인류가 지구에 출현하면서 다른 생물과 뚜렷이 구별되는 점은 스스로 생각하고 상상하는 점이 있다. 문명이 발상하기 이전부터 인류는 항상 이 세상의 어떻게 이루어졌는지 알고 싶어 했고 나름대로 그 세상을 파악해왔다.
기원전 신흥 그리스 문명과 고대 메소포타미아 문명, 이집트 왕국이 만나는 지점에 밀레토스라는 지역에선 주변의 문명의 영향과 그리스적 자유와 정치적 유동성이 깃든 도시였다. 왕궁이나 강력한 계급이 없고 개별 시민이 아고라에서 자신들의 운명에 대해 토론을 벌이던 시기와 여건속에 인류 역사상 최초의 의회가 만들어지며 신만이 유일하던 세계에 처음으로 인류가 의회 토론을 통해 세상의 진실을 보고자 시도했던 곳이다.
토론을 통해 세계를 이해할 수 있다, 이것이 바로 밀레토스의 위대한 유산입니다. P.22
토론의 회의록은 어땠을지 현재 우리는 알 수 없다. 그러나 그 시기 철학과 과학적 사고가 융합되어 세상을 알고자 하는 시도는 계속 이어졌다. 그 시기 밀레토스에서 압데라로 가는 배에 한 레우키포스 (Leukippos, BC.440~ )남자가 있었다. 그는 이런 밀레토스의 정신을 가지고 <대우주론, The Great Cosmology)라는 책을 썼으며, 그의 제자 데모크리토스 (Democritus, BC.460~BC.380)와 함께 과학과 철학을 바탕으로 물질이 더 이상 쪼개질 수 없는 고대 원자론에 대해 생각했다. 이들은 다양한 자연현상은 무언인가에서 기인하여 생겨난 결과라고 생각했고 이 결과는 또다른 무언가를 기인하는 무언가가 된거라고 생각했다. 그들은 바로 이 무언가가 무엇일지 이해하려 시도했다.
밀레토스인 중 아낙시메네스 (Anaximenes, BC.585~BC.525)는 이 근본물질이 응축되거나 희박해짐으로써, 세계를 구성하는 한 원소에서 다른 원소로 바뀐다고 생각했다. 처음으로 물리학이 싹튼 순간이다.
이들은 이 세계가 기본적인 원자들을 조합해서 만들어진 것으로 설명했고 (마치 몇 자 안되는 알파벳으로 거의 무한에 가까운 표현을 만들듯…) 원자들의 조합으로 이 세계의 조합을 만든다고 했다. 이러한 비전에서 인류는 앞으로 문명과 과학이라는 지식을 세우기 시작했다.
데모크리토스의 방대한 체계를 설명하는 수십 권의 책을 남겼는데 (물리학, 철학, 윤리학, 정치학, 우주론….) 그의 소우주론의 첫머리는 “이 책에서 나는 모든 것을 다룬다”라는 인상적인 글을 남겼다. 불행히도 이 책은 모두 소실되었고 남겨진 거라곤 그 책을 인용한 다른 책을 통해 그 책의 존재를 간접적으로 아는 것이다. 인류의 큰 역사적 손실이 아닐 수 없다.
이후 오랜 세월이 흘러 드디어 갈릴레오가 인류최초의 망원경을 만든 혁명적 사건으로 목성을 관찰하며 지동설을 주장하더니 현대물리학의 위대한 천재 뉴턴 (만유인력의 법칙)과 아인슈타인 (상대성 이론)까지 우리가 사는 세상을 기술하려는 노력은 계속 이어져 왔다. 리뷰하는 책은 현대물리학에 기초하여 세상은 어떻게 이루어지고 있는지 설명하는 책이지만 반드시 과학만이 천하제일이라고 말하진 않는다. 철학적 사유로부터 나온 기원전 문명 시대가 얼마나 현재 물리학과 조화로운지, 기원전 철학자들의 통찰에서부터 영감을 받아 현대 물리학까지 발전해온 역사를 말해주고 있다.
이런 관점에서 저자는 현 교육제도가 흔히 말하는 문과, 이과처럼 기능적으로 분리하여 교육하는게 대단히 잘못된 점이라는걸 말해주고 있다.
책은 크게 4부분으로 설명하고 있는데 이 세상을 이루는 통찰을 어떻게 현대 물리학과 연결이 되는지 (1) 기원을 찾는 역사부터 (2) 뉴턴부터 아인슈타인을 거쳐 현대 양자역학이 걸어온 길, (3) 현대의 양자역학으로 이루어진 우리의 물리학적 세계의 변화 (우리가 항상 느끼지만 우리의 직관에 반하는 시간과 공간), (4) 마지막으로 이러한 과학적 사실에도 불구하고 우리가 세상을 다 안다고 자만하지 않고 그 너머 무엇이 있는지 여전히 탐구하는 정신을 유지하면서 무조건적인 과학만능을 경계하고 과학이 이루어낸 신뢰에 대해 이야기하며 마무리된다.
