암흑 물질과 공룡 (우주를 지배하는 제5의 힘)

리사 랜들

저자 리사 랜들(Lisa Randall)은 이론 물리학자. 하버드 대학교 물리학과 교수로서 입자 물리학과 우주론을 연구하고 있다. 프린스턴 대학교 물리학부, 매사추세츠 공과 대학 및 하버드 대학교 물리학과에서 이론 물리학자로서는 종신 교수직을 취득한 첫 번째 여자 교수이기도 하다. 1962년 미국에서 태어났으며 뉴욕의 스타이버선트 고등학교를 졸업하고 하버드 대학교 물리학과에서 입자 물리학과 우주론을 연구했다. 하워드 조자이 교수의 지도로 이론 물리학 박사 과정을 마쳤으며, 현재 하버드 대학교 물리학과 교수로 재직하고 있다. 1999년 라만 선드럼 박사와 함께 발표한 「비틀린 여분 차원(Warped extra dimensions)」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받았고, 21세기 들어 가장 많이 인용되는 영향력 있는 이론 물리학자 중 한 사람이 되었다. 그녀가 제안한 여분 차원 이론은 ‘랜들-선드럼 모형’으로불리며 현대 이론 물리학의 여러 난제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 그리고 급팽창 우주론, 초대칭성 이론, 대통일 이론, 끈 이론 등에 공헌했다. 미국 물리학회는 물론이고 미국 과학 아카데미, 아메리카 철학회, 아메리카 예술 과학 아카데미의 정회원이기도 하다. 앨프리드 슬론 재단의 연구상, 미국 자연 과학 협회가 주는 젊은 과학자 상, 미국 물리학 교육자 협회가 주는 클롭스테드 상, 미국 물리학회가 주는 ‘최다 인용 논문상’ 등을 수상했다. 다수의 물리학 학회를 기획하고 여러 물리학 학회지의 편집 위원으로 활동하며 전 세계 이론 물리학계에서 중심적인 역할을 하고 있다. 《피직스 레터스》, 《네이처》, 《사이언스》 같은 전문 학술지는 물론이고 《디스커버리》, 《이코노미스트》, 《뉴스위크》, 《사이언티픽 아메리칸》 등 세계 유수의 언론에 그 업적이 거론되었고, 《시드 매거진》에서 ‘2005년의 과학 아이콘’으로, 《뉴스위크》에서 ‘2006년의 주목할인물’로, 《타임》에서 ‘세계에서 가장 영향력 있는 100명’으로, 《롤링 스톤》에서 ‘변혁의 사자 100명’ 중 한 사람으로 선정하기도 했다. 첫 번째 책인 『숨겨진 우주: 비틀린 5차원 시공간과 여분 차원의 비밀을 찾아서(Warped Passages)』는 《뉴욕 타임스》가 선정한 ‘올해의 책’ 중 하나이기도 했으며, 서구는 물론 일본과 우리나라 등 전 세계 과학 독서계에서 베스트셀러가 되기도 했다. 취미로 암벽 등반과 스키를 즐기며, 예술과 과학의 가교를 놓는 데 공헌하고 있다. 그녀가 각본에 참여한 오페라 「하이퍼뮤직 프롤로그(Hypermusic Prologue)」는 2009년 파리 퐁피두 센터에서 상연되기도 했다. 2007년에는 일본을 찾아 NHK 방송에 출연해 일본 국민의 큰 관심을 모았다. 저서로는 『숨겨진 우주』, 『이것이 힉스다(Higgs Discovery)』, 『암흑 물질과 공룡(Dark Matter and the Dinosaurs)』이 있다.

책을 시작하며

1부 우주의 발달
1장 암흑 물질의 비밀 결사
2장 암흑 물질의 발견
3장 거창한 질문들
4장 거의 맨 처음: 시작하기 좋은 장소
5장 은하가 탄생하다

2부 활발한 태양계
6장 유성체, 유성, 운석
7장 짧고 영광스러운 혜성의 생애
8장 태양계 가장자리
9장 위험한 삶
10장 충격과 공포
11장 멸종
12장 공룡의 종말
13장 생명이 서식할 수 있는 지역
14장 돌고 도는 주기
15장 오르트 구름에서 팔매질된 혜성들

3부 암흑 물질 정체 해독하기
16장 보이지 않는 세상의 물질
17장 암흑 속에서 보는 법
18장 사회적으로 연결된 암흑 물질
19장 암흑의 속력
20장 암흑 원반을 찾아서
21장 암흑 물질과 혜성 충돌

책을 마치며
감사의 말
후주
더 읽을거리

6600만 년 전, 공룡을 멸종시킨 것은 암흑 물질이었다!
노벨 물리학상에 가장 근접한 여성 물리학자
‘물리학의 여신’ 리사 랜들이 제안하는 우주론과 생명 과학의 새로운 융합!

