지구와달의생성에서부터행성과소행성의기원,
먼은하와우주로향하는‘수학’의황홀한여정!
영국의수학자이자대중과학저술가,영국왕립학회에서대중과학에기여한이에게수여하는마이클페러데이상,미국과학진흥회가수여하는과학대중화공로상을받은워릭대학교명예교수이언스튜어트가우주속에숨어있는비밀을수학으로밝혀내는놀라운책으로한국독자들을찾아왔다.
《위대한수학문제들》,《교양인을위한수학사강의》로한국독자들에게친숙한이언스튜어트교수는이책《우주를계산하다:광대한우주가건네는수학적사고로의초대》에서천문학과물리학,우주론에이르기까지해박한지식을다채롭게풀어낸다.
과학의발달은우주탐사를가능하게했고,이로인해우리는태양계행성들과천체에대해과거그어느때보다도방대하고정확한정보를가질수있게됐다.이모든과학발전의중심에는바로수학이자리한다.
수학은태양과달,행성,항성등수많은우주천체의형성과정을설명하고그근본원리를증명해내는데있어서의핵심학문이다.이언스튜어트는이책《우주를계산하다》에서일식이나월식과같은자연현상,행성의궤도를밝혀낸케플러,중력과천체에적용되는만유인력의법칙을고안한뉴턴,아인슈타인에이르기까지역사적으로우주의비밀을밝혀낸수학이야기를다루고있다.
지구와달,소행성과블랙홀,빅뱅이론,다중우주에이르기까지,수학이이제껏관측되지않았던천체들의존재를어떻게예언했으며,우주라는미지의존재가가지고있는비밀을어떻게풀어냈는지밝혀내는이놀라운여정은흥미롭고신비로우며감동적이다.마치저먼우주에서반짝이는무수한별들처럼.
우리가살고있는이지구와우주는어떻게만들어진것일까?
미지의세계를탐험해온인류와수학의놀라운역사!
‘창백한푸른점’은1990년명왕성근처를날던보이저1호가태양계를빠져나가기직전에찍은지구의사진을보고천문학자칼세이건이이름붙인것이다.우주라는광대한공간속에서지구는그저작은점하나에불과하다는이깨달음은인류를겸허하게되돌아보게했던놀라운사유이자,우주라는공간의웅장함을느끼게했다.동시에‘우주’라는미지의존재에대해인류의상상력과호기심을폭발시켰던역사적사건이었다.
영국의수학자이자대중과학저술가,영국왕립학회에서대중과학에기여한이에게수여하는마이클페러데이상,미국과학진흥회가수여하는과학대중화공로상을받은워릭대학교명예교수이언스튜어트는우주속에숨어있는비밀을수학으로밝혀내는놀라운책으로한국독자들을찾아왔다.
《위대한수학문제들》,《교양인을위한수학사강의》로한국독자들에게친숙한이언스튜어트교수는이책《우주를계산하다:광대한우주가건네는수학적사고로의초대》에서천문학과물리학,우주론에이르는해박한지식을다채롭게풀어낸다.그는일식이나월식과같은자연현상,행성의궤도를밝혀낸케플러,중력과천체에적용되는만유인력의법칙을고안한뉴턴,아인슈타인에이르기까지역사적으로우주의비밀을연구했던천문학자,수학자,물리학자들의흥미진진한이야기를다루고있다.
이책은지구와달,소행성과블랙홀,빅뱅이론,다중우주에이르기까지,이제껏관측되지않았던천체들의존재를어떻게예언했으며,우주라는미지의존재가가지고있는비밀을어떻게풀어냈는지에대한,‘수학’의여정이자인류의여정이다.
중력에서부터태양,달,혜성,블랙홀과빅뱅,다중우주에이르기까지
우주에대한깊고풍부한지혜를선사하다
우주에대한인류의호기심은언제부터시작되었을까?
