단 하나의 방정식 : 궁극의 이론을 찾아서 (양장)

미치오카쿠

저자:미치오카쿠
뉴욕시립대학교물리학과교수.이론물리학계의세계적석학이자미래학자이다.1947년미국캘리포니아에서일본계미국인으로태어나하버드대학교를숨마쿰라우데(최우수등급)로졸업하고,UC버클리에서박사학위를받았다.끈장이론stringfieldtheory의공동창시자이다.주요저서로《아인슈타인을넘어서》《초공간》《비전》《아인슈타인의우주》《평행우주》《불가능은없다》《미래의물리학》《마음의미래》《인류의미래》등이있다.
〈퍼블리셔스위클리〉는그의저작들을두고“날카로운통찰과정교한논리로푼카쿠의책은대단히과학적이지만,조금도지루할틈을주지않는다”라고평가했다.집필하는책마다예리한분석과통찰,대담한추론을통해미래과학의세계를명쾌하면서도흥미진진하게펼쳐냈다.어려운이론물리학의세계를탁월한비유와위트로전달하는저술가로서과학전문TV와라디오프로그램에출연하며과학대중화에앞장서고있다.

역자:박병철
연세대학교물리학과를졸업하고한국과학기술원(KAIST)에서이론물리학박사학위를받았다.30년가까이대학에서학생들을가르치다가현재집필과번역에전념하고있다.2005년에《우주의구조》번역으로한국출판문화상을,2016년에《마음의미래》번역으로미래창조과학부장관상을수상했다.옮긴책으로《페르마의마지막정리》《파인만의여섯가지물리이야기》《엘러건트유니버스》《평행우주》《마음의미래》《초공간》《미래의물리학》《뷰티풀퀘스천》《신의입자》《엔드오브타임》《아인슈타인의냉장고》등100여권이있으며,어린이과학동화《별이된라이카》《생쥐들의뉴턴사수작전》등을썼다.

서문.궁극의이론
아인슈타인의꿈/비평가들

1장.오래된꿈
르네상스-과학의복귀/뉴턴의힘이론/대칭이란무엇인가?/뉴턴의법칙을검증하다/전기와자기의신비/맥스웰방정식/종착점에도달한과학?

2장.통일을향한아인슈타인의여정
대칭의미학/중력과휘어진공간/일식과중력/극과극의두인물(1):뉴턴과아인슈타인/통일이론을찾아서

3장.양자이론의도약
양자혁명/전자의파동/주기율표/디랙의전자이론/파동의실체는무엇인가?/두거인의충돌/슈뢰딩거의고양이/태양의에너지원/양자역학과전쟁

4장.‘거의모든것’의이론
양자전기역학/양자혁명을응용하다/생명이란무엇인가?/핵력/극과극의두인물(2):파인먼과겔만/약력과유령입자/양-밀스이론/힉스보손-신의입자/거의모든것의이론/대형강입자충돌기

5장.캄캄한우주
블랙홀의정체/웜홀/시간여행/우주는어떻게창조되었는가?/밤하늘은왜캄캄한가?/일반상대성이론과우주/빅뱅의잔광/인플레이션/달아나는우주/현상수배:중력자

6장.끈이론의약진:가능성과문제점들
끈이론/10차원/중력자/초대칭/M-이론/홀로그램우주/이론의검증/끈이론에쏟아진비판/검증할수있을까?/암흑물질을찾아서/LHC를넘어서/빅뱅을원자분쇄기로이용하다/LISA/역제곱법칙의증명/풍경문제/끈이론에대한나의개인적견해/피드라미발굴하기

7장.우주의의미를찾아서
신을증명하다/나의개인적관점/우주에는시작이있었을까?/유한한우주/결론

“존재에관한사색에잠긴모든사람에게권한다.”_북리스트

***아마존양자이론분야1위***
***뉴욕타임스베스트셀러***
***아마존Editor’sPick베스트논픽션***
***세계17개국출간***

나와우주는어떻게존재하는가?
첨단이론물리학이전하는우주의기원과의미
상대성이론과양자역학을결합하고우주의힘을통합적으로기술하여
시공간의신비를풀어낼단하나의방정식!
《평행우주》《마음의미래》미치오카쿠가들려주는물리학의성배를찾는여정
“궁극의이론이성공적으로구축된다면두말할것도없이과학역사상최고의업적으로남을것이다.빅뱅에서우주의종말에이르는모든과정이단하나의방정식에서도출된다고상상해보라.이얼마나심오하고강력한이론인가?궁극의이론은모든물리학자들이꿈꾸는물리학의성배(聖杯)이자,‘이세상은무엇으로이루어져있는가?’라는질문의해답을찾아온2천년과학사에마지막마침표를찍어줄최후의종결자이다.”(8~9쪽)

