재로 추측되며‘신의 입자’로 불리던 힉스입자의 발견은 우주의 기원 및 입자물리학 연구에 새로운 장을 열어주었다. 2016년 2월 12일, 고급레이저간섭계중력파관측소(LIGO) 연구단이 중력파 직접 검출에 성공했음을 공식 발표하며, 또 한 번 과학계가 들썩이고 있다. 중력파는 초신성 폭발이나 블랙홀 충돌 등 갑작스러운 중력 변화에 의해 발생하는 흔들림이 물결처럼 퍼져나가는 것인데, 중력파는 시공간을 일그러지게 만들며 빛의 속도로 우주 공간에 전달된다. 중력파는 빛과 달리 모든 물질을 통과하면서도 통과하는 물질에 의해 왜곡되지 않기 때문에 방출될 당시의 정보를 온전히 담고 있다. 따라서 전파망원경 등 기존의 관측장비가 가진 한계를 넘어서는 강력한 과학검증 도구가 될 수 있다. 중력파의 존재는 1915년 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예측되었으며 우주의 기원과 블랙홀을 설명할 중요한 실마리로 여겨졌는데 미해결 과제로 남아 있다가 1세기 만에야 그 봉인이 풀렸다.

중력파 발견의 쾌거는 아인슈타인의 일반상대성이론만 검증하는 데 그치지 않는다. 중력파의 존재는 MIT 물리학교수인 앨런 구스가 1980년대에 빅뱅이론의 난제들을 보완하여 만든 우주 기원 이론인 ‘급팽창이론’의 결정적 증거가 되며 우주론에 더 명확한 방향성을 부여해주기 때문이다. 이번에 밝혀진 중력파는 13억 년 전 쌍성 블랙홀 간의 충돌로 인해 발생한 중력파로, 2014년 남극의 바이셉2 망원경으로 우주배경복사에서 중력파를 검출해냈다고 발표했다가 해석 오류로 밝혀졌던 종류의 중력파, 즉 138억 년 전 빅뱅 당시에 검출된 것과 동일한 원천의 중력파는 아니다. 그러나 중력파의 검출 정밀도가 점점 정확해짐에 따라 빅뱅 당시의 중력파 관측 가능성 역시 높아지고 있으며, 급팽창이론은 다시금 주목받고 있다.

학문적으로 살펴보면, 우주의 기원·구조· 생성· 변화에 관한 과학을 다루는 우주론은 1980년대부터 30년간 황금기를 이어오고 있다. 2000년대 후반 이후로는 고감도 위성망원경 관측이나 대형강입자충돌기 실험처럼 우주 가설을 검증할 강력한 기기와 데이터가 등장하며 그 절정을 맞이하고 있다. <베스트 오브 엣지 시리즈> 제4권 『우주의 통찰』은 앨런 구스를 비롯해 우주론의 황금기 30여 년을 이끌어온 대표 석학 21인이 직접 자신들의 주요 연구를 소개하고 우주 과학의 핵심 쟁점들을 논하며, 우주의 기원과 진화를 비롯해 여전히 풀리지 않는 우주론의 난제 등 우주에 관한 입체적인 지식과 통찰을 전해주는 책이다. 우주론은 물질의 최소 구성단위인 소립자의 역학을 다루는 입자물리학에서부터 별과 항성계의 물리적 상태를 연구하는 천체물리학, 천문학, 실험물리학, 응용수학, 과학철학 등등 다양한 학문적 성과가 어우러지는 분야다. 상대성이론부터 초끈이론, M이론, 고리양자중력이론에 이르기까지 현대 이론물리학 최전방의 논의들이 진행되는 분야이기도 하다. 『우주의 통찰』은 이렇듯 우주를 해석하는 다양한 결을 보여주기 위해 이론물리학, 천문학, 천체물리학, 응용수학, 양자공학 등 각 분야의 선구자 21인의 주요 연구와 핵심 이론을 아우르고 있다.

