가상의우주조각가앤드루폰첸이밝혀낸
우주시뮬레이션연구의무한한잠재력
우주시뮬레이션을이해하기위해서는먼저시뮬레이션이무엇인지부터정확히알아야한다.시뮬레이션은“특정현상이나사건을컴퓨터로모형화하여가상으로수행함으로써,실제상황에서나타나는결과를예측하는기술”이다.비행시뮬레이션,대기시뮬레이션인일기예보,컴퓨터게임,특수효과,재무계획등시뮬레이션은우리일상과밀접하게관련돼있다.그중우주를대상으로하는시뮬레이션연구가바로이책의저자앤드루폰첸이하는일이다.개미한마리와개미떼의차이를생각하면쉽다.개미는혼자할수있는일이없어보이는연약한존재이지만,떼로모이면울퉁불퉁한길을평탄하게만들고커다란다리를놓고먹이를찾아내는등놀라운집단행동을보여준다.우주도이와비슷하다.개개의입자가거동하는방식은기존의물리학이론으로설명가능하지만,이들이모여서기체와먼지구름이되고,다시별과은하가되는과정까지명확하게설명하기는어렵다.오늘날우리가“수십억년전기체구름이자체중력으로뭉쳐서별이되었다”는사실을알고있는것은정교한시뮬레이션을통해증명된결과다.우주시뮬레이션연구의목적은우주의심오한섭리를찾는것이아니라우주속입자,별,가스구름등물질의집단적원리와관계를이해하는것이다.천체물리학자들이지난50년동안끈질기게파고든끝에알아낸우주시뮬레이션연구의지름길을제시하는동시에그한계까지명확하게파악하고있는이책은우주시뮬레이션분야의교과서로자리매김할것이다.
1장은시뮬레이션에대한이해를돕기위해실생활과밀접하게관련된일기예보에서부터이야기를시작한다.2장에서5장은우주의평생풀리지않는숙제인암흑물질과암흑에너지,블랙홀,은하,양자역학을다루며우주의기원을파헤치는데활용되는시뮬레이션의역할을들여다본다.6장에서는우주론을비롯한다양한분야에서중요한연구수단으로자리잡고있는인공지능과머신러닝등시뮬레이션과직결되어있는기술발전의미래를내다본다.7장에서는시뮬레이션가설,즉우리가살고있는세계가시뮬레이션속세상인가에대한논쟁을소개하며글을마무리한다.
암흑물질에서양자역학까지,광활한우주를여행하는컴퓨터속우주실험실
19세기미국의기상학자클리블랜드애비,스코틀랜드의물리학자루이스프라이리처드슨과도러시는컴퓨터가아직없던시절부터시뮬레이션의중요성을깨닫고‘초기조건’과‘규칙’의중요성을강조하는일련의계산법을제시했다.컴퓨터가등장한이후이때의이론을기초로오늘날과같은시뮬레이션이가능해지기까지최초의컴퓨터개발자인찰스배비지,세계최초의컴퓨터프로그래머에이다러브레이스,일기예보의중요성을누구보다강조했던수학자존폰노이만,오늘날우리가사용하는코딩을처음만든그레이스호퍼등많은과학자의노력이있었다.이책이흥미로운또한가지이유는과학사를인물중심으로전개하고있다는점인데,특히나과학계에서주목받지못했던여성과학자들의업적을상세히다루고있다는점에서더욱흥미롭다.
이렇듯19세기후반일기예보에서시작된시뮬레이션은컴퓨터기술의발전에힘입어천문학적규모를다루는수준까지나아갔고,그대상은우주로확대된다.2장에서5장에서는우주연구의핵심요소인암흑물질,암흑에너지,은하,블랙홀,양자역학등을탐구하는데많은부분을할애하고있다.특히그간의암흑물질,암흑에너지,은하,블랙홀,양자역학에대해과학자들이이뤄낸연구성과를세세하게다루는동시에,시뮬레이션연구를통해알게된결과들을구체적으로제시한다.그중에서도암흑물질과암흑에너지는우주론연구에서빼놓지않고등장하는주제다.1980~1990년대천문학자들이관측데이터로부터암흑물질과암흑에너지의존재를입증할때가장큰공을세운것은단연시뮬레이션이었고,컴퓨터로작동되는천체망원경을이용하여우주의구성성분을체계적으로분류하기시작한것도이무렵의일이다.역사속해왕성의발견,뉴트리노의발견과더불어그존재가이론적으로예견된지반세기도더지난2012년유럽원자핵공동연구소(CERN)에서발견된힉스보손은사전에충돌시뮬레이션이실행되었기에그정체를알아낼수있었다.힉스입자의발견이남긴위대한발자취처럼,언젠가암흑물질과암흑에너지또한정체가밝혀진다면그때마주하게될시뮬레이션의성과를기대해도좋다.
우주론이나아갈미래를묻다
:이론과실험을연결하는다리로서의시뮬레이션
마지막장에서저자는흥미로운가설을하나소개한다.“우리가살고있는세상자체가거대한시뮬레이션이라면?”영화〈매트릭스〉가보여주는것처럼,컴퓨터가세간의관심사로떠오르기시작한1950년대부터현실이시뮬레이션이라는설정은공상과학영화와책의단골소재로자리잡았다.하지만시뮬레이션가설에관심이많은것은단지공상과학작가들만이아니다.양자물리학자세스로이드,물리학자브라이언그린,진화생물학자리처드도킨스,천문학자닐타이슨등권위있는과학자들도시뮬레이션가설을진지하게받아들이고있다.저자는디지털컴퓨터와양자컴퓨터의한계등의현실적인이유를들어시뮬레이션가설을부정적으로바라보며가설이틀린이유를구체적으로증명하지만,미래의과학을내다보는관점에서한번쯤생각해볼만한문제다.
앤드루폰첸역시책전반에걸쳐강조하듯,시뮬레이션에는분명한한계가있다.오늘날이론물리학이풀지못한난제를시뮬레이션으로모두해결할수는없다.하지만직접계산할수없고실험도어려운천문학적현상을단시간에실행하여답을줄수있다면,그자체만으로도시뮬레이션은“이론과실험을연결하는가교”로서몫을다하는셈이다.시뮬레이션의진정한성취는시뮬레이션에코딩된단순한규칙으로부터복잡다단한현상이나타나는과정을이해하는것이다.저자는시뮬레이션연구의진정한의의를“다양한과학적아이디어를하나로연결하여결과물을만들어낸사람들사이의협력”이라고말한다.우주시뮬레이션연구는이제막태어난아기에빗댈수있을만큼가능성이무한한학문이다.첨단기술의발전과더불어,새로운우주론의시대를열시뮬레이션연구는아직밝혀내지못한우주의비밀을알아내는데중요한역할을할것이다.