우주탐사와그성과를바탕으로한인류과학의시작은3000년전고대바빌로니아까지그역사가거슬러올라간다.고대바빌로니아인들의일식예측에서부터미적분과카오스,시공간의곡률에이르기까지인류는태양과달,행성,별을비롯한천문현상을이해하기위해부단히노력해왔다.이러한노력은인류가쌓아올린모든학문에다방면으로영감을주었고,특히수학의발전에지대한영향을끼쳤다.인류는수학이라는학문을통해일식이나월식의원리를계산할수있었고,행성의자전과공전속도,별의크기와별과별사이의거리까지도추정할수있게되었다.나아가수학은중력의법칙을통해우리가살고있는이지구라는행성을이해하게했으며,지금우리가우주를항해할수있도록하는과학문명의기초가되어주었다.이책《우주를계산하다》에서는자연(우주를포함한)이모든수학법칙을통해형성되고작동하고있다는사실을밝히고있다.
이책은총19개의장으로이루어져있다.뉴턴이발견한중력의법칙,태양계와달생성의비밀,우주행성배열의비밀을밝힌티티우스-보데의법칙,소행성의발견에서부터위성의궤도,혜성의구성물질과원리,은하의구조,암흑물질,블랙홀의원리,빅뱅과우주의팽창,다중우주에이르기까지,인류가이제껏밝혀온거의모든천체현상을다루고있다.세계적인수학자김민형옥스퍼드머튼칼리지교수의말처럼이책은“우주에대한깊고풍부한지혜”를우리에게선사한다.
중력을생각해보자.지상의물체들을떨어지게만드는힘이천상의물체들을떨어지지않게떠받치는힘과같은것이라는사실을깨닫는데에는불세출의천재성이필요했다.뉴턴은떨어지는사과를달과비교하고서달이사과와달리하늘에떠있는이유는‘옆방향으로’움직이기때문이라는사실을깨달았다.사실,달은끊임없이아래로떨어지지만,지구표면이같은속도로달로부터멀어지고있다.그래서달은영원히아래로떨어지면서도지구주위를빙빙돌며지구와충돌하지않는것이다.따라서진짜차이점은사과는떨어지고달은떨어지지않는것이아니었다.진짜차이점은사과는옆방향으로충분히빠르게움직이지않아결국지구와충돌하고만다는데있었다.
만유인력법칙의발견은과학의역사와발전에서실로영웅적인순간으로꼽힌다.우주의‘모든’물체는나머지모든물체를끌어당긴다는이법칙은어떤공간이건(지구내이든지구밖이든)‘그곳에서생겨나는모든힘들’의크기와방향을다알수있게해주기때문이다.이모든힘들의조합을운동의법칙에대입하면,어느순간에각물체가지닌가속도,즉속도와위치를알수있다.뉴턴의운동법칙과중력법칙으로인해천문학과수학은영구적인동맹을맺게되었고,그결과로오늘날우리가우주에관해알고있는지식중많은것이발견되었다.
이언스튜어트는중력뿐만아니라혜성에대한역사를탐구한다.셰익스피어의작품에서드러나듯예로부터혜성은재앙의전조라는인식이강했다.이수수께끼의천체는밝게빛나는구부러진꼬리를길게끌면서밤하늘에갑자기나타나별들을배경으로천천히움직이다가다시사라진다.천문학에대한이해가부족했던과거,혜성은신들이보낸전령이거나사제나무당이자신들의영향력을강화하기위한수단으로이용되기도했다.이러한무지는결국과학적증거를통해해결되었는데,천문학자티코브라헤가1577년대혜성의거리를계산함으로써그것이달보다더먼거리에있음을보여주었다.혜성은천상에존재하는천체였던것이다.
우리에게가장친숙한핼리혜성은1705년무렵에드먼드핼리가수학적패턴으로도출해낸위대한천문학적발견중하나다.에드먼드핼리는혜성의운동은주기성을띠고있으며,같은혜성이일정한시간간격마다반복적으로지구의하늘에돌아올것이라고예상했다.에드먼드핼리는이예상을증명하기위해혜성목격에대한사료를조사해종합했고,그의가설이옳다는것을증명했다(비록그는그가설이증명되기전에세상을떠났지만).실제로핼리혜성의관측에대한기록은기원전240년중국으로까지거슬러올라간다.에드먼드의이름을딴핼리혜성은행성이외에태양주위의궤도를도는것으로밝혀진최초의천체였으며,에드먼드의이예측은천체역학의수학적이론을바탕으로나온진정한천문학적예측중하나였다.