이 책을 보고 나면 우리가 사는 세상, 우리가 보는 장면, 우리가 시간의 흐름속에 생활하는 물리적 시공간에 대해 새로운 세상과 전 우주적으로 확장하여 새로운 세상을 보는듯한 사고의 세계로 인도하고 있다. 이 책은 생각보다 쉽게 쓰여진 책은 아니다. 책의 중심이 되는 내용은 아무래도 현대물리학적으로 세상을 보는 것이기에 다소 이해하기 어려운 부분도 있지만 사실 이것도 정상이라고 저자는 이야기한다. (필연적으로 상대성이론과 양자역학을 중심으로 우리가 사는 세상의 실체에 대해 설명하는데… 아시다시피 이는 우리가 가진 상상력과 일반적인 생각하는 직관 때문에 쉽게 이해되지 않는다.) 그럼에도 이 책을 통해 우리의 세상을 새로운 눈으로 보고 우리가 사는 세상을 좀더 달리 보는데 조금이나마 도움이 될 것이다.
과학적 관점으로 세상을 본다는 것은 무슨 의미일까? 이것은 진실인지 여부를 밝히는 것이지만 그 누구도 진실 즉 참을 알 수 없다. 누구도 모르는 진실을 알기 위해 과학이란 도구를 사용하지만 과학은 매우 겸손한 학문이라고 한다. 과학은 현재까지 알려진 사실을 기반으로 그 시대에 최선인 답을 구해주는 학문인것이다. 이 사실을 서로간에 명확히 정의한 후 과학이란 이름으로 세상의 진실을 추구할 때 우리는 이것이 신뢰성 있는 답이라고 설명하고 있다.
과학을 신뢰할 수 있는 것은, 그것이 확실한 대답을 주기 때문이 아닙니다. 과학을 신뢰할 수 있는 까닭은, 현재 우리가 가지 최선의 대답을 주기 때문입니다. 지금까지 찾아낸 최선의 대답 말입니다. … 언제나 개선 가능성을 열어놓고 있기 때문입니다. 바로 이러한 무지에 의한 의식이 과학에 특별한 신뢰성을 부여하는 것입니다. 우리에게 필요한 것은 확실성이 아니라 신뢰성입니다. … 과학은 확실한 해답이 아니라 가장 신뢰할 수 있는 답을 찾는 일이기 때문입니다. P.254~256
과학에 대한 이런 정의를 두고 이 책은 기원전부터 사유해온 철학적 사유부터 현대 물리학에 이르기까지 우리가 사는 세상의 실재에 여러 과학적 단서를 모아모아 이론이 만들어진 현재 세상에 대해 신뢰성 있는 대답을 찾는 과정을 우리에게 알려주고 있다. 그래서 현대 물릭학의 여러 과학적 발견을 두고 이것이 절대적 진리라고 하지 않으며 과학적 단서와 실험적 증명이 합쳐져 이론이 된 현재 세계를 가장 잘 들어맞는 세계를 설명하고 있다.
그중 이 책에 소개된 여러 흥미로운 내용 중 몇 가지를 소개하고자 한다. 먼저 우리가 사는 공간에 대하여 플랑크 길이와 접목하여 양자공간에 대해서 소개하고, 두번째로 이 공간이 생기는 최소한의 부피와 넓이가 존재하는지…. 마지막으로 모두가 모르는 듯 아는 듯한 블랙홀과 블랙홀 내부에서 어떤 일이 벌어지는지 최신 과학적 지론과 논쟁에 대해 소개하고자 한다. 물론 이 책에는 이것 말고 시간의 개념, 상대성이론이 말하는 것, 정보의 개념과 정보로 세상을 설명하는 이론 (It from bit) 등 여러 주제가 있다.
(1) 플랑크 길이, 양자공간에 대하여
마트베이 브론스테인는 양자역학과 일반상대성이론을 취합하여 공간, 크기에 대하여 최소한의 크기, 즉 공간도 입자처럼 나눌 수 있는 분명한 한계가 있다고 합니다. 이 과학자는 러시아의 열렬한 공산주의자였는데 흔히 아는 독재자에 의한 공산주의가 아닌, 세상의 기득권과 자본 권력가등과 대항해 세상의 불평등과 불의가 없는 그런 사회를 꿈꾸던 과학자였다. 그는 레닌을 추종하다가 독재자 스탈린 시대가 오자 이에 저항하다 체포되었습니다.
