우리 우주의 첫 순간

암흑물질, 암흑에너지, 양자중력……

우주의 거대한 미스터리는

빅뱅 직후 몇 초의 순간과 강하게 연결되어 있다

우리 우주의 첫 순간에 관한 환상적인 탐구 기록

우주의 기원과 현재 우리의 세상을 이해하게 된 놀라운 여정에 대해 깊이 이해하고 싶은 사람이라면 반드시 읽어야 할 책이다. - 황호성(서울대학교 물리천문학부 교수)

138억 년 동안 우주가 어떻게 진화했는지는 과학적으로 잘 입증돼 있다. 그러나 우리 우주가 탄생한 빅뱅 직후 몇 초의 순간은 여전히 미스터리로 남아 있다. 이 짧은 순간에 무슨 일이 일어났는지를 밝혀내는 것은 우주론에서 초미의 관심사다. 이 짧은 순간은 만물의 탄생은 물론 암흑물질, 암흑에너지, 양자중력 등 여전히 수수께끼인 우주론의 문제들과 관련돼 있기 때문이다.

해나무 신간 『우리 우주의 첫 순간(At the Edge of Time)』은 우주의 비밀을 밝혀온 역사의 중요한 순간들과 그 의미, 그리고 오늘날 베일에 가려진 빅뱅 직후의 순간을 설명하려는 과학자들의 분투기를 담은 현대 우주론 안내서다. 우주론은 어디에서 출발해서 어디로 가고 있는가? 아인슈타인부터 빅뱅의 발견, 암흑물질과 양자중력까지, 과학계를 뒤흔든 우주론의 질문들을 따라가보자. 어느새 관측과 실험의 혁신으로 우주 최초의 순간에 좀 더 가까이 다가가고 있는 천문학 연구 현장의 최전선에 도달해 있을 것이다.

우주에 대해 어디까지 알고 있고, 모르는 것은 무엇인가

한 권으로 읽는 현대 우주론의 중요한 질문들

‘우리 우주는 138억 년 전 빅뱅에서 탄생했다.’ 이는 우주에 조금이라도 관심이 있는 사람이라면 상식으로 알고 있는 사실이지만, 이를 알기까지 수많은 과정이 있었다. 불과 100여 년 전만 해도 시간과 공간은 변하지 않는 것으로 인식했고, 우주는 시작도 끝도 없었다. 아인슈타인의 상대성이론 이후에야 천문학자들은 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견했고, 그것은 우주의 시작이 있다는 의미였다. 우주는 왜 팽창하는가? 가속 팽창을 하는 이유는 무엇인가? 이를 탐구하는 과정에서 암흑물질과 암흑에너지, 양자중력 등 오늘날 현대 우주론의 중요한 문제들이 등장했다.

이 책은 중요한 과학적 발견의 순간을 되짚으며 우주론의 큰 흐름을 쉬운 언어로 풀어낸다. 새롭게 등장하는 질문과 그에 대한 답을 찾는 여정을 따라가면서 다양한 천문학 이론의 의미, 관측과 실험의 목적을 이해하게 된다. 표준 모형, 물질과 반물질, 우주배경복사, 암흑물질, 암흑에너지, 다중우주 등 우주론에는 선뜻 다가가기 쉽지 않은 전문 용어가 많이 등장하지만, 중요한 것은 그것이 어떤 맥락에서 논의되는지를 이해하는 것이다. 그런 측면에서 댄 후퍼는 현대 우주론의 핵심을 잘 정리했다. 나아가 앞으로 풀어나가야 할 질문들과 그 답에 대한 아이디어도 펼쳐놓았다. 평소 우주에 대해 궁금해한 독자와 현대 우주론을 간결하게 정리하고 싶은 독자 모두에게 이 책은 길잡이가 되어줄 것이다.

암흑물질을 어떻게 찾을 것인가

우주의 본질을 밝혀내기 위한 흥미진진한 여정

우주에 대해 우리가 알고 있는 것은 원자로 이루어진 5퍼센트에 불과하다. 나머지 95퍼센트를 이루는 암흑물질과 암흑에너지에 대해서는 완벽하게 설명하지 못하고 있다. 우주론 학자 대부분은 암흑물질과 암흑에너지의 존재를 의심하지 않는다. 이론은 물론 관측과 실험 데이터가 그것이 존재함을 뒷받침하고 있기 때문이다. 다만 직접적인 관측은 아직 이루어지지 않았다. 이러한 현실이 과학자들을 애타게 한다.

