모든 것의 기원 - 예일대 최고의 과학 강의 -

현재를 포착하고 미래를 통찰하는 시선!
“우리 모두는 별의 먼지에서 태어났다.
수많은 발견의 역사와 미래에 대한 전망이 이 한 권에 고스란히 담겨 있다”
숀 캐럴,『세렝게티 법칙』저자

세상 만물은 원자로 되어 있다. 칼 세이건의 아름다운 언어를 빌리면 “우리 모두는 별들로 이루어져 있다We are made of starstuff”. 인류가 품어온 가장 오래되고 거대한 질문인 존재의 기원에 대한 과학의 답이다. 뉴턴, 다윈, 아인슈타인 등 인류의 역사에 빛나는 업적을 쌓은 수많은 과학자들은 이 근본적인 의문을 풀기 위해 오랜 노력을 해왔고, 지난 수백 년 사이에 장족의 발전을 이루었다. 행성물리학과 지진학 분야에서 가장 영향력 있는 과학자 중 한 명이자 예일대학교 지구물리학 교수인 데이비드 버코비치David Bercovici는 깊은 학식과 특유의 명쾌한 문체를 십분 발휘하여 이 놀라운 여정을 한 권의 책에 담았다.
예일대학교 학부생들을 대상으로 한 과학 교양강의를 엮은 『모든 것의 기원The Originals of Everything』은 별과 은하의 탄생에서 생명과 진화, 문명에 이르기까지 우주와 인류의 역사를 바꾼 핵심적인 사건들을 중심으로 만물의 역사를 시간순으로 정리했다. 장구한 138억 년 우주의 역사를 탐구한 호모 사피엔스들의 수많은 발견의 역사와 미래에 대한 통찰을 담았다. 특히 책은 많은 과학자들이 우주와 생명의 신비를 풀기 위해 가설을 세우고 실험하며, 때로는 동료 과학자들과 경쟁하면서 진리를 찾기 위해 고군분투하는 이야기로 가득한데, 이처럼 저자는 모든 것의 기원에 다가가기 위해 노력한 과학자들의 면면과 현대과학의 성과를 간결하고 유쾌한 필치로 그려냈다. 이를 들여다보는 것만으로도 138억 년에 걸친 기원의 탐구에 즐겁게 동참할 수 있을 것이다.
저자는 특정 이론에 뿌리를 둔 검증 불가능한 가설이나 신화적 상상력, 옛날이야기 등을 경계하고, 측정 가능한 예측을 수반하는 과학적 가설과 검증 가능성을 과학이 갖추어야 할 최고의 덕목임을 강조하면서 과학이론 전반을 균형 있게 고찰했다. 이를 위해 여러 이론을 나열해 설명하기보다는 “하나의 테마가 이전 테마의 결과이자 다음 테마의 원인이 되도록” 새로운 이론이나 아이디어로 나아가는 과정을 극적으로 구성했다. ‘검증 가능한 커다란’ 가설을 통해 과학을 가르쳐온 그의 강의가 수많은 학생들에게 신뢰를 받으며 예일대학교 명강의로 꼽혀온 데에는 그의 유쾌한 입담과 대가의 여유도 있겠지만, 이처럼 “모든 과학적 이론과 가설은 증명을 통해 권위를 얻는다”고 강조하는 그의 엄정한 과학적 태도도 작용했을 것이다.
“기원을 추적한다는 것은 매우 과학적인 개념”이다. 하지만 과학적 사실은 끊임없이 바뀐다. 갈릴레오 시대에는 지구가 우주의 중심이라고 생각했지만, 지금은 명백히 지구가 태양을 돌고 있다. 과학적으로 사고하는 것은 우리가 생각하는 것이 언제든 틀릴 수 있다고 회의하는 것이다. 이 책이 제시한 답들도 완전무결한 것은 아니다. 우주와 생명의 기원이 다 밝혀지지 않았듯, 해결되지 못한 의문들은 의문인 채로 남겨두었다. 다만, 광활한 우주 속에 포함된 우리가 과연 어디까지 알고 있는지, 어떤 질문을 던질 수 있는지, 우리는 어디를 향해 가고 있는지를 큰 맥락에서 깨닫게 해주는 길잡이로서 이 책은 충분한 역할을 할 수 있을 것이다.

