2002년에 출간되어 베스트셀러가 되었던 의 지은이 브라이언 그린의 2004년 작. 여전히 초끈이론과 M-이론 등 현대 우주이론을 소재로 삼고 있지만, 단순히 소개하는 것이 목표가 아니다. 좀더 철학적인 이 책이 묻는 것은 '시간과 공간이란 대체, 무엇인가' 하는 것.



책은 고전역학, 상대성이론, 양자역학, 초끈이론 등의 성과를 되짚으며 위의 질문에 답한다. 시간이 절대적인 것이라 믿었던 뉴턴의 물리학에서부터, 시간이 상대적이란 사실을 보여준 아인슈타인, 공간 또한 '얽힌 고리' 같다는 것을 밝힌 양자론, 평범한 시공간 속에 다른 '차원'이 숨어있음을 주장하는 초끈이론까지를 망라하여 다뤘다.



우리가 발딛고 사는 공간, 우리 인생의 세월은 정말 명명백백한 것일까? 우리는 까다로운 '우주의 구조'에 속은 채 일평생을 사는 건 아닐까? 초끈이론은 과연 궁극의 진리를 밝혀줄 첨병일까? 하는 등의 질문을 가져본 사람이라면 관심을 가질 책이다. 쉽지 않은 책이지만, 이미 검증된 지은이의 실력을 믿어볼 만하다. * 타임지 선정 2005년 빼놓지 말아야 할 6권의 책, 뉴욕타임스 선정 베스트셀러(논픽션 부문)

※ 승산 북카페 "이 책의 포럼" ☞cosmos.seungsan.com

◆『엘러건트 유니버스』에 이은 초대형 베스트셀러!

2002년 올해의 책(《KBS TV, 책을 말하다》《조선일보》《동아일보》《한겨레》 등)으로 주목 받았던 『엘러건트 유니버스』에 이어 승산이 새롭게 내놓는 야심작. 『우주의 구조』는 출간된 이후, 2005년 6월 현재까지 줄곧 뉴욕타임스 베스트셀러로 선정되는 등 세계적인 인기를 끌고 있다.
승산에서는 2005년 세계물리의 해에 맞춰 세계적인 수준의 다양한 물리책을 선보임으로써(근간 예정, 『천재: 리처드 파인만의 삶과 과학』, 『파인만의 물리학 강의 Ⅱ』 등) 학생들에게는 순수자연과학에 대한 흥미를 고취시키고, 일반인들에게는 첨단과학에 대한 고급정보를 주고자 한다.


◆가장 친숙하면서도 가장 낯선 물리학의 영원한 수수께끼―시간과 공간

저자는 시간과 공간이라는 ‘오래된’ 테마를 잡고 이야기를 끌어 나간다. 그것은 그가 인간의 사고 자체를 다루겠다는 뜻이기도 하다. 시간과 공간은 ‘원자설(물질을 이루는 가장 작은 단위 개념으로서)’과 함께 가장 오래된 과학적 주제이자, 철학적 주제이다. 물론 저자는 ‘과학적인 방식’으로 접근하지만, 그의 이야기를 가만히 듣노라면, 이것은 일종의 철학이란 생각마저 든다.

시간과 공간은 인간의 사고 가장 깊숙이 내재된 관념이다. 어떤 것을 상상하더라도 그것에는 마치 그림의 배경처럼 시간과 공간이 자리 잡고 있다. 칸트는 그래서 시간과 공간을 선험적(先驗的)인 것으로 보았다. 인간의 인식은 시간과 공간이라는 배경 내에서만 이루어지고, 이러한 인식의 한계는 인간이 ‘물자체(物自體)’를 파악할 수 없게 하는 한계가 된다고 규정한 것이다.

그러나 현대물리학은, 그리고 브라이언 그린은 바로 그 ‘배경’에 대해 논하고자 한다. 시간과 공간에 대해 물리법칙이 말하고 있는 것. 그것을 쫓아가다 보면, 시간과 공간에 대한 인식의 변화를 깨닫게 된다. 즉 브라이언 그린에 따르면, ‘고정적인 시간과 공간’이라는 ‘배경’이 있었던 것이 아니라 그러한 과학적 관점(뉴턴)이 있었다고 보는 것이 정확하다. 그가 따라잡고자 하는 것은 시간과 공간의 진정한 실체이며, 그러한 ‘배경으로부터 독립적인(background independent)’ 이론이다.