“우주는 왜 지금의 모습이 되었으며, 우주의 구성 법칙은 무엇인가?”
급팽창이론의 아버지 앨런 구스부터 끈이론의 제창자 레너드 서스킨드까지
우주과학 드림팀이 전하는 우주론의 쟁점
대표 저자 앨런 구스는 1980년대 우주론의 황금시대의 서막을 열었고, 가장 강력한 우주론으로 주목받고 있는 급팽창이론을 설명한다. 구스는 “빅뱅이론이 뱅(폭발)에 관한 이론이 아니라, 폭발이 남긴 여파에 대해서만 설명하는” 한계를 가지고 있었던 까닭에 “대체 무엇이 폭발했고, 무엇이 우주를 막대한 팽창의 시기로 이끌었는지”설명하기 위해 급팽창 개념을 도입했다고 이야기한다. 그리고 138억 년 전 초고밀도 초고온의 한 점에 불과하던 우주가 빅뱅 이후 빛의 속도보다 더 빠른 속도로 기하급수적으로 팽창(10의 34제곱분의 1초 만에 10의 25제곱 배 이상 팽창)하는 과정과 원리를 소개한다. 이를 통해 빅뱅이론에서는 해결하지 못했던 우리 우주의 특성인 균일성(우주는 거시적인 시점에서 보면 평균적으로 어느 방향에서나 균일하다) 및 평탄성(우주의 기하학적 구조는 매우 평탄하다)을 설명할 수 있게 된 배경, 급팽창으로 완전히 균일해져버릴 수도 있었던 우주가 양자요동으로 인한 미세한 질량밀도 불균형으로 인해 물질 및 은하계가 만들어진 메커니즘을 소개하며 독자들의 머릿속에 현대 우주론의 개념적 기둥을 세워준다.

급팽창이론의 경쟁 이론인 순환우주론의 선구자 폴 스타인하르트(급팽창 우주 모형의 초기 설계자이기도 하다)와 닐 투록은 이 책에서 우주의 진화가 순환적으로 이루어지는 원리를 설명한다. “우주가 뜨거웠다가 차가워지고, 밀도가 높아졌다가 낮아지고, 뜨거운 복사 상태에서 우리가 오늘날 바라보는 구조물로, 그리고 결국에는 텅빈 우주로 진화하는 시기를 거치”며 이 주기가 끊임없이 반복되는 것이다. 따라서 순환우주론에는 급팽창이론처럼 우주의 시작이 없으며, 우주의 시공간은 무한히 뻗어 있다. 급팽창이론과 순환우주론의 중요한 물리학적 차이는 바로, ‘중력파 존재의 유무’이다. “급팽창 모형의 요동은 중력파를 일으킬 정도로 빠른 속도의 격렬한 과정에서 만들어지는 반면, 순환 모형의 요동은 엄청나게 느리고 차분해서 중력파를 만들어내기에는 너무 약한 과정을 통해 만들어지기 때문”이다. 닐 투록은 앞으로의 중력파 실험을 통해 “우리 모형이 틀렸음이 입증될 수도 있다”며 과학자로서 겸허한 입장을 보여준다.

스탠퍼드대학 이론물리학자 안드레이 린데는 급팽창 다중우주론의 제창자로 다중우주의 개념을 설명해준다. “우주가 처음에 아주 아주 작기는 하지만 그래도 속성이 서로 다른 영역을 그 안에 담고 있다면 우주의 우리 영역이 기하급수적으로 폭발하면서 우주의 다른 영역은 더 이상 볼 수 없게 될 것”이라고 이야기하며 우리가 관찰할 수 있는 우주를 넘어 수많은 다른 우주가 존재할 가능성을 제시한다. 그리고 ‘신 급팽창’을 거쳐 ‘혼돈 급팽창’, 현재의 ‘영원한 혼돈 급팽창’에 이르기까지 급팽창 모형의 수정버전을 연구하게 된 배경과 그 메커니즘을 설명하며 우주론의 최전방 지식을 들려준다.

