우주는 어떻게 시작됐는가

이 세상은 어떻게 태어났을까?

‘존재의 근원’을 찾아가는 과학자들의 분투기

우리는 가끔 ‘이 세상이란 과연 무엇이고, 이 세상은 어떻게 생겨났을까’라는 의문을 품는다. 그래서 신화나 종교, 철학에서는 일찍이 그 질문에 대한 답을 나름대로 제시해보고자 했다.

하지만 과학 분야에서는 좀체 그 질문에 대한 답을 찾으려는 엄두를 내지 못했다. 객관적인 사실에 기반하는 과학으로서는, 사실관계가 뒷받침되지 않은 채로는 탐구할 수가 없었기 때문이다. 그러나 20세기 후반부터 우주의 진화를 다루는 ‘우주론’이 크게 발달하면서 ‘우주의 시작’이라는 이 ‘신의 영역’에 과학자들도 발을 담그게 되었다. 스티븐 호킹을 비롯한 내로라하는 과학자들이 이 문제에 정면으로 맞서면서 나름의 해석과 관점을 내놓았다.

이 작업은 난해한 만큼 현대과학의 모든 것이 동원된다. 그래서 이 책에서는 소립자론과 양자론, 일반상대성이론을 설명한 다음, 이를 토대로 현재까지 나온 다양한 관점들, 예컨대 스티븐 호킹의 ‘무(無)로부터의 우주 탄생론’, 존 휠러의 ‘참가형 우주’, 휴 에버렛의 ‘다중 우주론’ 등을 소개한다.

우주의 시작은 아직 답을 찾지 못한 문제지만, 그 답을 찾기 위해 과학자들이 어떻게 분투하는지를 이 책은 잘 보여준다. 양자론과 일반상대성이론이 상식적인 사고로는 당최 이해할 수 없는 이론이듯이, 우주의 시작에 관한 주장들도 상식과 직관만으로는 이해하기 어렵고, 심한 경우 황당하다고 느낄 수도 있다. 하지만 과학의 역사가 보여주듯이, 모든 새롭고 혁명적인 이론은 늘 기존의 상식을 뒤집는 대담한 발상으로부터 태어났다. 설사 그런 발상들이 잘못된 것으로 판명이 나더라도, 그것을 토대로 삼아 한발씩 앞으로 나아갈 수 있다. 이 책은 그런 다이내믹한 사고를, 수필을 읽듯이 친절하고 알기 쉽게 소개한다.

이 책에 등장하는 과학자들의 우주 탄생에 관한 관점을 몇 가지만 추려보면 다음과 같다.

• 스티븐 호킹의 ‘무로부터의 우주 탄생론’과 ‘톱-다운형 우주’

: 우주의 시작에서는, 우주가 탄생한 것과 탄생하지 않은 것이 양자적으로 중첩돼 있다. 이 상태로부터 우주를 탄생시키는 것은 현재 우주에서 인간이 우주 자체를 관측할 때이다. 결국 우주의 역사는 시작점에서부터 차근차근 진행되는 ‘보텀-업’형이 아니라, 현재가 과거를 결정하는 ‘톱-다운’형이다.

• 존 휠러의 ‘관찰자 참가형 우주론’과 ‘정보 우주론’

: 시간과 공간을 포함해 이 세계의 모든 것은 ‘정보’의 모임이다. “모든 것은 비트에서 나온다(it from bit)”. 따라서 우주는 그것을 관측해야만 존재할 수 있다. 관측자가 참가하지 않으면 우주의 존재도 없다. 우주의 존재 자체가 관측자가 행하는 정보처리 자체이기 때문이다.

• 휴 에버렛의 ‘다(多)세계 해석’과 ‘다중 우주론’

: 양자론에 등장하는 중첩 상태는, 현실로 존재할 잠재적 가능성이 아니라 실제로 모두 현실이 된다. 같은 관측자가 다른 결과를 얻을 수 있는 세계는 무수히 많고, 그 때 관측자는 다른 세계에 사는 것이 된다. 단지 인간이 그런 분열을 느낄 수 없어 하나의 세계만 인식할 수 있을 뿐이다. 실제로는 관측되지 않은 무수한 우주가 존재한다. 

지은이 :  마쓰바라 다카히코

1966년생. 교토대학 이학부를 졸업한 후 히로시마대학 대학원 이학연구과에서 박사 학위를 받았다. 나고야대학 대학원 이학연구과 준교수를 거쳐, 현재 KEK(고에너지 가속기 연구기구) 교수다. 2012년에 일본천문학회에서 주는 하야시주시로상을 받았다. 저서로 『우주에 바깥은 있는가』 『우주는 무한한가, 유한한가』 『현대 우주론』 『우주론의 물리(상·하)』 『대규모 구조의 우주론』 『우주의 탄생과 종말』 『우주의 암흑 에너지』 등이 있다. 국내에는 『물리학은 처음인데요(원제: 눈에 보이는 세계는 환상인가)』 『물리학으로 풀어보는 세계의 구조』 가 번역, 출간돼 있다. 

옮긴이 : 원회영

서울대를 나와 과학 분야 책을 주로 번역해 왔다. 옮긴 책으로 『아인슈타인의 철학과 상대성이론』 『중력의 발견』 『빅 북 사이언스』 『우주는 무한한가, 유한한가』 (근간) 등이 있다.

들어가며

제1장: ‘우리 우주’에는 시작이 있다

1-1: 우주는 영원불변한 존재가 아니다

1-2: 우주의 시작에 대해 생각한다

1-3: 표준빅뱅이론을 신뢰할 수 있는 이유

1-4: 우주 인플레이션

제2장: ‘無’로부터의 우주 탄생론

2-1: ‘무(無)’란 무엇인가

2-2: 우주의 경계조건

2-3: 우주의 시작과 ‘무’

2-4: 우주는 정말 ‘무’에서 시작되었을까

제3장: 양자론과 우주론

3-1: 양자론의 의미

3-2: 고전물리학은 따분하다?

3-3: 양자론은 고전물리학을 뒤엎는다

3-4: 신은 주사위 놀이를 한다

3-5: 중력을 양자화하는 이론은 미완성

3-6: 중력의 양자론을 검증하는 일의 어려움

3-7: 양자우주론

제4장: 상대성이론과 우주론

4-1: 시간과 공간은 단순한 무대인가

4-2: 아인슈타인의 등장

4-3: 운동의 상대성이란

4-4: 중력이란 무엇일까

4-5: 시공간이 휘어져 있다는 것의 의미

4-6: 중력은 빛을 휘게 한다

4-7: 우주를 모델화하다

4-8: 우주 팽창의 발견과 르메트르

4-9: 우주는 어디를 향해 팽창하는가

제5장: 소립자론과 우주론

5-1: 소립자론을 우주론에 응용하다

5-2: 빅뱅이론과 원자핵 물리학

5-3: 현재의 우주에 있는 다양한 원소의 기원

5-4: 3중 알파반응의 기발함

5-5: ‘인간원리’란 무엇인가

5-6: 소립자론에서 보는 다중우주

5-7: 우주론에서 말하는 다중우주

제6장: 우주의 시작에 답은 있는가

6-1: 우주의 시작이라는 의문

6-2: 휠러의 ‘참가형 우주’

6-3: 호킹의 ‘톱-다운형 우주’

6-4: 휠러와 다(多)세계 해석

6-5: 우주관(宇宙觀)은 돌고 돈다

6-6: 정보와 우주

6-7: 플랑크톤이 매우 똑똑하다면.

맺는말