오늘날대부분의우주학자들은전체우주가약138억년전에탄생했다고생각한다.티끌만한시공간이난데없이나타나엄청나게빠른속도로팽창했고,격렬한불덩어리가식으면서쿼크와글루온과같은입자가탄생했다.이입자들이결합해양성자와중성자가생겨났고,이것들이결합해원자핵이만들어졌으며,38만년이지난후에수소와헬륨,중수소원자가나타났다.이때부터물질들은중력의영향으로덩어리를형성하기시작했고,그결과별과행성이나타났다.이시나리오가그유명한빅뱅이다.
빅뱅이론은허블이천문관측을통해단순한수학적패턴을발견함으로써탄생되었다.아인슈타인은이후일반상대성이론을발표하면서우주가텅빈무한히넓은공간이라는사실을반박했으며,1927년르메르트가아인슈타인의장방정식을이용해‘우주가팽창하고있다’는놀라운발견을해냈다.이발견이전까지만해도우주는현재의상태(무한히넓은공간)그대로머물러있다는것이과학계의지배적인의견이었다.이것은굉장히혁신적인발상이었기에당시의천문기술로는그가설을입증할수없었고과학계의지지를받을수도없었다.심지어아인슈타인조차말이되지않는다고생각했다.하지만몇년후여성천문학자인레비트가별수천개의밝기를측정하는실험을통해세페이드변광성이라불리는특정종류의별들에서수학적패턴을발견했다.즉별의고유밝기는특정수학적방식으로변광주기와연관이있었는데,세페이드변광성을표준으로하면다른별들이얼마나떨어져있는지를밝혀낼수있게된것이다.이러한결과를토대로많은은하의스펙트럼을조사한결과수많은은하들이지구로부터빠른속도로멀어져가는것을밝힐수있었다.우주는지금이순간엄청난팽창을계속하고있는것이다.
우주로의끝나지않는여정!
우주에대한여행은초기인류가밤하늘을바라보면서저위에서는어떤일이벌어질까하고궁금해하던선사시대부터시작되었다.그리고우리는여전히그여정에있다.이여행이언제끝날지알수없는건우주에대해더많은것을알수록이해하지못하는것이더많아지기때문이다.
수학은천문학을비롯해물리학,상대성이론,끈이론등관련분야들과함께나란히발전해왔다.과학이질문을던지면,수학은그답을알아내려노력해왔다.중력과운동의법칙을발견하려는뉴턴의노력은미분방정식과n체문제를발전시키는계기가되었다.이것들은다시해왕성의존재와히페리온의카오스적공중제비를예측하는계산에영감을주었다.이렇듯수학과과학(특히천문학)은상대방의새로운개념들에영감을주면서점점정교해져왔다.
오늘날과학자들은우주에대한이해를끊임없이수정하면서개선하고있다.이것이진짜과학이발전하는방식이다.세걸음전진했다가두걸음후퇴하는식이다.이언스튜어트는이책에서천문학과수학에관한전통적견해와이견해를왜그토록많은사람이지지했는지를설명한다.그리고그러한견해가수정되고새로운이론으로대체되어야할필요성이있다면마땅히그근거를들어비판한다.이언스튜어트는역사적근거를토대로과학의수수께끼에대해정답을말하는건어쩌면지금으로서는오히려정답이아니라고말한다.
수십년전만해도빅뱅이나암흑물질을지지하는사람은거의없었다.수많은수행착오가있었고그과정을통해현재의과학적토대가이루어졌다.이과학적토대가과연정답일까.어쩌면그렇지않을지도모른다.빅뱅은일어나지않았을지도모르고,블랙홀은존재하지않을지도모른다.적색이동이팽창우주의증거가아닐수도있다.
어쩌면그럴수도있다.
어쩌면그렇지않을수도있다.
우주를향한우리의여정은여전히진행중이다.그렇기에즐거움은이모든걸알아내고자하는지금여기에있다.