끈이론은 물질의 최소 구성단위를 점입자가 아니라 진동하는 끈으로 보고, 우주와 자연의 원리를 밝히려는 이론으로 일반상대성이론과 양자역학이 충돌하는 문제를 해결할 통일장이론 후보로 손꼽힌다. 끈이론의 창시자인 레너드 서스킨드는 끈이론의 탄생 배경과 초기 역사를 설명하고 끈이론이 다중우주론을 비롯한 현대 우주론의 새로운 가능성을 열게 된 과정을 소개한다. 서스킨드는 끈이론이 도출하는 다양한 우주 환경(10의 500제곱)에 반박하는 과학자들에 대해 다음과 같이 이야기한다. “이들은 …… 우주가 (하나 밖에 없는) 우아한 공간이라고 믿고 싶어 한다. 하지만 우주는 그렇게 우아하지 않다. 여기가 다르고, 저기가 다르고, …… 이것 때문에 이론과 관련된 사실들에 대한 일종의 거부감이 생겨났다. 하지만 이 이론은 승리하게 되어 있다.” 하버드대학의 종신 물리학교수인 리사 랜들은 10차원 끈이론을 상정하기 위해 꼭 필요한 덧차원(extra dimension)과 그 구성요소인 막(브레인)의 특성에 대해 설명하며, 순환우주론의 과학적 근거를 제공한다. 초끈이론과 함께 양자중력이론의 양대산맥으로 손꼽히는 고리양자중력을 제창한 리 스몰린은 다윈의 자연선택 개념을 응용해 ‘우주 자연선택이론’이라는 우주의 번식 및 물리법칙 진화 메커니즘에 대해 소개한다.

한편 우주 과학에는 아직 검증되지 못한 추측과 풀리지 않는 난제들이 산재해 있다. 애리조나주립대학의 이론물리학자이자 수많은 우주 과학 베스트셀러 저자인 로렌스 크라우스는 급팽창이론과 순환우주론에서 '우주 가속팽창’의 동력으로 작용한 것으로 추측되지만 그 실체가 파악되지 못한 암흑에너지에 대한 기대, 그리고 남겨진 난제들에 대해 설명한다.
중력파 검출에서 다시금 확인되었듯이, 아인슈타인의 연구는 21세기 우주론에도 강력한 영향력을 미치고 있다. 이 책은 아인슈타인이 미친 영향력을 다양한 석학들의 눈으로 재조명하고 있다. 스티브 잡스와 뉴턴의 전기작가로 유명한 월터 아이작슨, 끈이론학자이자 『엘러건트 유니버스』 등 세계적 과학베스트셀러 저자인 브라이언 그린, 프린스턴대학교의 이론물리학자 폴 스타인하르트는 [아인슈타인: 엣지 심포지엄]을 통해 ‘아인슈타인이 살아 있다면, 21세기 물리학과 우주론을 어떻게 해석할까?’라는 신선한 주제로 논의를 펼친다. 이 과정에서 아인슈타인이 이들에게 미친 영향력을 비롯해 초끈이론과 양자역학 등 최전선의 이론에 대한 쟁점과 아인슈타인의 발자취를 살펴본다. 월터 아이작슨은 아인슈타인의 창조성이 폭발한 시기는 양자론과 상대성이론이 무르익던 1900~1915년이며, 창조성의 상당 부분이 데이비드 흄이나 에른스트 마흐(물리학자이자 철학자) 같은 철학자들에 의해 촉발되었던 점을 이야기한다.

“우주는 거대한 컴퓨터이고, 최초의 정보처리는 혁명은 빅뱅이었다”
물리학에서부터 천문학, 양자공학, 과학철학에 이르기까지 전방위적 관점에서 파헤친 우주의 본질
우주론은 시간, 공간, 물질 및 인류의 탄생 등 모든 것의 ‘기원(origin)’ 문제를 내포하고 있기 때문에 물리학, 생물학, 공학, 천문학 등 다양한 과학 분야뿐만 아니라, 철학, 인류학, 종교학 등 다양한 인문사회 분야와의 통섭이 이루어지는 학문이다. 이 책은 바로 이런 통섭의 스파크가 튀는 내용들로 가득하다. 블랙홀, 우주배경복사, 감마선 등의 연구로 초기 우주론 정립에 크게 기여한 영국왕실 천문학자 마틴 리스는 우리가 다중우주에 살고 있다면 우리는 물리적 실체가 아니라, 슈퍼컴퓨터가 시뮬레이션 하는 매트릭스 속 가상 존재일 수 있다는 도발적 주장을 펼친다. 여러 우주에는 초지능을 가진 집단이 존재할 수 있고, 이들의 슈퍼컴퓨터가 복잡계와 자연을 무한 시뮬레이션하는 과정이 우리의 본질일 수 있다는 것. MIT의 양자역학 공학자인 세스 로이드는 우주가 고유의 계산 능력, 프로그래밍 능력을 가진 컴퓨터이며, 최초의 정보처리 혁명은 빅뱅이라고 주장한다. 우주는 쿼크, 전자, 양성자 등 소립자 수준에서 비트 정보를 저장하고 있으며, 소립자가 부딪혀 비트 플립이 일어나는 방식으로 우주가 컴퓨터 계산을 한다는 것이다. 그는 우주의 이런 컴퓨터적 속성이 가져오는 필연적인 결과가 바로 생명과 같은 복잡계의 등장이라고 설명한다. 그리고 이런 소립자 수준의 정보를 처리하는 양자컴퓨터 개발에 대한 자신의 노력과 최신 동향을 들려주며, 우주론과 현재 우리 삶의 문제의 거리를 좁혀준다.