영화 「인터스텔라」의 자문 과학자 킵 손 추천
전 세계 과학계를 진감시킨 최신 연구의 긴급 단행본화!

6600만 년 전 공룡을 멸종시킨 것은 암흑 물질이었다!

베스트셀러 과학 논픽션 『숨겨진 우주』와 『천국의 문을 두드리며』의 작가이자 현재 세계에서 가장 영향력 있고 가장 많이 인용되는 입자 물리학 논문의 저자이기도 한 물리학자인 리사 랜들은 이 책에서 다시 한번 놀라운 필력을 발휘해 독자들을 환상적인 과학의 세계로 안내한다. 이 책은 탐색 방법조차 아직 분명치 않은 암흑 물질과 수천만 년 전에 갑자기 일어난 공룡 멸종의 수수께끼를 하나로 엮으면서 우주의 역사와 생명과 인류의 역사에 감춰진 충격적인 비밀에 도전한다.
6600만 년 전, 도시 하나만 한 천체가 우주에서 지구로 쿵 떨어졌다. 그것 때문에 발생한 격변으로 공룡들이 죽었고, 당시 지구에 살던 모든 생물종의 4분의 3도 죽었다. 그런데 그 천체는 어디에서 온 것이었을까? 랜들의 가설은 이렇다. 그것은 혜성이었는데, 혜성이 원래의 궤도에서 이탈한 것은 태양계가 우리 은하의 은하면 속에 담긴 암흑 물질의 원반을 통과하느라 교란을 겪었기 때문이다. 우주론적 연구와 진화 생물학적 연구를 융합하는 랜들의 연구는 암흑 물질의 구성 물질과 성질만 추정하고 마는 기존 연구에 도전하며, 나아가 과학자들이 새로운 아이디어를 만들어 내고 확인해 나가는 과정을 보여 준다. 랜들의 연구에 따르면 어떤 의미에서는 암흑 물질이 공룡들을 죽였다고 말해도 될지 모른다.

암흑 물질을 둘러싼 최첨단 우주론 연구와
공룡 멸종의 수수께끼를 한데 엮은 충격적 과학 논픽션

랜들은 독특하고도 광범위한 관점으로 암흑 물질을 지구의 역사와 연결 짓는다. 대중 문화와 사회 정치적 관점도 끌어들이면서 암흑 물질, 우주, 우리 은하, 소행성들, 혜성들, 지구와 천체의 충돌에 관한 최신 발견들을 ? 사실로 확인된 것뿐 아니라 추측 단계인 것도 ? 소개한다. 또한 생명의 진화와 멸종에 관한 최신 발견들도 소개한다. 랜들은 지구의 운명이 우주의 조성과 긴밀하게 연결되어 있다는 것을 똑똑히 보여 주며, 수십억 년에 걸쳐 진화한 우주 속 우리의 존재가 사실은 아주 취약한 것일지도 모른다는 사실도 보여 준다.
우리를 둘러싼 우주 환경을 탐사하는 이 기발하고 신선한 책에서, 랜들 교수는 우주의 기막힌 사연 밑에 깔린 우리 세상의 과학을 설명한다. 이 이야기에서는 작은 것과 큰 것이, 눈에 보이는 것과 숨은 것이 서로 긴밀하게 연결되어 있다. 이 책은 우리 세상에 중요한 의미를 띠는 심오한 관계들을 조명할 뿐 아니라 우리를 둘러싼 모든 구조들과 관계들의 놀라운 아름다움을 깨닫게 한다. 일단 이 책을 읽은 사람은 지구와 밤하늘을 두 번 다시 예전과 같은 방식으로 바라볼 수 없을 것이다.