공간의 작은 최소 단위가 있을까? 아무리 작은 공간이라도 쪼개고 쪼개면 이는 무한히 작은 공간이 존재한다고 생각되지만 양자역학과 일반상대성이론을 취합하면 결국 공간에도 최소한의 크기가 있다고 합니다. 공간을 쪼개고 아주 작은 공간이 있다면 그 영역에 무언가 존재하여 지점을 표시한 기준점이 필요하다. 그러나 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 아주 작은 입자를 한 공간에 잡아두려고 하면 입자는 빠른속도로 달아난다. 빠른속도로 달아난다는 것은 매우 큰 에너지를 가지고 있다는 의미이고 아인슈타인의 일반상대성이론을 대입하면 에너지는 공간을 휘게 한다. 결국 아주 작은 공간에 에너지가 집중되고 공간이 휘게 되어 결국 블랙홀처럼 꺼져 들어간다. 입자가 블랙홀 속에 들어갈때까지 가면 더이 상 볼 수 없다. 그럼 그 공간은 더이 상 기준점이 될 수 없다. 이렇게 하이젠베르크의 불확정성 원리와 아인슈타인의 일반상대성이론으로 그 최소 공간을 수학적으로 계산이 가능하며 결국 공간역시 최소크기가 존재하며 이는 공간도 입자성을 띄게 된다는 의미가 된다. 최소한의 공간의 단위를 이루는 입자의 크기. 이렇게 계산된 입자의 최소 크기에 대한 길이를 우리는 현재 플랑크 길이 (Lp) 라고 부른다. 매우 간단한 수학적 방정식이며 어려운 계산도 아니다. 수치로 굳이 표현하면 10^(-33) cm 이다.
아주아주 작은 길이이지만 쉽게 감이 오지 않을 것이다. 좀더 쉽게 말해 호두를 우리가 현재 과학으로 관측가능한 우주 끝까지 키운다 해도 우리는 플랑크길이를 여전히 볼 수 없을만큼 작다. (호두를 우주전체까지 키워도 플랑크 길이는 여전히 확대하기 전의 호두보다 백만배나 작다.)
앞서 소개한 마트베이 브론스테인은 하이젠베르크의 불확정성 원리의 양자역학과 아인슈타인의 일반상대성이론을 함께 취할 때 무한히 작은 공간은 없고 한계가 존재한다는 걸 알아냅니다. 논문을 내고 스탈린의 경찰에게 체포된 후 사형을 선고받았습니다. 그가 받은 선고는 1938년 2월 18일 재판 당일 집행되었습니다. 그때 그의 나이 30살이였습니다.
(2) 부피와 넓이의 스펙트럼. 루프양자중력
양자역학과 일반상대성이론을 통해 최소한의 공간의 한 축이 되는 최소한이 길이 플랑크 길이를 통해 최소한의 면적과 공간의 크기를 도출할 수 있습니다. 아인슈타인에 의한 공간이란 개념은 중력장으로 표현됩니다. 즉 부피는 중력장의 한 변수이며 우리가 있는 공간은 중력장이 얼마만큼 있는가를 표현합니다. 아인슈타인과 비견될 천재성을 가졌지만 상대적으로 덜 알려진 위대한 천재 물리학자 디랙에 의해 이런 부피의 스펙트럼을 나타내는 모든 변수의 계산법을 고안하였습니다. 이 결과 부피 역시 불연속적이라는 걸 알게 됩니다. 즉 부피는 ‘불연속적 다발’로만 이루어진것으로, 하이젠베르크 불확정성 원리, 전자기장의 에너지가 불연속적 다발 광자로 형성된 것과 매우 흡사합니다.
공간의 양자입자라는 구조가 생겨나고 각각의 양자입자는 공간영역을 형성하여 여기에서 면적이 분리됩니다. 면적은 길이의 제곱이므로 최소한의 길이인 플랑크길이의 제곱에 몇 가지 변수를 더하여 우리는 이 세계에서 더 이상 나눌 수 없는 최소한의 면적을 알아내게 됩니다 (그 값은 10^(-66) cm^2이다). 이 넓이 외에는 다른 넓이는 세상에 존재하지 않습니다. 이보다 작은 절반... 혹은 1/10면적은 존재하지 않습니다. 이러한 특별한 값들은 원자 속 전자들의 궤도 연구에서 나타나것과 비슷합니다. 그래서 면적은 연속적이지 않고 입자적입니다. 우리가 세상의 공간과 (하물며 시간까지도) 연속적으로 보이는 것은 우리의 눈과 움직인은 이렇게 매우 작은 규모를 볼 수 없기 때문입니다. 이것은 마치 우리가 영화를 보는것과 같습니다. 30프레임 영화 필름은 사실 정지된 그림 30장을 1초동안 보여주는 것이다. 그림 한장 한장 사이에는 모두 불연속적이지만 우리가 그 영화를 볼 때에는 그 미세한 차이를 인식하지 못하고 모두 연속적인 흐름으로 인식하는 것과 마찬가지 원리이다.