《단하나의방정식》은세계적인이론물리학자,끈장이론의창시자미치오카쿠가베스트셀러작가로서탐색한뇌,우주탐사등다양한주제에서자신의전공분야로돌아와물리학의역사를‘통일이론의발견’이라는측면에서다룬책이다.자연에는네가지기본힘이존재한다.1)전자기력―맥스웰의방정식으로설명할수있는전자기력은전기와자기,빛등다양한형태로나타난다.2)강한핵력(강력)―양성자와중성자사이에작용하는강한인력인강력은뜨겁게타오르는별에에너지를공급한다.태양이빛을발할수있었던것은강력덕분이니,결국인간은강력으로존재하게된셈이다.3)약한핵력(약력)―약력은모든종류의방사성붕괴에관여하는힘이다.지구의내부가뜨거운이유는그곳에서방사성붕괴가일어나고있기때문이다.그러므로화산폭발과지진을일으키는막대한에너지의원천은약력이라고할수있다.4)중력―아인슈타인의일반상대성이론으로설명되는중력은지구를비롯한행성들이공전궤도를이탈하지않도록잡아두고은하의형태를유지시키는힘이다.이힘들의특성이하나씩밝혀질때마다자연은조금씩베일을벗었으며,문명사회는대대적인과학혁명을겪으면서인류의삶과문명은커다란변화를겪어왔다.이론물리학의최대과제는이네가지힘을하나로통일하는‘모든것의이론’을찾는것으로,아인슈타인이말년에몰두했던문제도바로이것이었다.과학자들은그동안약력과전자기력을통일해‘약전자기이론’을,다시약전자기이론과강력을통일해‘표준모형’을제시했지만중력만은아무리해도합칠수없었다.미치오카쿠는‘통일이론’을중심으로이론물리학의간략한역사를돌아본뒤,양자역학(표준모형)과상대성이론(중력)을통일할수있는이론으로‘끈이론’을제시한다.저자는끈이론이‘화려한전성기를보낸후막다른길에놓인상태’임을인정하면서도,끈이론에대한비관론은오해에서비롯되었다고이야기하며“이론에대한증거는초대형입자가속기에서나오는것이아니라,누군가가이론의수학체계를완성했을때자연스럽게발견될것”(238쪽)이라고주장한다.나아가‘모든것의이론’이갖는철학적의미와자신의견해를펼쳐보이고이와관련한스티븐호킹의유명한글로책을맺는다.

“완벽한이론이발견되면처음에는일부과학자들만이해하겠지만,시간이흐르면결국모든사람들이이해하게될것이다.그러면‘우주와우리는왜존재하는가?’라는심오한토론에철학자와과학자뿐만아니라일반대중들도참여할수있다.그리고이질문의해답을찾는다면인류역사상가장위대한승리로기록될것이다.오랜세월동안무지한상태로살아왔던인간이드디어신의마음을알아냈기때문이다.”(263쪽)

자연에존재하는네가지힘은무엇이며
이들은서로어떻게얽혀있는가?
이힘들이통일되어야하는과학적근거와철학적의미는무엇인가?
“만물의이론이우리에게미치는영향은다분히철학적인색채를띨것이다.왜냐하면만물의이론은여러세대에걸쳐위대한사상가들을괴롭혀왔던질문에궁극적인답을줄것이기때문이다.시간여행은가능한가?창조이전에는무엇이있었는가?우주는어디서왔는가?”(245쪽)

