마지막 지평선

“우주 지평선 너머, 우리는 무엇을 알 수 있을까?”

우주의 기원부터 확장과 소멸까지, ‘실존적 우주’를 둘러싼 물리학의 공방

전 이탈리아 15개 지역, 200여 개 학교 대상 1만 명의 학생과 교사,

700명의 교수 및 지역 과학 위원회가 2년간 최고의 과학 대중 저작물에 수여하는

제6회 아시모프상(Premio Asimov 2021) 최종 수상작!

“과학적 현실과 비교할 때 귀중한 사례들이 증명되었으며, 이론과 기이한 수학 공식들이 묘사하는 현실 사이를 연결하는 훌륭한 지침서다.” ─ 제6회 아시모프상 선정위원회

이탈리아 천문학계의 젊은 재능으로 조명받는 물리학자 아메데오 발비(Amede Balbi)의 우주를 둘러싼 현대 물리학 최전선에서 오가는 흥미로운 공방을 담은 책이다. 저자는 이 책에서, 인류가 빅뱅(Big Bang)이라고 부르는 정적이지 않고 변화무쌍한 우주의 역사를 인식하게 된 계기부터 우주의 물질과 구조, 관측 가능한 우주의 경계, 급팽창, 시공간의 시작과 끝, 외계 생명체의 존재, 다중우주 문제 등에 이르기까지, 오랜 시간 우주론과 천체물리학 연구자들의 골머리를 앓게 했던 우주에 관한 오랜 논란들을 대중의 눈높이에서 흥미롭게 풀어내고 있다.

특히, 우주를 연구하다 보면 자연스레 인간과 우주의 기원에 관해 관심이 가게 되고 인간과 신의 존재에 대한 근본적 의문을 품을 수밖에 없는데, 이 책은 마치 잘 정리된 인문서처럼 물리학자들의 사고 맥락을 따라 물 흐르듯이 전개된다. 지난 세기, 물리학의 눈부신 발전을 통해 이미 잘 알고 있는 것에서 출발해 아직 탐험하지 않은 ‘우주의 경계’를 향해 점진적으로 이동하며, 아득하고 먼 우주의 신비를 만끽하게 해주는 책이다.

I부에서는 우주에 관해 확립된 물리학의 관점을 살펴보고, 어떻게 우주가 지금과 같은 방식으로 존재한다고 확신하게 되었는지 설명한다. II부에서는 물리학의 확신이 덜하고 불완전한 확신을 가진 새로운 풍경을 향해 모험을 떠난다. III부에서는 잠시 멈춰 우리를 혼란스럽게 하는 난관과 우주에 관한 지식의 한정적, 혹은 영구적인 한계를 살펴본다. 그리고 마지막 IV부에서는 다중우주, 생명체 등 물리학이 알고 있는 극단까지 밀고 나가 과학의 권위에 도전하는 질문들에 답한다. 과학이 우주의 기원과 진화, 전체적인 구조를 설명하려는 연구 중에 얻은 개념들을 활용해 방향을 보여주는 우주 탐험의 이야기이자 길잡이로서 가치가 매우 큰 책이다.

우주에 관해 우리가 알 수 있는 한계가 있을까?

있다면, 이미 그 한계에 도달했을까?

우리는 우주의 나이도 아주 정확하게 알고 있고, 우주를 구성하는 물질과 에너지 그리고 대규모의 구조도 알게 되었다. 우주가 초기에 복잡하지 않고 단순한 상태에서 우리가 사는 지금의 풍부하고 복잡한 상태로 진화하게 만든 물리적 체계도 파악되었다. 하지만 공간과 시간의 경계 쪽으로 가다 보면, 우리의 도구와 개념을 심각한 시험에 들게 하는 문제와 마주하게 된다. 우주는 유한할까, 무한할까? 공간과 시간은 시작이 있었으니 끝도 있을까? 자연법칙이 과거에는 달랐을 수 있을까? 우리 우주 외에 다른 우주가 존재할까? 왜 아무것도 없는 것이 아니라 무엇인가가 있는 것일까? _본문 p. 17

미국, 유럽연합 등이 공동개발해 발사한 제임스 웹(James Webb) 우주 망원경이 태양계 외부의 별과 은하들에 대한 기대 이상의 결과를 보내오면서 우주 관측의 신기원을 열었다는 평가가 지배적이다. 실제로 속속 공개되는 매우 사실적인 이미지들은 지금껏 최고의 망원경이었던 허블이 보내온 결과물에 비해 훨씬 더 생동하는 우주의 경이로움을 만끽하게 해준다. 더군다나 천체물리학의 숙원이었던 외계 생명체의 힌트가 발견될 수 있으리라는 기대감을 그 어느 때보다 키우고 있는 것이 사실이다. 이는 분명, 지난 세기 이래 인류가 축적한 과학 발전의 놀라운 결과물로서, 먼 우주 지평선 밖 무지의 경계를 좁히고, 어둠에 가려진 우주를 알고자 하는 인류의 또 하나의 진전으로 평가받을 만하다.