저자는 “진정한 철학적 문제는 단 하나뿐이며, 그것은 바로 ‘자살’에 관한 것이다”라는 카뮈의 문장으로 그의 글을 시작한다. 실존주의 철학의 우두머리를 불러들인 것은 아마도 ‘삶’이라는 문제 앞에서 ‘진리’라는 것이 어떤 의미를 갖는가라는 스스로에게 던진 질문이자, 일반 독자들(삶의 문제에 매몰된)을 물리학의 세계로 끌어들이려는 전략쯤일 것이다. 그는 다음과 같은 말로 카뮈가 자신에게 던진 화두를 정리한다. “물리학이 더욱 발전하면 공간의 차원에 대한 이해가 깊어질 것이고 신경생리학이 발전하면 두뇌의 구조가 더욱 구체적으로 밝혀질 것이다…그러나 이 모든 정보들이 과연 인간의 삶과 인간이 추구하는 진리에 영향을 줄 수 있을 것인가? 카뮈는 이 점에 대하여 부정적인 생각을 갖고 있었다. 진리란 사고의 영역에 존재하며, 오로지 경험에 의해 그 실체가 밝혀진다는 것이 카뮈의 생각이었던 것이다.”

하긴, 반경 6,370km 남짓한 지구의 표면 위에서 100년 이내의 짧은 생을 살다 가는 인간이 우주적 스케일의 시간과 공간을 ‘취미 삼아’ 이해한다는 것은 결코 자연스러운 행동이라 할 수 없다. —역자 후기 중

같은 초끈이론 학자이기도 한 역자의 후기까지 접하게 되면, 의문이 들지 않을 수 없다. 과연 우리는 왜 시간과 공간, 우주의 본질을 알려고 하는 것일까? 물리학에 관심을 두고 있는 사람들, 그리고 철학적 주제에 대해 첨단물리학이 가지고 있는 생각들이 궁금한 사람이라면, 올해 이 한 권의 과학책을 읽어 보기 바란다.


◆시간은 왜 미래로만 흐르는가? 공간은 왜 3차원처럼 보이는가?

책에서 간접적으로 밝히고 있듯, 그는 어쩔 수 없는 ‘플라토니안(platonian)’이다. 그는 인간의 ‘생존’보다는 우주적 진리에 더 관심이 있다. 다만 그가 진리에 도달하는 수단으로 택한 것은 철학이 아닌, ‘수학과 과학’이다. 그리고 그 위대한 도구는 ‘인간의 오성(五性)’이라는 한계를 뛰어넘어 ‘진정한 시간과 공간의 의미’에 대해 묻고 있다. 그래서 우리는 그저 당연하게만 생각하는 질문들을 던지려고 하는 것이다—시간은 왜 미래로만 흐르는가? 공간은 왜 3차원처럼 보이는가?


◆끈이론 학자, 젊은 혁명론자(new revolutionaries)

이 책은 미국에서 신구(新舊)세대 과학자 간의 논쟁을 불러 일으켰다. 파인만과 함께 양자전기역학의 총아(寵兒)였던, 지금은 80대의 원로과학자이자 대중저술가로 활약 중인, 프리먼 다이슨(Freeman Dyson)은 《The New York Review of Books》에 기고한 『우주의 구조』 서평에서 다음과 같이 밝히고 있다.

영국 자유당의 황금기였던, 제1차 세계대전이 일어나기 이전에 허버트 애스퀴스는 귀족적인(patrician) 총리였고, 윈스턴 처칠은 시끄럽고 다루기 힘든 젊은 정치인이었다. 하원의원의 질의시간이면, 처칠은 자주 도발적이고 난처한 질문들로 애스퀴스를 괴롭혔다. 한번은 이러한 처칠의 맹공이 끝나고, 애스퀴스는 이렇게 한탄했다고 한다. “나는 단지 하나만이라도, 저 젊은이가 모든 것에 대해 아는 것처럼 알 수 있었으면 좋겠다(I wish I knew as much about anything as that young man knows about everything).” 우주에 대한 자신의 비전을, 청중을 사로잡는(eloquent) 언어로 펼쳐 보이는 브라이언 그린의 이 책을 읽으면서 내가 느낀 것은 바로 애스퀴스가 처칠에게 느꼈던 감정이었다. 애스퀴스는 내가 이 책에 대해 느꼈던 반응을 정확하게 표현했던 것이다.