20세기 최고의 수학자로 칭송받는 고(故) 브누아 망델브로는 자신이 개발한 프랙털이론을 통해 우주와 자연의 복잡한 패턴에는 단순한 수학공식이 숨어 있다는 것을 설명한다. 프랙털이론은 자연과 우주는 물론, 경제, 금융, 사회 현상 등 다양한 분야의 연구에 사용되며 복잡계의 숨은 질서를 파악하는 중요한 툴로 활용되고 있다. 또 다른 응용수학자이자 카오스이론의 거장인 스티븐 스트로가츠는 반딧불이 무리가 별다른 소통 수단도 없이 일사분란하게 동시에 불빛을 내뿜는 현상을 수리생물학적으로 설명하며, 질서가 없던 자연계와 우주에서 자발적으로 질서가 나타나는 메커니즘을 설명해준다.

양자우주론의 선구자인 카를로 로벨리는 20세기 후반부터 시작된 과학과 철학의 대화 단절을 비판하며, 20세기 초반까지 아인슈타인, 하이젠베르크가 그랬듯 양자중력 연구에도 철학적 사고의 도입이 필요하다고 이야기한다. 그는 실험과 관측 데이터라는 ‘경험론적 내용물’에만 초점을 맞추는 현재의 과학적 방법론을 뛰어넘어, 기존의 사고방식을 탐험하며 세상의 개념적 구조를 새롭게 ‘통찰’하는 것이 중요하다고 강조하며 과학 방법론의 근간에 대한 새로운 방향성을 제시한다.
이밖에도 쿼크들 간의 상호작용으로 양성자, 중성자 등 강입자의 특성을 파악해내 양자역학과 우주론 연구에 획을 그은 노벨물리학 수상자 프랭크 윌첵, 고전물리학에서는 불가능한 새로운 계산방식을 허용하는 양자역학의 계산이론인 계산의 양자론의 선구자인 데이비드 도이치 등 다양한 석학들이 자신들의 주요 연구를 바탕으로, 우주 과학의 과거와 현재, 미래의 핵심 쟁점들을 짚어준다.

■ 추천사

<베스트 오브 엣지> 시리즈는 인문학에 관심을 가진 사람들이 반드시 읽어야 할 글들을 담고 있다. 인간이란 무엇이며, 인간을 인간이게 하는 것은 무엇인가? 인문학의 이러한 기본 질문들은 이미 인문학만의 것이 아니다. 진화심리학, 신경과학, 생물학, 인지과학 등 새로운 분야에서 터져 나오는 인간에 관한 융합적 · 통섭적 연구들을 깊게 들여다보지 않고서는 이제 어떤 인문학도 가능하지 않다. 이 시리즈는 장차 인문학이 달려들어야 할 수많은 연구 과제들을 제시하고 있다. - 도정일(경희대학교 명예교수, 후마니타스대학장)