미치오카쿠는고대그리스의원자론에서부터뉴턴의고전역학,아인슈타인의상대성이론,닐스보어와하이젠베르크등의양자역학을거쳐표준모형에이르는물리학의발전사를돌아보며,우주에존재하는네가지힘은무엇인지,이들은서로어떻게얽혀있는지,그리고이힘들이통일되어야하는과학적근거는무엇인지명쾌하고유려한문체로설명한다.‘모든것의이론’만이답을줄수있는과학적문제들에는다음과같은것들이있다.
시간여행은가능한가?
우리우주에는웜홀이있는가?
블랙홀의내부에는무엇이있는가?
우리우주외에다른우주가존재하는가?
4차원이상의고차원공간은정말로존재하는가?
빅뱅직전에는어떤일이있었으며,빅뱅은왜일어났는가?
미치오카쿠는스티븐호킹이제기했던‘블랙홀정보역설’도중력자의양자보정에성공한양자중력이론,즉‘모든것의이론’이완성되어야답을알수있다고이야기한다.‘블랙홀안으로책을던지면그안에들어있던정보는영원히사라지는가?’(162쪽)일반인들에게는잘알려져있지않지만학계에서는첨예한논쟁거리인이질문이문제가되는것은,양자역학에따르면어떤경우에도정보는사라지지않는데블랙홀내부에서는사라지는것처럼보이기때문이다.그는과학적질문에서한걸음더나아가철학적이고형이상학적인질문들까지던진다.아인슈타인이생전에자신을‘거대한도서관에막들어선아이’에비유했다는사실을제시하며‘우주가거대한도서관이라면그곳을관리하는사서는누구이며,책을쓴저자는누구인가?’,‘모든물리법칙이모든것의이론으로설명된다면,그방정식은어디서온것인가?’하고묻는가하면,‘다중우주가빅뱅의원인을설명해준다면,다중우주자체는언제어떻게만들어졌는가?’,‘다중우주가만물의이론에서필연적으로나타나는결과라면,만물의이론은대체어디서왔는가?’,‘우주에도목적과의미가있는가?’등질문하기를멈추지않는다.스스로를불가지론자라고밝히는미치오카쿠의‘신’에대한생각을엿보는것도흥미롭다.

이론물리학박사,끈장이론의창시자,베스트셀러작가,
과학엔터테이너,미래학자미치오카쿠가
여덟살때부터한번도놓아본적없는탐구의결정판
“그의목표는‘신의마음이담겨있는’단한줄짜리방정식으로우주의삼라만상을설명하는것이었으나,끝내신의마음을읽지못하고세상을떠났다.나는그것이얼마나엄청난연구인지전혀모르는채,무작정아인슈타인의길을따라가기로마음먹었다.이시대최고의과학자가남기고간꿈을이루는데어떻게든일조하고싶었기때문이다.”(10쪽)

1947년생인미치오카쿠는여덟살때아인슈타인의사망소식을접하고,그가죽는날까지매달렸던통일장이론을공부하기로결심한후지금까지그꿈을이루기위해노력하고있다.그탐구의결정판이라고할수있는《단하나의방정식》은베스트셀러과학작가로서마음의가장깊은곳(《마음의미래》)과인류의가장먼미래(《인류의미래》)까지섭렵한이론물리학자가자신의전공분야이자여덟살이후한번도머릿속을떠나지않았던문제로돌아와쓴책이다.특히눈에띄는것은부담없는분량과짧은호흡이다.500쪽에서600쪽에이르던그의주요전작들과비교해보면,300쪽이채안되는분량에자연의근본적인힘들을밝혀온이론물리학의주요이론과그힘들의관계,나아가인간과우주의존재의미까지담아냈다는데서과학자이자작가로서그의내공을느낄수있다.제목과는달리본문에방정식은거의나오지않는다.존재에관한사색에잠긴이들에게지적인만족과완독의기쁨을주는책이될것이다.