결국 일반상대성이론과 양자역학을 결합한 결과로 최소한의 길이.. 이에 따른 최소한의 면적, 공간이 나타나며 무한한 것은 없다고 말합니다. 이렇게 결합된 두 이론은 루프양자중력이론 혹은 루프이론이라 불린다. 이 급진적 생각은 물리적 공간도 장이며, 양자로 이루어진 사실… 입자 구조가 양자중력장을 특징짓고, 공간을 특징짓습니다. 따라서 공간도 결국 알갱이로 이루어진 것이며, 빛의 양자가 존재하고, 전자기장의 양자가 존재하고 기본 입자가 양자장의 양자로 존재하듯 공간의 최소단위 공간의 양자가 존재한다고 현대 물리학은 이야기하고 있습니다.
따라서 루프이론의 핵심 예측은 공간이 연속적이지 않다는 것, 무한히 나눌 수 없다는 것, ‘공간의 원자들’로 이루어져 있다는 것입니다. 정말로 작습니다. 가장 작은 원자핵의 10억분의 10억분의 1보다도 작죠 p.167
(3) 블랙홀 내부에선 무슨일이 벌어지나…
블랙홀은 상대성이론에 의해 그 존재가 잘 기술된다. 빛조차 빠져나올 수 없는 매우 큰 질량덩어리로서 이론적으로 생각되던 블랙홀은 여러 관측 기술을 통해 그 존재가 증명되었으며 얼마전 블랙홀의 모습까지 촬영에 성공하였다.
그러나 상대성이론의 블랙홀은 양자역학이 등장과 앞서 설명한 루프이론에 의해 한가지 수정되어야 한다.
우리가 블랙홀로 들어간다면 무슨일이 벌어질까? 블랙홀 표면을 통과하고 점점 중심쪽으로 빠르게 가속하며 추락해 간다. 여기서 상대성이론은 모든 것이 붕괴하며 무한히 작아지고 무한한 밀도를 가지게 된다고 설명한다. 그러나 양자역학에 의한 루프이론에 의해 우리는 공간도 최소한의 크기가 존재한다는 걸 알아냈다. 물론 무척 작은 공간과 매우 높은 밀도이기는 하지만 무한한 것은 아니다. 작아 짐에도 한계가 있다. 이는 블랙홀 내부도 같이 적용된다.
또 한가지, 블랙홀은 영원 불멸하는 존재일까? 이것도 아닌 것 같다. 블랙홀은 모든걸 빨아들이며 질량이 축적하면서 열이 발생하게 된다. 핵물리학에서 밝혀졌듯이 질량은 곧 에너지와 같다 (E=mc^2). 뜨거운 열이 발생하면 결국 증발하게 되고 그러면 질량을 점점 잃어 가며 작아지게 된다. 즉 블랙홀 역시 점점 증발하여 없어지게 된다. 이 시간은 얼마나 걸릴까? 블랙홀 입장에선 그렇게 오랜 시간이 아닐 수도 있다. 그러나 외부자 시선, 즉 우리가 관측시 아주아주 오랜 시간,, 어쩌면 태양의 수명이 다 할 때까지 혹은 우주의 시간이 다 끝날 때까지 걸릴 수도 있다. 블랙홀의 내부는 매우 큰 질량과 그에 따른 중력이 이 엄청나다. 중력이 클수록 시간은 느리게 흐른다. 영화 인터스텔라를 보신분 알겠지만 주인공이 블랙홀 주변의 어느 행성에 잠깐 머물다 우주선으로 돌아왔음에도 우주선 선원은 이미 수십년이 흐른 뒤였다는 걸 상기해보자. 블랙홀 입장에선 블랙홀이 만들어지고 열이 발생하여 일정 순간 질량이 열에너지로 변화되어 증발하는 것이 순식간에 벌어지는 사건이지만, 외부자에선 그 시간이 거의 영원에 가까운 매우 긴 시간이다. 만약 블랙홀에 들어가서도 부셔지지 않는 시계가 존재하여 블랙홀에 던져 넣었다면 그 시계는 고작 몇시간, 몇일 정도의 시간만 흐른 뒤 블랙홀이 모두 증발 후 다시 세상에 나올 것이다. 그때 세상의 우주는 이미 수억, 수백억의 시간이 흐른 뒤일 것이다. 블랙홀의 열과 증발에 관한 이론은 우리가 잘 아는 영국의 천재 물리학자 스티븐 호킹 박사의 중요한 발견이다.
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