존 브록만의 엣지 시리즈는 통섭의 진수를 보여준다. 통섭은 무조건 학문의 경계를 허물어 하나로 버무리는 것이 아니다. 지금처럼 지나치게 높이 솟아있는 학문 간의 장벽을 낮춰서 약간의 노력만으로 자유롭게 넘나들 수 있게 하려는 노력이다. 프로스트는 “좋은 담이 좋은 이웃을 만든다”고 했다. 각 분야에서 일가를 이룬 대가들이 모여 마음, 문화, 생각, 생명, 그리고 우주 등 굵직한 주제에 관해 토론하는 <베스트 오브 엣지> 시리즈에는 그야말로 통섭의 불꽃이 튄다. - 최재천(이화여대에코과학부교수,『통섭의식탁』저자)

인간이 알고 싶어 하는 것은 본성이라고 아리스토텔레스가 말했다. 우리는 무엇을 알고 싶어 하는가. 마음과 문화, 생각, 생명, 그리고 우주 생각의 수수께끼, 이 세상의 모든 것이다. 그 해답이 여기에 있다. 세계 최고의 석학들이 전해주는 지식의 최전선! 그들의 어깨 위에 올라서고 싶은 건 우리의 본능이다. - ‘로쟈’ 이현우(『로쟈의 인문학 서재』저자)

■ 본문 중에서

최근의 관찰을 통해 우주의 팽창 속도가 오히려 빨라지고 있음이 발견됐다. 이것은 우주의 에너지가 대부분 물질도, 복사도 아니라는 것을 의미한다. 또 다른 형태의 에너지가 물질과 복사를 추월한 것이다. 마땅히 더 나은 용어가 없어서 우리는 이 새로운 에너지 형태를 암흑에너지라 칭했다. 암흑에너지는 우리에게 익숙한 물질이나 복사와 달리 스스로를 밀어내는 중력으로 작용한다. 이것이 바로 우주의 팽창이 느려지지 않고 오히려 빨라지는 이유다. 뉴턴의 중력이론에서 모든 질량은 서로 끌어당기는 중력으로 작용하지만, 아인슈타인의 중력이론에서는 스스로를 밀어내는 중력으로 작용하는 에너지 형태가 허용된다.

급팽창이론은 우주를 팽창하게 만든 것이 무엇인지 설명할 뿐만 아니라 그와 동시에 사실상 모든 우주 물질들의 기원도 함께 설명한다. 내가 ‘사실상’이라는 수식어를 사용한 이유는 전형적인 급팽창이론에서는 처음에 시작할 때 1그램 정도에 해당하는 물질이 필요하기 때문이다. 따라서 급팽창이론은 궁극적인 시작에 관한 이론이라기보다는 거의 무(無)의 상태에서 출발해서 우리가 지금 주변에서 보고 있는 거의 모든 것을 설명하는 진화이론이라고 할 수 있다.

급팽창이론에서 가장 중요한 예측 중 하나는 양자요동이론이라는 점을 짚어두고 넘어가야겠다. 은하를 탄생시킨 것은 결국 이 양자요동이다. 이 점을 생각해보자. 만약 급팽창이 불균질성을 만들어내지 않았더라면 급팽창이 폭발적으로 일어나면서 우주는 거의 완전하게 균질해졌을 것이고, 이것으로 게임은 그냥 끝나고 말았을 것이다. 은하도 나타나지 않았을 것이고, 결국 생명도 나타나지 않았을 것이다. 우리는 완전히 균일한 우주에서는 살 수 없다. 이런 우주는 말 그대로 텅 비어 있기 때문이다.

순환우주론의 밑바탕에 깔려 있는 개념은 우리가 경험하는 세상, 즉 3차원의 공간이 사실은 하나의 막이라 상상할 수 있는 넓게 펼쳐진 존재(extended object)라는 것이다. …… 이 그림에 따르면 우리는 이런 막 중 하나의 위에 살고 있고, 이 막은 혼자 있지 않고 또 다른 짝을 갖고 있다. 그리고 이 짝은 아주 작은 간극을 두고 떨어져 있다. 막 안에는 3차원의 공간이 들어 있고, 두 막을 4차원이 떨어뜨려놓고 있다.

