책이름 : 우주의 구조
지은이 : 브라이언 그린
옮긴이 : 박병철
펴낸곳 : 승산
물리학자 김상욱의 『하늘과 바람과 별과 인간』을 통해 브라이언 그린(Brian Greene, 1963- )의 『우주의 구조』를 만났다. 원제는 『The Fabric of the Cosmos』로 만물의 가장 기본적인 구성입자가 끈으로 이루어져 있다는 ‘초끈이론’에 관한 『엘러건트 유니버스』에 이은 저자의 두 번째 책이었다. 그린은 첨단물리학 ‘초끈이론superstring theory'을 연구하는 이론물리학자였다.
747쪽의 양장본은 5부에 나뉘어 16장, 165꼭지(각 장의 개요는 제외)로 구성되었다. 부제가 ‘시간과 공간, 그 근원을 찾아서’로 뉴턴의 중력이론부터 초끈이론까지 우주의 근본적인 구조와 시간과 공간의 궁극적인 실체에 대해 질문을 던졌다. 우주와 천체에 관한 이해력이 부족한 나는 어쩔 수없이 후반부의 〈용어 해설〉부터 읽었다.
1장은 시간과 공간의 구조를 다양한 각도에서 조명. 모든 자연현상을 하나의 이론체계로 통합한 뉴턴은 시간과 공간이 절대불변의 실체, 우주 역시 변하지 않는 세계로 생각. 1860년대 영국 물리학자 제임스 클러크 맥스웰의 방정식은 전기 및 자기들의 관련 현상들을 설명. 물리학의 혁명은 1905-1915년 아인슈타인의 특수상대성이론과 일반상대성이론. 물리적 상태가 확률적으로 결정된다는 1930년 양자역학.
19세기 물리학자 루트비히 볼츠만, 영국의 수학자 조지 펜로스는 초기우주(빅뱅)에 주어졌던 특별한 물리적 조건들이 오늘날 시간의 방향성 각인. 1960년대 우주 전역에 골고루 퍼져있는 마이크로 복사파 발견. 1980년대 초반 인플레이션 우주론은 탄생 초기에 우주가 엄청나게 빠른 속도로 팽창. 빅뱅 전 우주는 원자보다 작은 영역 속에 압축. 초끈이론은 일반상대성이론과 양자역학을 하나의 이론체계로 통합시킨 최첨단의 통일이론.
2․3장은 뉴턴의 정적인 시간․공간 개념과 아인슈타인의 이론 연결. 뉴턴의 ‘회전하는 물통’ - 절대공간. 1800년대 중반 오스트리아 철학자․물리학자 에른스트 마흐는 상대운동과 상대적 가속운동만이 눈에 보이는 현상을 지배. 아인슈타인의 중력과 가속운동은 동일하다는 등가원리principle of equivalence.
4장은 양자역학적 우주의 실체. 20세기 초 독일 물리학자 막스 플랑크에서 시작된 양자역학. 파동-입자의 이중성을 공통적으로 갖는 것은 전자뿐만 아니라 모든 물체. 19세기 초반 진행된 실험에서 파동로 간주했던 빛도 입자적인 성질을 갖고 있다. 하이젠베르크의 불확정성원리는 전자뿐만 아니라 우주에 존재하는 모든 만물에 똑같이 적용.
5-7장은 시간의 흐름에 대한 열역학적인 견해. 모든 사건들은 발생한 시간과 장소에 상관없이 그냥 거기에 존재. 모든 사물들은 하나의 시공간 안에서 한꺼번에 존재. 빅뱅으로 시작된 초기 우주에는 고도의 질서가 존재했기 때문에 지금도 무질서는 계속 증가. 전자는 파동성과 입자성을 동시에 갖고 있지만 그 두 가지 성질은 결코 동시에 관측되지 않는다.
8-11장은 우주의 빅뱅과 대칭성. 물리학의 역사를 바꾼 중요한 이론들은 ‘불변량’에 초점. 변하지 않는 속성은 ‘대칭성symmetry'. 우주 공간의 모든 위치와 모든 방향들이 대칭적. 전자기력은 광자에 의해, 중력은 중성자에 의해 매개. 강한 핵력(강력)은 글루온에 매개, 약력은 W 입자와 Z 입자에 의해 매개. 앨런 구스의 인플레이션 우주론은 우주 초창기의 비밀을 상당 부분 설명. 우주가 지금처럼 고-엔트로피 상태로 끊임없이 진행되고 시간이 한쪽 방향으로만 흐르는 것은, 초기의 우주가 아무런 덩어리나 주름 없이 매주 낮은 엔트로피 상태에 있었기 때문.
12․13장은 초끈이론의 시공간, 막우주의 개념. 전통적인 입자물리학은 전자의 퀴크를 더 이상 분해될 수 없는 최소단위, 끈이론은 전자와 퀴크는 ‘아주 작은 영역에서 특정 에너지를 가진 채 진동하는 끈string'으로 간주. 끈이론의 방정식은 오로지 10차원(9차원 공간+1차원 시간)에서만 제대로 작동. 끈이론 제2차 혁명기를 이끈 1995년 에드워드 위튼의 ’M-이론'.
14․15장은 실험을 통한 실체 규명, 시공간 여행(타임머신). 중력은 아주 약하면서 모든 곳에 존재하는 힘. 우주 공간의 1㎥당 약 4억개 정도로 분포되어 있는 마이크로파 광자는 원시 우주의 모습을 담고 있는 ‘우주적 유적’인 우주배경복사. 우주의 구성은 양성자․중성자 같은 일상적 입자들이 5퍼센트, 암흑물질 25퍼센트, 암흑에너지 70퍼센트. 1997년 자일링거 연구팀과 마르티니 연구팀은 양자적 순간이동을 획기적인 기술개발로 현실 세계에서 입증.
16장은 시간과 공간의 정체를 규명하려는 인간 노력의 역사. 1990년대 네덜란드 물리학자 헤라르뒤르 토프트와 끈이론의 대부 레너드 서스킨드는 우주가 홀로그램과 비슷한 방식으로 운영. 1997년 아르헨티나 후안 말다세나는 구체적인 수학을 통해 홀로그래피 원리를 구현한 최초의 물리학자. 최근의 시공간을 구성하는 연구는 끈이론에 기초를 둔 접근법과 ‘루프-양자중력이론loop quantum gravity'에 기초를 둔 연구. 그린은 주장했다. “시간과 공간은 근본적인 실체가 아니라 더욱 작은 미세구조를 갖는 복합체일 가능성도 있다. 우리가 살고 있는 공간은 큰 우주의 한 단면에 불과하다.”