21세기는 리사 랜들의 세기가 될 것이다!
-빌 클린턴(전 미국 대통령)

킵 손과 리처드 도킨스에서 빌 클린턴와 일론 머스크까지
과학자와 정재계 인사들이 동시에 추천하는 단 한 사람의 물리학자
-《타임》선정 “전 세계에서 가장 영향력 있는 인물 100”
- 이론 물리학 역사상 최다 인용 논문 저자
- 노벨 물리학상에 가장 가까운 여성 물리학자

이론 물리학자 리사 랜들은 하버드 대학교와 MIT 물리학과에서 여성으로서는 처음으로 종신 교수직을 획득한 것으로 유명하다. 학문적으로는 끈 이론과 위상 수학에서 고안된 개념들을 응용해 비틀린 여분 차원 물리학을 창시한 것으로 이름 높다. 1962년 생으로 10여 년 전 세기의 전환기인 1999년에 라만 선드럼 박사와 함께 「비틀린 여분 차원(Warped extra dimensions)」이라는 논문을 발표해 전 세계 물리학계를 진감(震?)시켰다. 이 논문은 추상적이기만 해 검증하는 게 불가능할 것이라 여겨졌던 끈 이론의 연구 성과들 중 일부를 실험적으로 검증 가능한 것으로 만들어 주었고, 물리학의 미래를 모색하는 과학자들의 주목을 받아 21세기 들어 가장 많이 인용되는 이론 물리학 논문이 되었다. 그 결과 리사 랜들은 현세기 전 세계에서 가장 영향력 있는 이론 물리학자 중 한 사람이 되었다.
그녀가 제안한 여분 차원 이론은 ‘랜들-선드럼 모형’으로 불리며 현대 이론 물리학의 여러 난제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있으며 스위스 제네바에서 가동되고 있는 LHC에서 새로운 실험들을 설계하는 데 지침이 되고 있다. 랜들은 이뿐만이 아니라, 급팽창 우주론, 초대칭성 이론, 대통일 이론, 끈 이론 등에 공헌하고 있다. 이런 업적으로 미국 물리학회에서는 랜들에게 ‘최다 인용 논문상’을 수여했고, 앨프리드 슬론 재단 연구상 등 유수의 학술 연구 관련 상들을 휩쓸었고, 지성의 전당이라 할 미국 과학 아카데미, 아메리카 철학회 등의 학술 기관에서 정회원으로 활동하고 있다.
《피직스 레터스》, 《네이처》, 《사이언스》 같은 전문 학술지는 물론이고 《디스커버리》, 《이코노미스트》, 《뉴스위크》, 《사이언티픽 아메리칸》 등 다양한 과학 언론에서 그녀의 업적을 거론하고 있고, 《시드 매거진》, 《뉴스위크》, 《롤링 스톤》,《타임》 등의 매체들이 ‘세계에서 가장 영향력 있는 100명’ 같은 타이틀을 붙여 그녀의 업적과 위상을 조명하기도 했다.
첫 번째 책인 『숨겨진 우주: 비틀린 5차원 시공간과 여분 차원의 비밀을 찾아서(Warped Passages)』과 두 번째 책인 『천국의 문을 두드리며(Knocking on Heaven's Door)』는 서구는 물론, 우리나라와 일본 등 30여 개국에서 번역 출간되어 전 세계 과학 독서계의 베스트셀러가 되었다.《뉴욕 타임스》를 비롯한 다양한 매체에서 ‘올해의 책’으로 선정하기도 했다.
여성으로서 MIT와 하버드 물리학과의 첫 종신 교수가 된 리사 랜들은 학문 연구 외에도 다양한 대중 활동을 하면서 여성들의 과학계 진출을 적극 지원하고 있다. 리사 랜들은 오는 6월 12일 고려대학교에서 열리는 NPKI(New Physics @ Korea Institute, http://www.npki.org/) 학회에 참석차 방한하는데 이때에도 과학 강연 외에 대중 강연과 행사로 여성 과학도들의 사회 진출을 고취시킬 수 있는 준비를 하고 있다.