우리가 상상할 수 있는 가장 복잡한 존재는 유기체의 생명이 아니라 일종의 하이퍼컴퓨터일지도 모른다. …… 이 슈퍼컴퓨터, 혹은 하이퍼컴퓨터는 실체의 간단한 부분만이 아니라 전체 우주의 커다란 부분을 시뮬레이션할 수 있는 능력을 갖게 되리라는 점이다. 그렇다면 당연히 이런 의문이 뒤따른다. 만약 이런 시뮬레이션이 우주 그 자체보다 훨씬 많은 숫자로 존재한다면, 우리가 그중 어느 하나에 들어가 있을 가능성은 없을까? 우리는 자신을 견고한 물리적 실체의 일부라고 생각하는데, 그게 착각이 아닐까? 혹시 우리가 어떤 신, 이를테면 그 시뮬레이션을 가동하고 있는 존재의 마음속에 들어 있는 개념에 불과한 것은 아닐까? 한 우주 속에 그런 시뮬레이션을 가동하는 수많은 컴퓨터가 들어 있는 경우처럼, 만약 시뮬레이션의 숫자가 우주의 숫자보다 많다면 이런 의미에서 우리는 ‘인공생명’일 가능성도 있다.

우리가 바라보는 별들은 과거의 모습이다. 우리는 미래로부터 오는 빛은 결코 볼 수 없다. 우리는 미래에 존재하는 항성으로부터 날아오는 별빛을 볼 수 없다. 우리는 미래에 일어나는 초신성 폭발이 시간을 거슬러 우리에게 보내는 복사를 결코 볼 수 없다. 그런데 빛의 전파를 지배하는 법칙인 맥스웰 방정식은 시간에 대해 가역적이다. 따라서 미래에 발생하는 사건으로부터 전파되는 빛을 포함하는 해(solution)를 가지고 있다. 그리고 과거의 우리가 관찰할 수 있도록 정보와 에너지를 과거로 전파하는 해도 존재한다. 이런 해가 우리가 사용하는 해의 종류만큼이나 많이 존재한다. 따라서 이 법칙은 시간에 대칭적이다. 하지만 이것을 자연에 적용하면 이런 해가 대부분 버려진다. 미래에서 과거로 전파되는 무언가가 존재하는 기미가 보이면 그런 해를 모두 버리기 때문이다.

하이젠베르크는 철학에 심취하지 않았다면 결코 양자역학을 연구하지 않았을 것이다. 아인슈타인이 모든 철학자들의 글을 읽고 머릿속을 철학으로 가득 채우지 않았다면 절대로 상대성이론을 만들어내지 못했을 것이다. 갈릴레오가 플라톤의 사상에 심취하지 않았더라면 자신의 업적을 결코 이루지 못했을 것이다. 뉴턴은 자신을 철학자라 생각했고, 데카르트와 이것을 논의하는 것을 출발점으로 삼았으며, 강력한 철학적 개념들을 갖고 있었다. …… 철학자들과 과학자들 사이에서 이런 엄격한 대화가 단절된 것은 아주 최근인 20세기 후반부에 일어난 일이다. 모든 개념의 틀을 잡았다. 어찌 보면 20세기 후반의 물리학은 아인슈타인과 하이젠베르크 등 1930년대 사람들이 내놓은 위대한 개념을 응용한 물리학이라고 할 수 있다.

최초의 정보처리 혁명은 빅뱅이었다. 정보처리 혁명이 존재할 수 있었던 것은 어떤 수준에서 보면 우주가 정보로 구성되어 있기 때문이다. 우주는 비트로 이루어져 있다. …… 우주가 실제로 정보를 처리하고 있다는 개념은 다소 급진적으로 들린다. 하지만 사실 이것은 아주 오래전에 발견된 내용으로, 1860~1900년 통계역학을 개발한 물리학자들인 맥스웰, 볼츠만, 기브스로 그 기원이 거슬러 올라간다. 이들은 사실 우주가 근본적으로 정보와 관련되어 있음을 보여주었다. 이들은 이 정보를 ‘엔트로피(entropy)’라 불렀다. 20세기 기술이라는 렌즈를 통해 이들의 과학적 발견을 들여다보면 이들이 발견한 엔트로피란 원자에 기록된 정보의 비트 수를 말한다. 우주가 정보를 처리하고 있다는 것은 과학적으로 논란의 여지가 없는 사실이다.