암흑물질 연구로 유명한 댄 후퍼는 과학자들이 우리 우주의 기원과 본질에 관해 묻는 독특하고 난해한 질문을 설명하는 것은 물론, 거대 강입자 충돌기(LHC) 실험과 감마선 우주망원경 관측을 소개하며 과학자들의 고군분투까지 생생하게 담아냈다. 과학자들은 원시 우주의 상태를 재현하기 위해 길이 27킬로미터에 달하는 거대 강입자 충돌기를 건설하고 여기에서 암흑물질이 생성되기를 기대한다. 또한 페르미 망원경을 우주에 띄워 암흑물질에서 나올 것으로 예상하는 감마선을 포착하려고 한다. 쉽지는 않다. 예상과 달리 아직까지 LHC에서 암흑물질이 검출되지 않았고, 펄사에서 나오는 감마선은 ‘암흑물질 사냥꾼’을 방해한다.

‘암흑물질이 탐지되지 않는 다른 이유가 있는 것은 아닐까? 암흑물질은 완전히 다른 방식으로 빅뱅 직후 생성된 것은 아닐까?’ 드넓은 우주는 호기심을 자극하고, 아직 풀리지 않은 질문들은 해결책을 내놓을 주인을 기다리고 있다. 이 책을 통해 흥미로운 우주론의 여정에 참여해보자.

지은이 : 댄 후퍼

암흑물질 연구의 최전선에 있는 입자물리학자. 현재 페르미 국립가속기연구소 이론천체물리학 그룹의 수석과학자, 시카고대학교 천문학 및 천체물리학 교수로 있다. 관측 데이터 를 입자물리학과 우주론의 아이디어와 결합해 암흑물질의 정체를 밝혀내는 데 관심이 있다. 2005년 공저자로 참여한 논문 「암흑물질 입자: 증거, 후보, 한계Particle dark matter」가 지금까지 6200여 회 인용되었으며, 2014년에는 페르미 연구소 를 이끌어 암흑물질의 형체를 이미지로 구현해 전 세계적으 로 주목받았다. 대학 세미나와 학술대회에 수많은 초청을 받는 것은 물론, 언론으로부터 과학 뉴스를 논평해 달라는 요 청을 받아 방송에도 자주 출연한다. 대중과의 소통에 적극적인 그는 비전문가를 위한 과학 교양서를 저술해 호평을 받았다. 2007년 첫 책 『암흑 우주: 우주의 잃어버린 질량과 에너지를 찾아서Dark Cosmos』에 이어 2008년 『자연의 청사진: 초대칭과 물질 및 힘의 통일 이론을 탐구하다Nature's Blueprint』를 출간했으며, 후자는 『뉴사이언티스트』에서 필독서로 선정되었다. 다큐멘터리 「모건 프리먼과 함께하는 웜홀 속으로」(2013), BBC의 「호라이즌」(2015), 「우주의 심오한 비밀」(2016) 등에 출연하기도 했다. 2020년부터는 팟캐스트 채널 「왜 이 우주인가?Why This Universe?」를 운영하고 있다.

옮긴이 : 배지은

서강대학교 물리학과와 동대학원을 졸업하고, 휴대전화를 만드는 엔지니어로 일했다. 이후 이화여자대학교 통역번역대학원에서 번역학을 전공하고 소설과 과학책을 번역하고 있다. 『엿보는 자들의 밤』, 『밤의 새가 말하다』, 『열흘간의 불가사의』, 『최후의 일격』, 『꼬리 많은 고양이』, 『퀸 수사국』, 『무니의 희귀본과 중고책 서점』, 『맹인탐정 맥스 캐러도스』, 『아파트먼트』, 『물질의 탐구』, 『입자 동물원』, 『일상적이지만 절대적인 양자역학지식 50』, 『전자부품 백과사전』(전 3권)을 우리말로 옮겼다.

1장 우주 최초의 순간

2장 아인슈타인의 세계관 속으로

3장 우주의 모양이 변하고 있다!

4장 빅뱅 이론의 탄생

5장 원시 상태의 우주를 재현하다

6장 물질과 반물질의 미스터리

7장 암흑물질과 세상의 기원

8장 암흑물질의 신호를 찾아서

9장 근본적으로 다시 생각하다

10장 우주 급팽창과 중력파

11장 왜 다중우주인가

12장 우주의 열린 질문들

인용 출처

감사의 말

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