천문학 이야기

팀제임스

영국의과학교사로유튜브,인스타그램등을통해과학대중화에힘쓰고있다.BBC라디오에출연해흥미로운과학이야기를소개하고있으며,신문과잡지등에도활발히기고하고있다.컴퓨터양자역학전공으로화학석사학위를받은이후교편을잡고학생들을가르치는일에전념하고있다.그의첫책인『원소이야기』는<데일리메일>올해최고의책중하나로선정되었다.

속작인『양자역학이야기』는팀제임스특유의입담을통해배울수록알쏭달쏭하고어렵게만느껴지는양자역학을누구나쉽게이해할수있도록소개한다.저자가제시하는유쾌한일화와쉬운설명을따라읽다보면양자역학이무엇인지,또이토록모호한양자역학과일상생활이어떤관계를맺고있는지파악할수있다.『양자역학이야기』와함께지금껏알지못했던물리학의세계를신나게탐험해보자.

머리말:가장이상한것들의집합체

1부알면알수록기묘한우주
1장거대하고,오래되고,이상하다
2장태양계의신비를풀다
3장우주의시작을찾아가다

2부우리가모르는우주의모든것
4장빅뱅의커다란문제
5장아인슈타인은실수하지않았어!?
6장어둠의중심,블랙홀
7장홀로그램과루프,그리고끈

3부별에둘러싸인생명체
8장거기누구없어요?
9장안녕,보잘것없는지구인들!
10장대담하게나아가다

부록
감사의말
주

인간이가진어휘로는결코표현할수없는,
천문학적인시공간의이야기

우주로떠나기전에우리가지금발딛고있는지구부터알아보자.현재우리는어제와같은시간에있었던곳에서250만킬로미터떨어져있다는사실을아는가?바로지구의공전때문이다.지구는총알보다50배나더빠른속도로태양주위를돌고있는데,이속도는1초에에베레스트산을세번오를수있을정도다.하지만이엄청난속도로도태양을한바퀴공전하는데1년이걸린다.그런가하면태양속에는지구를100만개나넣을수있으며,이렇게질량이큰태양은초음속비행기로150년이걸리는태양계의끝자락해왕성까지강력한중력으로끌어당긴다.
태양계를넘어우리은하로가면우리의뇌가당최수치화할수없는영역이된다.우리은하는질량이태양질량의1조5,000억배이며항성을2,000억개포함하고있다.이항성숫자는구름속에존재하는물방울숫자와같다.우리는말그대로별구름속에산다.모래한알을집어밤하늘에갖다대면가려지는면적의우주에는항성수십억개로가득찬은하가적어도1만개있다고한다.
시간은또어떠한가.칼세이건이제안한대로,우주의일생을1년짜리달력으로요약하면인간은12월31일자정이되기고작4분전에등장한다.이에대해저자팀제임스는우주의공간과시간은우리인간이가진언어로는결코표현할길이없을만큼‘천문학적(astronomical)’이라고말한다.그렇다면이토록천문학적인우주에비해너무나도시시한인간은그세계를어떻게파헤쳤을까.