그런데, 이렇듯 가파르게 발전하는 현대 천체물리학이 우리가 알고 싶어 하는 우주에 관한 만족스러운 답을 주고 있는지 생각해보면 조금은 다른 문제가 된다. 이상하게 들릴 수 있지만, 우리에게 상당한 고품질의 새로운 데이터들이 넘쳐나게 되었고, 기존 우주에 관한 그림의 아주 미세한 부분들이 상당한 수준으로 재구성되고 있지만, 20세기 우주의 시대를 연 아인슈타인의 일반상대성이론에서 시작해 우주의 전체적인 그림을 그려낸 빅뱅 모형이 확립된 세기말 이래, 최근 십수 년간의 성과는 이러한 우주에 관한 전체적인 형세를 극적으로 변화시키지 못했다.

새천년 이후 무슨 일이 있었을까? 이 책의 저자이자 이탈리아의 천체물리학자 아메데오 발비는 “실망스럽기 그지없게, 놀라울 정도로 별일이 없었다”라고 지적한다. 우리는 여전히 우주가 팽창하기 시작한 그 직전 우주의 시작(급팽창)을 여전히 규명하지 못했고, 우주 대부분을 차지하는 암흑 물질이 있는 건 짐작하지만, 그게 뭔지 전혀 모른다. 우주 상수(암흑 에너지)는 우주 가속화를 설명하는 데 최선의 선택지이지만, 이론적인 면에서 여전히 의혹이 남아 있다. 우주 지평선 밖으로 가면, 우리가 사는 우주가 유일한 하나의 우주인지 여러 우주 중 하나인 우주인지 알지 못하고, 이 넓은 우주의 유일한 우주인지도 확신하지 못한다. 더 안 좋은 소식은 저 먼 풍경의 그림자 부분을 비출 수 있는 빛이 있을 거라는 보장이 없다는 것이다. 간혹 작은 변수로 보이는 것들이 나올 때마다 새로운 길을 알 수 있을 것이라는 희망을 품었지만, 진실을 파보면 의미 있어 보이는 것이 단 하나도 없었다.

친숙한 영토가 끝나는 지평선 너머,

우리는 무엇을 알고 무엇을 모르고 있을까?

우주에 관해 우리가 알 수 있는 한계가 있을까? 있다면, 이미 그 한계에 도달했을까? 이런 질문은 특히 우리가 길을 가는 데 목적지에서 점점 멀어지는 느낌이 들 때, 혹은 극복할 수 없을 것 같은 장애물을 마주하게 됐을 때 생각해볼 가치가 있다. 그런데 과학사에 두 가지 극단적인 상황에 빠질 때가 잦았다는 점을 염두에 두고 있어야 한다. 그 두 가지는 ‘우리는 결코 우주에 관해 알 수 없을 것이다’와 ‘우리는 이미 알아야 할 것은 다 알고 있다’이다. _서문 中에서

그러면 오늘날 우리가 우주에 관해 알고자 하는 수많은 노력이 과소평가되어야 할까? 물론 그렇지 않다. 저자는 “엄청난 노력과 시간을 써가며 매우 다양한 수단과 방법을 동원해 누적된 엄청난 양의 관측을 통해 해석해낼 수 있었다는 사실을 과소평가하면 안 된다”라고 말한다. 다만 “원숙한 나이에 느껴지는 느림과 비슷해 보이는 시기”라는 것이다. 따라서 지금 이 시기에 물리학의 과거와 현재를 되돌아보고, 인간의 인식과 과학의 한계를 성찰하고, 할 일과 알아야 할 것이 무엇이 남았는지 자문하는 일이 먼저다. 극적으로 빅뱅 모형이 자리 잡은 후 과학의 낙관론이 팽배해지면서 우주의 기원과 구조, 물질 등이 규명될 것이라고 기대했지만, 결정적 증거가 나오지 않았음을 기억해야 한다. 과학이 우주의 모든 것에 답할 수 있다는 오만함에 사로잡혀 길을 잃고 있는 것은 아닌지 자문해야 한다.