“종교적이건 과학적이건 간에, 사람들이 우주창조설에 관심을 갖는 이유는 ‘나’라는 존재의 기원이 궁금하기 때문이다. … 우주의 주요 부분에 해당하는 퍼즐 조각들이 언제, 어떻게 탄생했는지를 추적하다 보면 전체적인 윤곽이 드러날 것이다. ‘기원origin’이라는 단어는 다분히 과학적인 개념이다. 무언가의 기원을 추적한다는 것은 신화나 옛날이야기를 캐는 것이 아니라, 그것이 존재하게 된 이유를 과학적으로 설명해주는 가설을 세운다는 뜻이다. 이야기와 가설은 엄청난 차이가 있다. 과학적 가설은 측정 가능한 예측을 수반하기 때문에, 과학자들은 실험이나 관측을 통해 가설이 틀렸음을 반증할 수 있다. 이 조건을 만족하지 못하는 가설은 과학적 가설이 아니다. ‘검증 가능성’은 과학이 갖추어야 할 최고의 덕목이기 때문이다.” (본문 8~9쪽)

빅뱅, 별의 탄생, 원소의 생성, 태양계와 지구의 탄생, 생명의 탄생과 진화…
한 권의 책으로 떠나는 138억 년 우주여행

138억 년 우주의 역사를 러닝타임 24시간짜리 영화로 축약하면, 최초의 인간은 영화가 끝나기 0.04초 전에야 비로소 등장한다. 우리가 그려볼 수 있는 우주의 기원은 찰나의 순간이지만, 그럼에도 이 책은 인류의 지적 자산을 총동원해 우주, 생명, 인류, 문명의 역사를 큰 그림으로 그려보려는 의미 있는 시도들 중 하나다. 책은 총 여덟 개의 장에 걸쳐 연대순으로 조명한다. 첫 장에서는 우주의 기원을 설명하는 빅뱅과 우주의 팽창, 최초의 천체가 탄생하기 이전의 암흑기를 다룬다. 2장과 3장에서는 은하와 별의 생성을 주제로 별의 핵융합반응과 진화 과정을 살피고, 50억 년 전의 거대한 먼지구름에서 어떻게 태양계와 행성이 만들어졌는지 알아본다. 4장부터 6장까지는 지구로 관심을 돌려 지진학seismology적인 지구환경과 내부구조의 변화, 생명 탄생을 주요 주제로 다룬다. 지질구조판과 강한 자기장, 대기 흐름과 물의 순환 등의 원리를 통해 어떻게 지구만이 생명체가 번성할 수 있는 유일한 행성이 되었으며, 최초의 생명체가 어떻게 다세포 생물로 진화해갔는지 추적한다. 7장과 8장에서는 영장류에서 인류에 이르는 진화와 문명의 과정도 살펴본다.
저자는 현대우주론과 입자물리학, 지구물리학 등에 입각하여 ‘기원’에 얽힌 실타래를 풀어나간다. 특히 표준이론으로 인정되는 커다란 이론을 바탕으로 뼈대를 세우고, 신빙성 높은 이론들을 선택해 추론의 살을 더한다. 일례로 우주가 짧은 시간에 폭발적으로 팽창했다는 인플레이션이론inflation theory과 입자물리학의 ‘표준모형standard model’인 초끈이론superstring theory이나 고리양자중력이론loop quantum gravity에 기대어 빅뱅 직후의 우주 생성 과정을 설명하며, 통일장이론Unified Field Theory이나 만물이론Theory of Everything의 기여와 한계도 짚는다. 태양계가 납작한 원반 모양인 것에 대해서는 회전축과 원심력의 상쇄 작용인 회전원반이론에서부터 자기장설, 태양요동설에 이르기까지 학계의 다양한 가설을 언급하지만 정설로 인정받기 어려운 한계에 대해서도 과학적인 반증 과정을 보여준다.
우리가 알고 있는 우주의 역사는 일부분에 불과하다. 방사성 동위원소로 연대를 측정할 수 있게 된 19세기 말 이전까지 지구의 나이를 둔 격렬한 논쟁이 있어왔고, 20세기 초까지만 해도 천문학자들은 우리 태양계가 속한 우리 은하milky way가 우주의 전부라고 생각했다. 여전히 우주의 95%를 암흑에너지와 암흑물질이 차지하고 있으며, 별과 행성, 인간 등 우리가 그려볼 수 있는 물질은 5%에 불과하다. 더욱이 질량이 목성과 토성의 1/300배도 안 되는 지구가 어떻게 목성의 가장 큰 위성보다 2배 더 큰 위성을 거느릴 수 있는지, 지구상의 생명 진화에 중요한 역할을 하는 달도 아직 미스터리다. 생명체의 기원 또한 정설로 받아들여지는 이론이 없다. RNA분자에 기초하여 복잡한 DNA 체계로 진화했다는 ‘RNA 세계 가설RNA hypothesis’이나 지표면의 유기물 혼합 용액에서 발생했다는 ‘원시스프 가설primordial soup’, 간단한 세포 구조를 가진 원핵생물로부터 복잡한 구조를 가진 진핵생물로 진화했다는 ‘세포내공설endosymbiosis’ 등이 있지만, 생명 자체는 아직도 베일에 싸여 있다. 그럼에도 저자는 고전물리학에서부터 양자역학, 우주물리학, 입자물리학, 지진학 등 현대물리학과 인류학에 이르기까지 방대한 지식을 섭렵해 찾아낸 실마리를 바탕으로 과학의 첨예한 쟁점들과 아직까지 해명되지 않는 부분들까지도 조화롭게 설명하고 있다.