<책속에서>

지구를에워싸고있는거대한구(球,sphere)를상상해보자.중력은구면위의모든점에서똑같은세기로작용한다.지구가구형인것도바로이런이유때문이다.지구가처음형성되던무렵에중력이지구를균일하게압축시켰기때문에구형이된것이다.다른별과행성들도마찬가지다.우주어디를뒤져봐도정육면체나피라미드모양을한천체는존재하지않는다(대부분의소행성은특정한형태가없는부정형인데,이것은소행성의중력이너무약해서압력이균일하게작용하지않았기때문이다)._28

TV에나오는우주인들이우주선안에서둥둥떠다니는것은‘지구와너무멀어서중력이사라졌기때문’이아니다(우주정거장이나우주왕복선의고도는기껏해야450km이내이다.이정도면서울에서부산까지거리밖에안된다.‘우주’라는말이어울리지않을정도로가깝다？옮긴이).태양계안에서중력이0인곳은존재하지않는다.그런데도우주인의몸이둥둥떠다니는것은우주선이그들과함께‘지구로떨어지고있기때문’이다._62

결국중력이라는힘은실체가아닌환상이었다.당신이지금의자에앉아이책을읽고있다면,당신은‘내몸이공간으로날아가지않는것은중력이나를의자쪽으로잡아당기고있기때문’이라고생각할것이다.그러나아인슈타인은‘지구의질량이당신머리위의공간을휘어지게만들었고,그로인해당신의몸이의자쪽으로내리눌려지고있기때문에의자에계속앉아있을수있다’고강변한다._65

플랑크상수의값을점점줄여서0에가깝게하면양자이론의모든방정식은뉴턴의방정식과같아진다(h를0으로접근시키면상식에서벗어난입자의거동이우리에게친숙한뉴턴의운동법칙과일치하게된다).일상적인규모에서양자효과가눈에보이지않는것은바로이런이유때문이다.플랑크상수가너무나도작기때문에,우리의무딘감각으로는뉴턴의법칙이옳은것처럼보이는것이다._86

슈뢰딩거의고양이역설은18세기아일랜드의철학자이자주교였던조지버클리의질문을연상시킨다.울창한숲속에서커다란나무가쓰러졌는데그것을보거나듣는사람이하나도없다면,과연그나무는소리를낼것인가?유아론자(자기중심주의자)들은‘소리가나지않는다’고주장할것이다.그러나양자역학은한술더떠서‘숲속에사람(관측자)이없다면나무는목탄,묘목,땔감,합판등다양한상태가섞인채로존재한다’고주장한다._100-101

양자이론을아원자입자에적용하여커다란성공을거두고잔뜩고무된물리학자들은수십년동안눈엣가시였던일반상대성이론을재검토하기시작했다.일반상대성이론에양자역학을적용하여,표준모형과중력을하나로통일한다는원대한꿈을꾸게된것이다.만일이연구가성공한다면표준모형과일반상대성이론에양자보정이모두가능한이론,즉‘만물의이론’이완성되는셈이다._145

아인슈타인은세상을떠나는날까지양자역학을인정하지않았지만양자물리학자들은양자이론을일반상대성이론에접목시키기위해무던히도애를써왔고,그결과현재상대성이론은새로운르네상스를맞이하고있다.앞서말한대로중력의양자보정에서나타나는무한대를제거하고중력을완전히이해하는것은결코쉬운일이아니다.그러나물리학자들은(중력보정을무시한채)양자역학을별에적용하여수많은사실을알아냈을뿐만아니라,우주론이라는새로운과학의지평을열었다._152

한바탕논쟁을벌인후,결국호킹은자신이틀릴수도있음을인정하면서기발한해결책을내놓았다.블랙홀안으로책을던지면정보가완전히사라지지않고호킹복사의형태로방출될수도있다는것이다.희미한호킹복사에담긴정보를빠짐없이긁어모으면원래의책을똑같이재현할수있다.호킹의주장이틀릴수도있지만,그가발견한복사가문제의핵심이라는것만은분명한사실이다._163

1900년대초에아인슈타인은물리학을떠받치는두개의기둥(뉴턴의중력이론과맥스웰의전자기학)이서로상충된다는사실을발견하고거의10년동안해결책을모색한끝에일반상대성이론을완성했다.이로써뉴턴의고전역학은근250년만에물리학의무대에서퇴출되었고,20세기의위대한과학혁명이본격적으로시작되었다.
지금도이와비슷한역사가반복되는중이다.한편에는블랙홀과빅뱅,우주의팽창등거시적현상을설명하는아인슈타인의중력이론(일반상대성