반물질,상대성이론,표준모형,DNA의이중나선,중력과블랙홀…
모든것을꿰뚫는단하나의강력한키워드,대칭
“우리눈에보이는것은자연의진정한실체가아니라,우리의질문방식에맞춰자연이우리에게보여준모습임을잊지말아야한다.”-베르너하이젠베르크
다른우주에또다른‘나’가있을까?우주와물질은어떻게생겨난것일까?근원적인물음을좇다보면너무작거나너무커서마치인간에게는앎이허락되지않은것같은한계에직면하기마련이다.물리학자데이브골드버그의『백미러속의우주』는우리눈에는보이지않는미시세계에서부터거시세계까지를‘대칭’이라는하나의키워드로설명해내는도전적인교양과학도서다.우주의대칭성이무엇을의미하는지,일부대칭이깨졌을때에는무슨일이일어나는지,우리를포함한만물이왜존재하는지등에대해현대물리학이어떤대답을내놓는지를최대한알기쉽게소개해주는것이특징이다.특히그간잘알려지지않았던천재여성수학자에미뇌터에대해대칭을중심으로풀어내는물리학맥락에서그녀의삶과업적을그려냄으로써,왜‘뇌터의정리’가현대물리학의기초가되는지도일깨워준다.재기발랄한입담으로무거운물리학적주제들을능수능란하게다루는저자의현란한글솜씨는감탄을자아내기까지한다.아마도,이토록유머러스하면서도격조높고,쉽지않은내용인데도결코지루하지않은물리학책을다시만나기힘들것이다.
파인만씨뺨치게농담도잘하는과학계의새로운입담꾼
“한번손에잡으면놓을수없다.”-리처드고트프린스턴대학천체물리학과교수
저자는시공간에놓인모든것들이숨은대칭에의해형성되었음을보여주기위해거울에비친세계로우리를안내한다.전자의전하가-가아닌+를띠고,심장이가슴의왼쪽이아닌오른쪽에서뛰며,시간이거꾸로흐르는백미러속의우주는경이롭고매혹적이다.물질은반물질로뒤바꾸고,좌우는반전시키고,시간은반대로비추는백미러속의우주는실제우주와명백히다르지만한편으론완벽한대칭을이루고있어보기보다가까이에있다.
대칭적인우주는아름답다.그러나우리의우주는그대칭의일부가깨져있어서더욱아름답고흥미롭다.저자는우주에존재하는또는존재했던대칭과대칭이붕괴되어현재에이르는과정을쉬운비유와간결한논리로설명하고있다.물리법칙의통일을주제로한교양과학도서는많이있지만,이책은통일보다한단계더들어가서근본적인대칭에초점을맞췄기때문에우주의아름다움이한층극명하게드러난다.게다가저자는삐딱한재치가돋보이는특유의활달한수다로무한한은하계부터공허한입자계까지종횡무진내달리고있어독자들에게지루할틈을주지않는다.저자의유머러스하면서도깊이있는통찰력,전염성있는열의,빠르고신나는템포는누구나물리학을즐기게한다.
왜대칭이중요한가?
빅뱅에서힉스입자까지우주를이해하기위한핵심은대칭과대칭이붕괴되는지점이다.저자는이책에서시종일관대칭의중요성을내세운다.사실우주의시작부터가대칭과대칭의붕괴였다.우주탄생초기의엄청나게뜨거운에너지는수많은입자와반입자쌍을만들어냈고(에너지를광속의제곱으로나눈것만큼질량을가진입자와반입자를생성),서로전하가반대인입자와반입자쌍은그대로소멸했다.대칭적으로시작했지만,이내(빅뱅이일어나고10-35초만에)털끝보다작은오차로대칭이붕괴되고선입자를기본단위로하는은하,별,행성,그리고인간이우주에존재할수있게되었다.궁극의질문이라할수있는,이세상은무엇으로이루어져있는가에대하여답을내놓은표준모형에서마지막으로발견된힉스입자역시대칭과대칭붕괴의산물이다.초기우주에서대칭형이었던힉스장은시간이흘러우주가급속히식어버리자붕괴되면서다른입자들(특히현재약력의매개입자인W입자와Z0입자)에질량을부여하고힉스입자는의미를갖게되었다.