다이슨은 스스로를 보수주의자(conservatives)라고 칭하면서 젊은 혁명론자들(young revolution‐aries)과 대립각을 세우고 있다. 이 논의 속에는 양자역학과 끈이론이라는 이론 간의 단절이 흐르고 있다. 이를 이해하려면 아인슈타인의 중력이론과 양자역학, 그리고 끈이론의 탄생배경을 알아야 한다.


◆중력과 양자역학을 하나로―통일장 이론(unified theory)

물리학의 역사는 통일의 역사라 해도 과언이 아니다. 고전물리학의 아버지, 뉴턴은 ‘만유인력’의 이름으로 돌멩이부터, 천체 사이의 움직임까지를 아우르는 운동법칙을 세웠다. 맥스웰은 전기력과 자기력이 하나의 힘이라는 것을 밝혀냈으며, 여기에 아인슈타인은 시공간을 통폐합한 새로운 중력이론을 주창했다. 특히 그의 유명한 공식인 ‘E=mc2’는 물질과 에너지의 관계까지도 통합시키고 있다. 아인슈타인은 그의 말년에 이러한 모든 힘들을 통합하는 단 하나의 이론―‘통일장 이론’을 만들어 내고자 온 힘을 기울였다.

현대물리학의 가장 강력한 두 가지 도구로 일컬어지는 상대성이론과 양자역학은 서로에 대해 배타적이다. 애초에 이 이론들은 서로 적용범위가 달랐는데, 상대성이론이 다루고 있는 세계는 ‘중력에 의해 지배되는 세계’이다. 그것은 ‘사과의 떨어짐’을 ‘지구의 질량에 의해 휘어진 시공간의 곡률이 일으키는 사건’으로 이해하는 세계이다. 이 세계에서 양자적 불확정성은 그 의미를 잃는다.
양자역학이 다루고 있는 세계란 아주 작은 규모(플랑크 길이, 약 10-33cm)의 영역으로, ‘불확정성의 원리’가 지배하는 세계이다. 고전역학이 어느 순간 입자의 위치와 속도를 알 수 있으면, 그 입자의 과거와 미래를 모두 알 수 있다고 한 반면, 양자역학은 우리가 알 수 있는 것은 확률뿐이라는 것이 달랐다. 유명한 얘기지만 아인슈타인은 “신은 주사위놀이를 즐기지 않는다”는 말로 양자역학을 부정했던 것이다. 그러나 실험결과는 양자역학을 지지하는 쪽으로 밝혀졌고, 아인슈타인의 ‘통일장 이론’은 점차 사람들의 관심 밖으로 밀려났던 것이다.

끈이론(책에서는 ‘초끈이론’과 동의어로 사용됨. ‘초끈이론’은 ‘초대칭(supersymmetry)이 도입된 끈이론’의 줄임말이다)은 이러한 맥락에서 다시 이 두 이론을 통합시키려고 한다. 때문에 끈이론을 ‘모든 것의 이론(TOE: theory of everything)’이라고 부르기도 한다.

앞서 말했듯이 이와 같은 끈이론에 대해 불편하게 생각하는 이들이 있다. 바로 양자역학의 이론가들이다. 양자역학의 황금기를 체험했던 이들은 양자역학만으로, 혹은 상대성이론만으로도 우주에 대한 많은 사실들을 알아내었다. 그리고 그들은 그것에 만족해하였다.

브라이언 그린은 어떤 이론이 절대적으로 옳다고 말하지 않는다. 아인슈타인의 새로운 중력이론
이후에도 여전히 뉴턴이론은 우주선을 쏘아 올릴 때나, 천체간의 움직임을 계산하는 데 유용하다고 말한다. 이 책에서도 그의 논지는 일관되어 있다. 그는 유명한 초끈이론가지만 초끈이론만을 설명하는 데 내용을 투자하고 있지는 않다. 그는 뉴턴에서부터 시작한다. 그가 뉴턴부터 시작하는 것은 그것이 인간이 가지고 있는 관념(여기서는 시간과 공간에 대한), 즉 선입견과 가장 합치되기 때문이다.

사실 ‘절대불변의 고정된’ 시간과 공간의 개념 자체가 절대적인 관념은 아니었다. 고대인의 순환적 시간관을 굳이 들지 않더라도, 라이프니츠와 마흐 같은 과학자들 역시 상대적 공간의 개념을 받아들였다. 그것이 아인슈타인에 와서 ‘시공간(spacetime)’으로 통합되었던 것이다. 또한 양자역학은 고전적 시간과 공간의 개념에 균열을 일으켜, 아주 작은 영역에서는 전-후, 좌-우, 상-하(공간 관념), 선-후(시간 관념) 등의 구분을 없애버렸다.