탈레스부터갈릴레이를거쳐아인슈타인과호킹까지
우주의신비를파헤친천재들의이야기

고대바빌로니아인들의점성술에서시작된인류의천문학은기원전6세기밀레투스출신의학자탈레스에이르러과학의형태로태동한다.인류최초의천문학자로불리는탈레스는세심한기록을통해일식을예측해냈고,한달을30일,1년을365일로나누기까지했다.그이후로플라톤과아리스토텔레스를비롯한고대그리스학자들은별의위상과운동주기를관찰하고태양계의다섯행성에헤르메스(수성),아프로디테(금성),아레스(화성),제우스(목성),크로노스(토성)라는이름도지어주었다.이들을통틀어‘방랑자’를뜻하는‘플라네테스(planetes)’라불렀는데,행성(planet)에관한아이디어도이시기에등장한것이다.그러나모두가알다시피천문학은그후암흑기에빠졌고,우리에게익숙한과학천재들의이름은천년이상의세월이지나서야등장한다.
르네상스시대에이르러우리는코페르니쿠스,케플러,갈릴레이등지동설의개척자들을만나는데,저자팀제임스는단순히그들의업적을소개하는데그치지않는다.지동설을담은자신의책을죽기직전에발표한코페르니쿠스,애완사슴을계단에서굴러떨어뜨려죽여버린괴짜천재티코브라헤,브라헤의자료를빼내코페르니쿠스모델을완벽하게증명한케플러,교황을비꼰소설을써서은유적으로교회에맞선갈릴레이등등,우주의진실을밝히기위해고군분투했던당시학자들의고난과이를극복해내는그들의재치를다양한에피소드로들려준다.
이어서등장하는근현대과학자들의이론들,이를테면아인슈타인의일반상대성이론,양자역학,사건의지평선,중력렌즈,우주상수,호킹복사이론,끈이론등등궁금하긴했지만섣불리이해하기어려웠던물리학이나우주과학이론들도팀제임스만의쉽고도유머러스한설명으로어렵지않게이해할수있다.그의연대기적설명을따라가다보면,알베르트아인슈타인과스티븐호킹이얼마나대단한인물인지를확실히알게될것이다.특히아인슈타인의일반상대성이론이발표된1915년이래,지난100여년이상대성이론의예측을후대과학자들이실제로증명해낸시간임을깨닫는순간,위대한천재의존재에절로감탄할것이다.

블랙홀,홀로그램우주,외계생명체,쿼크별,UFO등등
우주의미스터리가슬며시풀리는지식여행

SNS,방송,신문등매체를가리지않고과학대중화에힘쓰는과학전도사팀제임스.그는빅뱅,블랙홀과화이트홀,홀로그램우주,외계생명체,UFO등등우리가늘궁금했던우주의수수께끼를그만의재치넘치는스토리텔링으로설명해준다.그가툭툭던지는유머를읽다보면마치스탠드업코미스쇼에참석한듯한착각에빠진다.도대체우주는왜자꾸팽창하는지,빅뱅은정말신의존재를증명하는지,지구너머에생명체가사는행성은과연있는지,명왕성은어쩌다행성의지위를잃었는지등등쉴새없이떠드는팀제임스의이야기를듣다보면당신의궁금증이슬며시지식으로바뀔것이다.
천문학사에서빼놓을수없는인물이자허블우주망원경의주인공인에드윈허블은“인간은오감을발휘하여자신을둘러싼우주를탐험한다.우리는이모험을과학이라부른다”라고말했다.오감을발휘해밤하늘을보라.1,000년전우주어디선가쏘아올린별빛이당신의눈에들어올것이다.그빛을발견했다면이제우주로의지식여행을떠날시간이다.팀제임스의《천문학이야기》와함께!

추천사

행성,우주론,끈이론,감마선폭발등등우주분야의이슈들을편안한말투로살금살금풀어준다.다양하고재밌는우주관련에피소드들은천문학자가보더라도감탄할정도다.군데군데전문적인내용이나오더라도걱정할필요없다.누구나쫓아갈수있을정도로쉽게설명한다.
-김성수(경희대우주탐사학과교수)

‘코미디언과함께하는풀코스우주여행’이이런느낌일까?책을펼치니아인슈타인처럼환하게웃는코미디언이수다를떨며기괴하고아름다운우주여행을안내해줬고,그거대하고신비로운풍경에압도됐다.그리고정신이아득해지는타이밍에는툭툭던져주는유머때문에키득키득웃으며정신을차릴수있었다.이런여행이끝없이계속되면얼마나좋을까.남은페이지가점점줄어드는것이너무아쉬웠다.
-이준호(과학교사,《과학이빛나는밤에》저자)

이책이야말로천문학입문자의필독서다!태양계,은하,퀘이사,외계행성계,암흑물질과암흑에너지,화이트홀과웜홀그리고소립자에이르기까지,알고보면황당한생각이드는우주의모습을아인슈타인의상대성이론,양자역학,끈이론등을동원해흥미진진하게설명한다.
-이지유(과학논픽션작가,《이지유의이지사이언스》저자)