우주는137억년동안무작위의지배를받으면서대칭이붕괴되어왔지만,근본적인질서는여전히유지되고있다.에너지보존법칙같은물리법칙은시간이흘러도변하지않으며우주전역에서동일하게작용하고,태양과행성사이에작용하는중력은모든방향으로똑같이작용하고,모든것을집어삼키는블랙홀도결국은복사에너지를토해내고완전히사라져버리고,한쪽방향으로만흐르는시간은원인과결과의관계를성립시키고,유전물질DNA는서로맞물려돌아가는듯한두개의나선으로이루어져있어서부모의형질을고스란히자손에게전해준다.이렇듯자연의법칙은대칭적이지만,양자역학적우주에살고있는우리눈에는대칭성이무작위성에가려잘보이지않는다.
아인슈타인이인정한수학자,에미뇌터
이책은물리학사에커다란족적을남긴거인들을빠짐없이다루는데,그중에서도에미뇌터를공들여소개하고있다.자연의질서를설명하는물리법칙에대칭이개입되어있는이유는무엇이며,대칭은물리학에서어떤의미를갖는가?뇌터는대칭과보존량사이의관계를수학적으로규명하여이심오한질문에명쾌한답을제시했다.‘뇌터의정리’는“어떤물체도빛보다빠르게움직일수없다”는특수상대성이론의제1계명만큼이나현대물리학의중요한토대가된다.‘뇌터의정리’를발견한뇌터는제2의아인슈타인이라고불릴만하지만,지금껏제대로평가되지못하고무명으로잊혔다.실제로아인슈타인은그녀를“여성에게고등교육이허용된이래가장뛰어난수학천재”라고평가했다.
이책은비운의천재여성수학자에미뇌터의삶과업적을재평가하는내용들로채워져있다는점에서도주목할만하다.아인슈타인과비슷한시기에독일의유태인가정에서태어나어린시절부터수학자의꿈을키웠으나,여성에게지독하게도배타적이었던당시대학문화에가로막혀불운한삶을살았다.‘힐베르트의난제’로유명한독일의수학자다비트힐베르트는대칭분야를더욱깊이연구하기위해에미뇌터를괴팅겐대학으로초청했으나대학측에서그녀를제대로대우하지않자,대학을남녀가구분되어입장해야하는목욕탕에비유하며격분하기도했다.뇌터는여자라는이유만으로최고의학자에게주어지는어떠한영예도누려보지못했지만,학문에대한순수한열정으로대칭을끈질기게파고든끝에“모든대칭에는그에대응되는불변량이존재한다”는‘뇌터의정리’를발견했다.이한마디로모래알처럼흩어져있던물리학개념들이수학적으로정리되면서현대물리학은‘통일’이라는원대한여정을떠날수있게된것이다.
대칭은흔히떠올리는데칼코마니나원처럼축을중심으로좌우가같은것을뜻하는일치나반전의의미를넘어선다.수학과과학에서는어떤대상을변환시켰을때그변환전후로모습이같다면대칭성이있다고말한다.노벨물리학상을수상한필앤더슨은다음과같이말했다.“조금,아주조금과장해서말하자면물리학은대칭을연구하는학문이다.더이상의잔소리는필요없다.”
『백미러속의우주』에쏟아진찬사
대칭이이토록재미있을줄누가알았겠는가?데이브골드버그는위대한대칭세계의깊숙한끝자락으로독자들을곧장밀어넣지만,독자들이지치지않게교묘한위트도충분히불어넣었다.-<네이처Nature>
대부분의물리학책들은전혀흥겹지않다.왜냐고?데이브골드버그가쓰지않았기때문이다.이책은재미있고불손하고유쾌하면서물리학의핵심을정확하게찌르고있다.당신주변에물리학을떠받드는친구가있다면이책을선물해보라.특히그당사자가본인이라면지금당장읽어야할책이다.
-숀캐럴SeanCarroll캘리포니아공과대학(칼텍)물리학과연구교수,『우주의끝에존재하는입자ParticleattheEndoftheUniverse』의저자
한번읽기시작하면손에서놓을수가없다!정말이지너무나재미있다!학교에서데이브골드버그처럼물리학을가르쳤다면과학의저변은지금보다훨씬넓어졌을것이다.