◆그것을 너의 할머니에게 설명할 수 없다면, 너는 그것을 진정으로 이해한 것이 아니다
―알베르트 아인슈타인

브라이언의 그린 특유의 입담은 ‘시간과 공간의 과학적 역사’라는 쉽지 않은 주제를 명쾌하게 풀어가고 있다. 그의 책에 대해 가장 자주 듣는 평가 중의 하나가 ‘핵심을 피하지 않으면서도 명쾌한 설명’이라는 것이다. 교양과학도서로서의 한계와 이론물리학자로서 물리학의 정수(精髓)를 담아내려는 노력 사이에서, 그는 ‘수식 없는 물리학’이란 방식을 취하고 있다. 그의 고뇌는 15장에서 잠깐, 간접적으로 드러난다. “몇 년 전에 내가 『엘러건트 유니버스』를 집필했을 때에도 어머니는 처음 한두 페이지를 읽더니 머리가 아프다며 더 이상 읽기를 포기하셨다.” 일반인들은 이해할 수 없는 수학 대신 그가 택한 것이 바로 비유이다. 그의 전작에서도 그랬지만, 두 번째 책에서는 더욱 탁월한 비유들을 만나 볼 수 있다. 그의 첫 작품을 읽어보지 않았다면, 혹은 사 놓고 읽어 보지 않았다면, 이 책을 먼저 읽어 보길 권한다.

Ⅰ. 진리의 각축장

제1장 진리로 가는 길 : 시간과 공간은 왜 지금과 같은 모습을 하고 있는가?
고전적 실체
상대론적 실체
양자적 실체
우주론적 실체
통일된 실체
과거와 미래의 실체
차세대의 시간과 공간

제2장 회전하는 물통과 우주
: 공간은 물리적 실체인가? 아니면 인간의 상상력이 만들어 낸 추상적 개념인가?
아인슈타인 이전의 상대성이론
회전하는 물통
스페이스 잼(space jam)
마흐(Mach) - 공간의 의미
마흐, 운동, 그리고 별
마흐와 뉴턴의 대립

제3장 상대성과 절대성
: 시공간은 아인슈타인이 만들어 낸 추상적 개념인가? 아니면 실재하는 물리적 실체인가?
공간은 정말로 비어 있는가?
상대적 공간과 상대적 시간
미묘하지만 해롭지는 않은 존재
그렇다면 물통실험은 어떻게 되는가?
시간과 공간을 조각하다
시간단면도 기울이기
특수상대성이론은 회전하는 물통을 어떻게 설명하는가?
오래된 질문, 그리고 중력
중력과 가속운동의 등가원리
왜곡(warps) 또는 휘어짐, 그리고 중력
일반상대성이론과 회전하는 물통
2000년대의 시공간

제4장 얽혀 있는 공간
: 양자적 우주에서 서로 분리되어 있다는 것은 무엇을 의미하는가?
양자적 세계
붉은색과 푸른색
파동을 쏘다
확률과 물리법칙
아인슈타인과 양자역학
하이젠베르크와 불확정성원리
아인슈타인과 불확정성, 그리고 진리를 향한 여정
양자적 해답
벨(Bell)과 스핀
실체를 검증하다
각도를 이용하여 천사의 수를 헤아리다
연기 없이 타는 불
양자적 얽힘과 특수상대성이론 : 표준적 관점
양자적 얽힘과 특수상대성이론 : 상반된 관점
어떤 결론을 내려야 하는가?


Ⅱ. 시간과 경험

제5장 얼어붙은 강 : 시간은 정말로 흐르고 있는가?
시간과 경험
시간은 정말로 흐르고 있는가?
끈질긴 환영 - 과거, 현재, 미래
경험과 시간의 흐름

제6장 우연과 화살 : 시간은 방향성을 갖고 있는가?
수수께끼
과거와 미래 - 물리학의 기본 법칙들
시간되짚기 대칭(time-reversal symmetry)
날아가는 테니스공과 깨진 계란
원리와 실제의 차이
엔트로피
엔트로피와 열역학 제2법칙, 그리고 시간의 방향성
엔트로피 : 과거와 미래
수학에 순종하기
궁지에 몰리다
관망하기
계란과 닭, 그리고 빅뱅(big bang)
엔트로피와 중력
결정적인 압력
아직도 풀리지 않은 수수께끼