그런 면에서 이 책은 정체기(혹은 원숙기)에 이른 우리 천체물리학에 관한 자기성찰적 과학서다. 20세기 이래로 확립된 우주에 관한 생각을 정리해보고, 새로운 세기로 들어선 이래 교착상태에 빠진 생각들, 그리고 오늘날 과학의 권위에 도전하는 주요한 물음에 답함으로써 우주를 향한 과학의 현재와 앞으로 가야 할 길을 모색하는 것이다.

I부에서는 아인슈타인마저 고집했던 정적인 우주 모형에서 동적인 우주 모형이 자리 잡게 되기까지, 일반상대성이론의 발견과 우주 팽창의 증거 등을 통해 우리가 어떻게 우주가 지금과 같은 방식으로 존재한다고 확신하게 되었는지 설명한다. II부에서는 우리 물리학의 확신이 덜하고 불완전한 개념을 갖는 새로운 풍경에 관한 이야기가 담겨 있다. 우주를 구성하는 미지의 물질과 에너지, 구조, 기원, 급팽창 등 천체물리학계에서 여전히 풀리지 않는 논점을 점검한다. III부에서는 논의를 잠시 멈춰 우리를 혼란스럽게 하는 난관과 우주에 관한 우리 지식의 한정적, 혹은 영구적인 한계를 성찰한다. 일반상대성이론과 양자역학의 불협화음, 팽창하는 우주 공간에서 빛을 통해 우주를 관측해야 하는 한계(우주 지평선), 시공간의 시작과 끝을 인식할 수 있는지 등 우주에 관한 좀 더 근원적인 물음이 포함되어 있다. 그리고 대단원 VI부에서는 우리가 아는 것의 극단까지 밀고 나가 과학 연구의 권위에 도전하는 질문들에 답한다. 다중우주, 외계 생명체의 존재, 지적설계 등 과학이 애써 외면해왔지만, 반복해서 제기되는 궁금증들을 하나하나 풀어보면서 천체물리학의 역할, 더 나아가 과학이 답할 수 있는 한계와 과제에 관해 생각하는 시간을 갖는다.

시공간의 기원에서 다중우주, 외계 생명체 존재까지

현대 우주론과 천체물리학의 최전선!

“우주 지평선의 존재는 빛이(혹은 기타 다른 신호) 공간을 이동하는 데 걸리는 시간에 제한이 있다는 사실과 밀접한 관련이 있다. 그래서 우리는 빅뱅 모형에서 138억 년 이전으로는 거슬러 올라갈 수 없다. 반면, 영원하고 변하지 않는 우주라면 지평선이 없을 것이다. 이 우주에서는 매 순간 멀리 떨어져 있는 임의의 지역에서 오는 신호를 받을 수 있는데, 이 신호는 엄청나게 오랜 시간이 걸리더라도 충분한 시간 동안 이동해 우리에게 전달될 것이다.” _본문 p. 163 中

이 책을 읽다 보면, 과학과 인문이 훌륭히 버무려진 한 편의 과학 서사를 만끽하는 경험을 느낄 수 있다. 그도 그럴 것이, 우발적으로 탄생한 모르는 것투성이 우주에서 규칙을 찾아내려 했던 물리학자들의 인간적인 환희와 절망이 생생하게 담겨 있기 때문이다. 우주에 관해 이미 알 만한 것은 알고 있다는 환희가 한순간 아무것도 모른다는 사실로 뒤바뀌었을 때 오는 절망, 그리고 그 절망을 떨치고 다시 도전해온 것이 우리 과학의 진면모였다.

저자 자신도 우주 급팽창 모형에 헌신해온 현장 천체물리학 연구자로서 환희와 절망을 함께 맛본 장본인이다. 그런 덕분에 최신 우주론에 정통한 학자로서 이 표준 우주 모형을 포함해서 우리가 우주에 관해 무엇을 알고 있고 무엇을 모르고 있는지를 제대로 알고 있으며, 이것들을 독자의 눈높이에 맞게 친절하게 설명해주고 있다. 우주에 관해 어떤 질문을 해야 하는지를 잘 알고 있고, 그 질문에 대한 답을 어떻게 찾아야 할지 잘 알고 있다. 학문적인 내용임에도 저자는 다양한 대중 강연과 과학서 집필 경험 덕분에 독자들이 궁금해하는 취향을 제대로 알고 설명해준다. 특히 우주를 연구하다 보면 자연스레 인간과 우주의 기원에 관해 관심이 가게 되고, 그러다 보면 인간과 신의 존재에 대한 근본적 의문을 품을 수밖에 없는데, 이 책은 마치 잘 쓰인 인문서처럼 사고의 맥락을 따라 물 흐르듯이 전개된다.