가장오래된과학인천문학은여전히진화하는중이다.우리가진실이라고믿었던과학적인발견들도급진적으로바뀔수있다.오감을발휘하여우리를둘러싼우주를탐험하는일,이위대한모험을우리는과학이라부른다.그과정에대한친절한안내서인이책으로천문학과우주를접하는사람들은진정행운아다.
-황정아(한국천문연구원책임연구원)

책속에서

인류가가장합리적으로측정한우주의나이는,수천년정도오차는있겠지만대략138억년인데,이엄청난시간의길이를한눈에들어오도록표현하는좋은방법이있다.천문학자칼세이건이1977년에제안한방식에따라우주의일생은1년짜리달력으로요약된다.이달력에서우주는1월1일자정에탄생하여현재12월31일자정에이르렀다.인간종이살아온역사는달력에서대략4분을차지한다(실제시간으로20만년).이와달리공룡은1억7,000만년동안지구를떠돌았는데,크리스마스날점심시간에등장하여4일을보내고12월29일남았던파티음식이동나면서멸종했다.
_20쪽,<1장거대하고,오래되고,이상하다>중에서

코페르니쿠스가자신의가설을발표하기위해죽음이임박하기까지기다렸던이유는정확하게알수없지만,성경에기술된지구중심설,즉지구가아닌태양이돈다는내용을문자그대로해석하면태양중심설과서로상충하는탓일수있다.질문하나던지는것에불과하더라도16세기유럽에서성경을부정하는행위는몹시어리석은짓이었다.오늘날대중에널리퍼진신화와달리코페르니쿠스의아이디어는당시아무도심각하게받아들이지않았으므로,오랫동안교회로부터공격받지않았다고말하는게맞다.지구가태양주위를돈다는코페르니쿠스의주장은진정한헛소리였고,심지어위대한마르틴루터도다음과같이언급하며코페르니쿠스의생각을비웃었다.“요즘은이런식이다.누구든똑똑해보이고싶으면다른사람의의견에반기를들어야한다.코페르니쿠스는스스로뭔가를해야만했다.하지만천문학전체를뒤집으려는행동은바보나하는짓이다.”
_38~39쪽,<2장태양계의신비를풀다>중에서

1964년물리학자로버트윌슨과아노펜지어스는뉴저지에설치된홈델혼안테나로실험하고있었다.이장치는항성이방출하는라디오파와마이크로파를찾기위해세운높이6미터의새로운장비였다.처음에두과학자는우리은하가내는라디오파를분광학적으로연구하려고혼안테나를사용했으나,실험에돌입하자신호의배경에서쉬익하는잡음이끊임없이감지되었다.펜지어스는무엇이문제를일으키는지확인하기위해안테나로갔다가비둘기두마리가안테나내부에집을지은현장을발견했다.안테나안에는펜지어스가재치있게‘흰색물질’이라표현한비둘기똥이여기저기쌓여있었다.……이쯤되자연구자가운데한명이산탄총으로비둘기를쏴죽이는가장손쉬운방법을써서상황을정리했다.그런데신호판독기로돌아간두과학자는여전히마이크로파가감지되고있음을발견했다.그뿐만아니라안테나는하늘의모든방향에서계속마이크로파를잡아내고있었다.우주전체는마이크로파에너지로가득찬것이분명했으며,이시점에두사람은혼란스러워지기시작했다.
_73~74쪽,<3장우주의시작을찾아가다>중에서

먼은하계를향해광속로켓을발사한다고가정하자.우리를둘러싼시공간은계속해서팽창하고은하계는점점더멀어진다.멀어지는은하를추격할수있는가장빠른속도가빛의속도이지만시공간이광속보다더빠르게늘어나므로우리는결코은하를따라잡지못한다.이는마치여러분이뛰어올라가는속도보다더빠르게내려가는에스컬레이터를타고서는위층에도착하지못하는것과같다.이처럼우리가다가가려해도따라잡지못하는지점을우주사건의지평선(cosmiceventhorizon)이라부르며,이지평선은우리로부터160억광년떨어져있다.
_85~86쪽,<4장빅뱅의커다란문제>중에서