NPKI(New Physics @ Korea Institute, http://www.npki.org/)는 고려대학교 물리학과의 이승준 교수 등 한국의 젊은 이론 물리학자들과 코넬대학교 물리학과의 차바 차키(Csaba Csaki) 등의 세계적인 소장 물리학자들이 주축이 되어 연 1회 진행하는 이론 물리학 학회로 이번에 3회를 맞이한다. CERN, DESY, FERMILAB 등의 세계 유수의 물리학 기관들의 대표 연구자들은 물론이고 세계 각국의 물리학 연구 거점 대학들의 연구자들이 모여 열띤 물리학 토론을 펼치고 있는, 세계적으로도 주목받고 있는 학회이다. 일반인이 참석할 수 있는 대중 강연이나 과학 지망 영재들을 위한 특별 행사도 기획하는 등 이론 물리학의 대중화를 위해서도 노력하고 있다. 올해의 주제는 “LHC 2차 가동에서 나온 첫 번째 결과들에 대한 고찰(The lesson from the first results of Run 2 of the LHC)”이다. 리사 랜들의 대중 강연 등 다양한 학술 행사가 기획되어 있다.

『암흑 물질과 공룡』 서문
우주와 우리는 암흑 물질로 연결되어 있다!

“암흑 물질”과 “공룡”은 좀처럼 함께 이야기되지 않는 것들이다. 놀이터나 판타지게임 클럽이나 아직 개봉되지 않은 스티븐 스필버그의 영화 같은 데서를 제외하고는. 암흑 물질은 우주에 존재하는 수수께끼의 물질로, 보통 물질처럼 중력을 통해서 상호 작용하지만 빛을 방출하거나 흡수하지는 않는다. 천문학자들은 암흑 물질의 중력이 미치는 영향을 감지할 수 있지만 그것을 말 그대로 보지는 못한다. 한편 공룡은… 공룡을 설명할 필요가 있을까. 공룡은 2억 3000만 년 전부터 6600만 년 전까지 육상을 지배했던 척추동물이다.
암흑 물질과 공룡은 둘 다 환상적이지만, 우리 눈에 안 보이는 물리적 물질과 인기 많은 생물학적 아이콘은 서로 아무 관계가 없다고 생각하는 게 아마도 합리적인 가정일 것이다. 정말로 그럴지도 모른다. 그러나 우주는 정의상 하나의 개체이며, 그 구성 요소들은 이론적으로 모두 상호 작용한다. 이 책은 나와 동료들이 제안한 추측 단계의 시나리오를 하나 소개할 텐데, 그 시나리오에서 우리는 암흑 물질이 궁극적으로 (그리고 간접적으로) 공룡의 멸종에 책임이 있을지도 모른다고 주장한다.
고생물학자들, 지질학자들, 물리학자들이 밝혀낸 바에 따르면, 6600만 년 전에 폭이 최소 10킬로미터는 되는 천체가 우주에서 지구로 곤두박질쳐서 육상 공룡을 모두 죽였다. 더불어 지구에 살던 모든 생물종의 4분의 3을 죽였다. 천체는 태양계 외곽에서 온 혜성이었을 수도 있지만, 왜 혜성이 약하게나마 안정되게 묶여 있었던 원래 궤도에서 이탈했는지는 아무도 모른다.
우리 가설은 이렇다. 태양이 우리 은하의 중간면을 통과하는 동안 ? 은하수, 즉 맑은 밤하늘에서 볼 수 있는 별들과 밝은 먼지의 띠 말이다. ? 태양계는 암흑 물질로 이뤄진 원반을 만난다. 그 원반이 태양으로부터 멀리 있는 천체를 이탈시킴으로써 재앙과도 같은 충돌을 촉발하는 것이다. 우리 은하 주변에도 많은 양의 암흑 물질이 엄청나게 매끄럽고 희박한 구형의 헤일로를 이루어 우리를 둘러싸고 있다.
그러나 공룡의 종말을 야기한 암흑 물질은 우주에 존재하는 대부분의 암흑 물질과는 전혀 다른 형태로 분포되어 있을 것이다. 새로운 종류의 이 암흑 물질은 헤일로를 지금대로 가만히 놔두겠지만, 기존 암흑 물질과는 다른 상호 작용을 겪기 때문에 우리 은하 중간면 속에서 원반 형태로 응집할 것이다. 이 얇