이 책은 과학 서적으로는 드물게 베스트셀러에 오르며 이탈리아 대중의 큰 사랑을 받은 저작물이다. 특별히, 이탈리아 정부가 주관한 2021년 아시모프상(Premio Asimov 2021) 수상작으로 선정되는 등 이탈리아 최고의 대중 과학 저작으로 평가받기도 했다. 아시모프상은 유명한 작가이자 과학자인 아이작 아시모프를 기려 만든 여러 상 중 하나로, 이탈리아어로 편집된 책 중에서 가장 우수한 대중 과학 저작물에 수여되는 이탈리아 과학계에서 가장 권위 있는 상이다. 이 상이 특별한 이유는 1만 명의 고등학생, 고등학교 선생님, 연구원, 대학원생, 교수, 기자 등 다양한 분야의 사람들이 참여해 읽고 검토하고 직접 투표해서 결정되는 만큼 많은 사람의 사랑을 받은 책이라는 점이다. 여러모로, 내용의 깊이 못지않게 읽는 재미가 아주 인상적인 책이다. 왜 많은 이탈리아 사람들이 이 책을 최고의 과학서로 선택했는지 궁금하다면, 찬찬히 아득하고 먼 우주를 함께 만끽하기를 바란다.

지은이 : 아메데오 발비

이탈리아의 저명한 천체물리학 석학. 로마 토르 베르가타 대학교(Tor Vergata University of Roma II) 물리학과에서 천문학 및 천체물리학 교수로 재직 중이다. 초기 우주의 물리학, 암흑 물질과 에너지 문제, 우주에서의 생명체 탐색을 포함한 우주를 둘러싼 광범위한 주제가 그의 주된 연구 대상으로, 집필한 과학 논문만도 100편이 넘는다. 특히, 우주론 계수들의 값을 세계 최초로 정확히 측정하고, 우주 기하학적 구조를 규명하는 데 큰 공헌을 했다. 국제천문연맹, 기초질문연구소(FQXi), 국제우주학회 SETI 상임위원회, 이탈리아 천체생물학회 과학평의회의 정회원이기도 하다.

과학의 대중화 활동도 활발하다. 다양한 교양 과학 TV 프로그램의 고정 패널로 출연하는 한편, 《사이언티픽 아메리칸(Scientific American)》, 《라 레푸블리카(la Repubblica)》, 《라 스탐파(La Stampa)》 등 과학지와 종합 일간지를 넘나들며 대중을 위한 글쓰기를 이어가고 있다. 또 와이어드 넥스트 페스트(Wired Next Fest), 토리노 도서전, 테드x로마(TEDxRoma) 등 다양한 행사에서 공개 강연을 하고 있다.

《별 너머의 어둠(Il buio oltre le stelle)》을 비롯한 10여 권에 이르는 대중 과학서를 집필했는데, 그중 이 책 《마지막 지평선(L’ultimo orizzonte)》은 2021년 이탈리아의 과학자, 교수, 학생 등 1만 명이 심사 배심원으로 참여해 2년간 가장 대중적이며 권위 있는 과학 저작물에 수여하는 6회 아시모프상(Premio Asimov 2021) 수상작으로 선정되는 영예를 안았다. 아시모프상 선정위원회는 이 책을 수상작으로 선정하며 “과학적 현실과 비교할 때 귀중한 사례들이 증명되었으며, 이론과 기이한 수학 공식들이 묘사하는 현실 사이를 연결하는 훌륭한 지침서”라는 심사평을 남겼다.

옮긴이 : 김현주

한국외국어대학교 이태리어과를 졸업하고, 이탈리아 페루지아 국립대학과 피렌체 국립대학 언어 과정을 마쳤다. EBS의 교육방송 일요시네마 및 세계 명화를 번역하고 있으며, 현재 번역 에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 전문 번역가로 활동하고 있다. 주요 역서로 《모든 순간의 물리학: 우리는 누구인가라는 물음에 대한 물리학의 대답》, 《코스믹코믹 : 빅뱅을 발견한 사람들》 등 다수가 있다.

추천사

서문

I부 | 알려진 세상

1. 질문

2. 탐험

3. 시공간

4. 팽창

5. 원소

6. 열

7. 초석

II부 | 그림자 선

8. 모형

9. 급팽창

10. 물질

11. 진공

12. 기하학

13. 미지수

III부 | 헤라클레스의 기둥

14. 한계

15. 지평선

16. 유한성

17. 독창성

18. 시간

19. 에너지

20. 원칙

IV부 | 더 먼 곳을 향해

21. 기원

22. 우발성

23. 법칙

24. 다중우주

25. 생명체

26. 계획

후기

미주