“우주에 존재하는 질량과 에너지의 70%는 암흑에너지이고, 25%는 암흑물질이 차지하고 있다. 별과 행성, 인간 등 우리에게 친숙한 물질은 나머지 5%에 불과하다. 게다가 이들은 거의 대부분 이 수소와 헬륨으로 이루어져 있다. 그러나 암흑물질과 암흑에너지는 은하와 같이 큰 규모의 우주에서 작용하기 때문에, 인간의 한정된 감각으로는 그들의 존재를 느낄 수 없다. 우리는 그저 침대에서 일어나거나 계단을 올라갈 때, 또는 커피를 따를 때 작용하는 중력을 느낄 뿐이다. 만일 우리의 몸이 벌레나 미생물만 큼 작아진다면 중력보다 전자기력을 강하게 느끼며 살아갈 것이다. 작은 세계를 지배하는 정전기력과 마찰력, 표면장력 등은 모 두 전자기력에 속하기 때문이다(벽을 타고 올라가거나 천장에 붙은 채 기어가는 개미에게 중력은 있으나 마나 한 힘이다). 이와 마찬가지로, 암흑에너지와 암흑물질을 전혀 느끼지 못하는 우리는 거시적 규모에서 볼 때 벌레와 비슷한 존재이다.” (본문 40쪽)

“우주의 기원은 곧 우리 자신의 기원이기도 하다”
세상의 기원을 탐구하는 호모 사피엔스들의 노력이 빚어낸 이야기

밤하늘을 수놓는 별이 가장 많이 만들어진 시기는 약 100억 년 전 우주의 암흑기가 막을 내리던 시점이다. 하지만 별은 지금도 생성되고 있으며, 특히 ‘창조의 기둥’으로 알려진 독수리 성운에서는 새로운 별과 태양계가 수시로 탄생하고 있다. 별이 태어나는 중요한 요인 중 하나가 중력이다. 우주공간은 우리가 아직은 관측할 수 없는 무수한 먼지와?수소, 헬륨?등의?가스가 존재한다. 이러한 성간 먼지interstellar가?모여?성운nebullar(라틴어로 구름)을 이루는데, 이?기체구름은 서로의 인력으로 주위 물질을 끌어들이면서 크기를 더욱 크게 만든다. 커진 기체구름의 내부는 중력으로 수축을 하면서 압력이 커지게 되고, 높은 압력은 중앙부를 뜨겁게 달구기 시작한다. 이렇게 질량이 커지고 밀도가 높아져 임계점에 다다르면 수소와 헬륨의 핵융합반응으로 인해 엄청난 빛과 열을 방출하게 된다. 이처럼 스스로 빛과 열을 내기 시작한 기체구름을 우리는 별이라 부른다.
별도 그 찬란한 삶을 마감하는 때가 온다. 연료를 소진하고 수명을 다하게 되면 점점 부풀어 올라 거대한 붉은 별이 된다. 적색거성red giant이다. 연료를 빠르게 소모하면서 거성의 중심부는 중력에 의해 수축하려 하고, 바깥쪽은 밖으로 나가려고 하면서 결국 최후의 순간에 초신성이 되어 대폭발을 일으킨다. 초신성 폭발 이후 별의 가운데 부분은 계속 압력이 가해져 원래 크기의 1/100로 쪼그라든 백색왜성white dwarf 또는 중성자별neutron star, 혹은 엄청난 중력으로 빛마저?빨아들이는?‘블랙홀black hole’이?되면서?종말을?맞이하게?된다. 그리고 그렇게 폭발한 별은 다시 먼지와 가스가 되어 다른 새로운 별과 행성계를 위한 밑거름이 된다.
우리의 삶도 별의 생성과 소멸의 궤적을 닮았다. 장대한 우주의 이야기는 우리의 이야기이며 우주의 기원은 우리의 기원이기도 하다. 우리의 입장에서 인간은 우주에서 특별한 존재이길 바라지만, 138억 년을 이어온 자연의 법칙에는 인간을 특별 대우한다는 예외조항은 없다. 하지만 자연의 법칙은 쉽게 변하지 않기 때문에 과거의 걸어온 길을 토대로 앞날을 예측하는 것은 가능하다. 과학자들이 애써 만물의 기원을 밝히려는 이유가 여기에 있다.
요즘 우리 시대 교양의 새로운 강자로 과학이 부상하고 있다. 출판시장을 비롯해 각종 언론매체의 칼럼이나 심지어 TV프로그램에서도 과학 대중화의 신호들이 종종 드러나고 있다. 어쩌면 그동안 우리가 필요로 했던 것은 과학의 업데이트된 지식이나 정보가 아닌, 삶의 문제와 연관한 과학의 통찰이지 않을까. 세상의 기원을 탐구하는 호모 사피엔스들의 치열한 도전과 지성에 관한 이야기가 궁금하다면『모든 것의 기원』이 성실한 답이 될 것이다.