제7장 시간과 양자 : 양자의 세계에서 시간의 본질을 추적하다
양자적 과거
오즈(Oz)로 가는 길
선택
과거 골라내기
수정된 과거
과거 지우기
과거 만들기
양자역학과 경험의 세계
양자적 관측의 수수께끼
양자적 실체와 양자적 관측
결어긋남(decoherence)과 양자적 실체
양자역학과 시간의 방향


Ⅲ. 시공간과 우주론

제8장 눈송이와 시공간 : 우주의 대칭성과 진화
대칭성과 물리법칙
대칭성과 시간
공간 늘이기
팽창하는 우주 속의 시간
팽창우주의 미묘한 특성
우주론과 대칭성, 그리고 공간의 형태
우주론과 시공간
다른 모양의 우주
우주론과 대칭성

제9장 증발된 진공 : 열과 무, 그리고 통일
열과 대칭성
힘과 물질, 그리고 힉스장
차가운 우주 속에 존재하는 장
힉스의 바다와 질량의 근원
물리법칙의 통일
대통일(grand unification)
에테르(aether)로 되돌아가다
엔트로피와 시간

제10장 빅뱅의 재구성 : 무엇이 폭발했는가?
아인슈타인과 '밀어내는 중력'
뛰는 개구리와 과냉각된 우주
인플레이션
인플레이션의 구조
인플레이션과 지평선 문제(horizon problem)
인플레이션과 평평성 문제(flatness problem)
진보와 예견
암흑물질의 존재를 예견하다
도망가는 우주
잃어버린 70%
수수께끼와 진보

제11장 다이아몬드를 가진 하늘의 양자
: 인플라톤과 양자적 요동 그리고 시간의 일방통행
우주공간에 새겨진 양자적 문자
우주론의 전성시대
우주의 창조
인플레이션, 매끈함(smoothness), 그리고 시간의 방향성
엔트로피와 인플레이션
볼츠만으로 되돌아가다
인플레이션과 계란
끈적거리는 연고 속에서 날아가기


Ⅳ. 근원과 통일

제12장 끈 위의 세계 : 끈 이론이 말하는 시공간의 구조
양자적 요동과 텅 빈 공간
양자적 요동과 불일치
무엇이 문제인가?
해답으로 가는 미심쩍은 길
끈이론의 1차 혁명기
끈이론과 물리법칙의 통일
끈이론이 들어맞는 이유는 무엇인가?
초미세 영역에서 바라본 시공간의 구조
점(point)보다 분명한 끈(string)
끈이론이 말하는 입자의 특성
너무 많은 진동패턴
높은 차원에서의 통일
숨어 있는 차원
초끈이론과 숨겨진 차원
숨어 있는 차원의 형태
초끈이론과 여분의 차원
끈이론이 말하는 우주의 구조

제13장 막(Brane) 위의 우주 : M-이론이 예견하는 시간과 공간
끈이론의 제2차 혁명기
변환의 위력
11차원
브레인(brane, 막膜)
브레인세계(braneworld)
끈끈한 브레인과 진동하는 끈
우리의 우주는 브레인인가?
중력, 그리고 거대한 여분차원
거대한 여분차원과 거대한 끈
끈이론과 실험의 만남?
브레인세계 우주론
주기적 우주론
간단한 평가
새로운 개념의 시공간


Ⅴ. 실체와 상상의 세계

제14장 이상과 현실 : 실험을 통해 시간과 공간의 실체를 규명하다
그물에 걸린 아인슈타인
파동 따라잡기
여분의 차원을 찾아서
힉스장과 초대칭, 그리고 끈이론
우주의 기원
암흑물질과 암흑에너지, 그리고 우주의 미래
시간과 공간

제15장 순간이동과 타임머신 : 시간과 공간을 마음대로 넘나들 수 있을까?
양자세계에서의 순간이동
양자적 얽힘과 양자적 순간이동
현실적인 물체의 순간이동
시간여행의 수수께끼
수수께끼의 재고
자유의지와 다중우주, 그리고 시간여행
과거로의 시간여행은 과연 가능한가?
웜홀 타임머신의 설계도
웜홀 타임머신 만들기
우주적 호기심

제16장 암시적인 미래 : 시간과 공간의 전망
시간과 공간은 과연 근본적인 개념인가?
양자적 평균
번역된 기하학
블랙홀 엔트로피
우주는 홀로그램인가?
시공간의 구성요소
내부와 외부의 공간

후주
용어해설
역자후기
찾아보기