-프리얌바다나타라잔PriyamvadaNatarajan예일대학물리학과및천문학과교수
『백미러속의우주』에담긴내용은물리적우주만큼이나방대하다.특히학계에서거의인정받지못했던여성수학자에미뇌터의삶과업적을자세히조명하고있다는점은주목할만하다.“모든대칭에는그에대응되는보존량이존재한다”는뇌터의정리는통일장이론의이론적기틀을제공했다.그연결고리가궁금하다면읽어볼것을권한다.
-존앨런파울로스JohnAllenPaulos템플대학수학과교수,『숫자에약한사람들을위한우아한생존매뉴얼Innumeracy』의저자
대칭은우주의운명을어떻게결정했는가?데이브골드버그의설명이굉장히명쾌하고흥미로워서읽는내내즐거웠다.케이온과개미의세계,그리고힉스입자에이르기까지,우주의모든비밀이적나라하게공개된다.한번손에잡으면놓을수없고,다읽은후에는우주가새로운모습으로다가올것이다.
-리처드고트RichardGott프린스턴대학천체물리학과교수,『아인슈타인우주로의시간여행TimetravelinEinstein'suniverse』의저자
데이브골드버그가독자들을환상의대칭세계로초대한다.그안은온갖신기한현상들과역설,그리고재기넘치는유머로가득차있다…그는물리학과천문학,그리고수학의기본을이루는‘대칭’하나로이모든것을설명한다.강력한반전(대칭)에대한강력한성찰이아닐수없다!
-폴핼펀PaulHalpern,『우주의끝EdegoftheUniverse』의저자
이책은물리학의핵심개념을설명하는흥미진진한책이자대칭의중요성을만천하에알린에미뇌터를재조명하는책이기도하다.그동안수많은물리학자들이거인의어깨위에서서먼곳을바라보았고,그거인들은대부분세계적인유명세를누렸다.그러나에미뇌터는가장큰거인이었음에도불구하고아무런명성도누리지못했다.그녀의업적을다시상기하는것만으로도이책을읽을가치는충분하다고본다.
-다니카맥켈라DanicaMcKellar,『수학은따분하지않다MathDoesn'tSuck』의저자
책속으로추가
앞으로별과행성,그리고우주먼지들은나선을그리며블랙홀로빨려들어가고,1000조년이지나면블랙홀마저모두증발되어사라질것이다.그사이에우주는계속팽창하여차가운기체구름들은완전히고립된다.결국우리의우주는아무것도없이엔트로피만존재하는차가운공간으로남게될것이다.이것은시간이오직미래로만흐르는우주에서어쩔수없이치러야할대가이다.대칭은우주의시작뿐아니라최후까지좌우하는기본원리인것이다.---p.308~309
우리가어떻게생각하건,우리몸을이루고있는분자는우리것이아니다.당신몸의98%는매년새것으로교체되고있다.그래서코미디언스티븐라이트는다음과같은농담을던지기도했다.“어느날아침침대에서일어나보니누군가가내몸뚱이를훔쳐가고다른걸로바꿔치기해놨더군요.”라이트의농담은허황된이야기가아니라실제를조금과장한것뿐이다.같은종류의원자들은물리적으로모두동일하기때문에,몸에있는탄소원자를다른것으로바꿔치기해도당신은여전히당신으로남는다.이것이바로우주에존재하는근본적대칭이다.---p.314~315
탄생초기의우주는아주뜨거웠다.비유하자면무수히많은사람들이‘힉스트램펄린’위에서정신없이뛰고있는상황과비슷하다.또는무한반복중노동에시달리던시시포스가갑자기정신을놓고바위를아무방향으로나닥치는대로밀고있는상황과비슷하다.우주가너무나뜨거웠기에,힉스바위는봉우리아래로멀리굴러떨어질수없었다.그러나흐르는시간과함께우주가빠르게식으면서시시포스는평정심을되찾았고,바위는깊은계곡으로굴러떨어졌다.초기의아름다웠던대칭이깨진것이다.처음에바위는어떤방향으로도구를수있었지만일단구르기시작하면서하나의방향이선택되었고,그때부터이방향은특별한의미를갖게되었다.---p.410~411