“유전자를 통해 조상들과 연결되어 있으며 더 멀리는 우주, 곧 내 몸을 이루는 모든 원자는 항성들의 핵에서 만들어졌다는 것을 알려주었습니다. 그의 유명한 말인 ‘우리는 별들로 이루어져 있다’는 말을 내가 어린 시절부터 느끼게 해주었습니다. 또한 우리가 영원한 존재가 아니라는 것이 바로 우리가 깊이 감사해야 할 이유이며, 이것이 우리에게 심오한 아름다움을 느끼게 해준다고 말했습니다. 우리가 영원히 살 수 있다면 우리의 존재는 더 이상 놀라운 일이 아닐 것입니다. _칼 세이건의 딸 샤샤 세이건,〈Lessons of Immortality and Mortality From My Father, Carl Sagan〉에서

저 : 데이비드 버코비치

David Bercovici
예일대학교 프레더릭 윌리엄 바이네케Frederick W. Beinecke 석좌교수이자 동대학 기후?에너지 연구소Yale Climate & Energy Institute 소장. 물리학 전통이 뛰어난 캘리포니아 이공대학교에서 우주물리학과 지구물리학을 공부했고, 2001년부터 예일대학교 지구물리학과 교수로 재직 중이다. 그의 주요 연구 분야는 행성물리학으로, 판구조론과 지구의 내부 및 화산의 원리 등을 연구하고 있다. 미국지구물리학회 및 예술과학아카데미 회원으로도 활동 중이며, 탁월한 연구와 저술로 제임스 매클웨인 명예훈장과 국립과학재단의 젊은 과학자상 등 수많은 상을 받았다.

역 : 박병철

1960년 서울에서 태어나 연세대학교와 동 대학원 물리학과를 졸업하고 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하여 박사 학위를 받았다. 현재 대진대학교 물리학과 초빙교수이며, 과학 전문 번역가로도 활동하고 있다. 저서로는 어린이 과학동아 『라이카의 별』이 있고, 옮긴 책으로는 『엘러건트 유니버스』, 『우주의 구조』, 『블랙홀을 향해 날아간 이카로스』, 『파인만의 물리학 강의 Ⅰ, Ⅱ』, 『일반인을 위한 파인만의 QED 강의』, 『리만 가설』, 『타이슨이 연주하는 우주 교향곡 Ⅰ, Ⅱ』, 『허수』, 『페르마의 마지막 정리』, 『평행우주』, 『불가능은 없다』, 『미래의 물리학』 등이 있다. 2005년에 한국출판문화상을, 2016년에 미래창조과학부 장관상(번역부문)을 받았다.

그의 이름을 듣고 초끈이론을 널리 알리는 데 공헌한 브라이언 그린의 책 번역을 떠올리는 사람이 많겠지만, 실은 『초끈이론의 진실』(승산)이나 『실체에 이르는 길』『무로부터의 우주』처럼 물리학의 현 상황을 독자들에게 올바르게 알리는 일에 주력하고 있다.