1976년천문학자베라루빈의발견으로판도가뒤집혔다.은하는그냥빠르게회전하는게아니라,너무너무너무빠르게회전하고있다.또행성과성운은일반상대성이론예측값과비교하면실제속도와차이가크지않지만,은하는대부분우리가가능하다고생각한속도보다6~8배더빠르게회전한다는것도밝혀졌다.이는대수롭지않은계산오차가아닌큰문제였다.루빈의발견이후,은하의지나치게빠른회전에관한다양한설명가운데두가지만남게되었다.하나는아인슈타인방정식이틀렸다는설명이고,다른하나는정말로우주를가득채운신비한물질이인류의탐지기술이미치지못하는곳에숨어있다는설명이다.
_101쪽,<5장아인슈타인은실수하지않았어!?>중에서

2019년4월10일,지구전역에세워진전파망원경여덟개를연결한‘사건지평선망원경’이지구를거대한안테나로변신시키고우리로부터5해2,000경킬로미터떨어진은하M87에초점을맞춘다음,그중심부에있는블랙홀의사진을촬영했다.……이촬영으로우주에서빛나는도넛처럼보이는오렌지색과노란색이섞인반지사진을얻었다.블랙홀사진이이토록우리를들뜨게하는이유는블랙홀이진짜로존재한다는것을깔끔하게증명하는데다,일반상대성이론이예측한블랙홀의형태와실제형태가일치한다는것을보여주기때문이다.
_125쪽,<6장어둠의중심,블랙홀>중에서

에너지가천천히방출되고있긴하지만(블랙홀은끔찍할정도로차갑다)조금씩밖으로새어나오면서블랙홀은에너지를잃고수축하는과정중이다.수천조년의세월이흐르면초대질량블랙홀도쪼그라들어무(無)의상태가될것이다.호킹을존경하는마음을담아‘호킹복사’라부르는이블랙홀방출에너지가반드시발생해야한다는것을우리는알지만,무엇이그에너지가나오도록유발하는지는알지못한다.이는물리학역사에처음있는일이아니다.아이작뉴턴은무엇이행성의궤도운동을촉발했는지는알지못했지만무언가가그렇게되도록했다는것은알았기때문에,훗날과학자들이무언가의정체를알아낼수있도록그부분을조금비워두었다.호킹복사도이와상당히비슷하다.
144쪽,<7장홀로그램과루프,그리고끈>중에서

현재2,000억개의항성이있다고추정하는우리은하를생각해보자.은하중심부근처에서방출되는방사선은상당히강해서복잡한생화학물질을파괴할수있으므로,은하계중심에서바깥쪽으로적게잡아4분의1지점까지는생명체가살수없는곳으로간주하고제외한다.그러면남는항성은1,500억개다.다음으로,항성이형성되는과정에발생한부산물로행성이만들어진다고보면대부분의항성은행성을가지는것으로추정된다.그러나보수적으로따지면항성의90퍼센트만이주위에행성이있으며,항성한개당행성한개씩가진다고가정할수있다.그러면생명체가살수있는행성은1,350억개다.
177쪽,<8장거기누구없어요?>중에서

1855년지구로부터약1,000조킬로미터떨어진궁수자리타우구역에서무언가가라디오파를발생시켰다.100년이넘는시간동안차갑고광활한우주를빛의속도로가로지른이전파는마침내1977년8월15일지구대기로진입하여오하이오주에설치된빅이어전파망원경에잡혔다.천문학자제리에만이망원경에무엇이잡혔는지를판독하기위해일주일간의기록을인쇄하기전까지,그전파는3일동안데이터저장장치속에서조용히잠자고있었다.8월18일에만은부엌식탁에앉아기록지에적힌숫자의흐름을읽다가그기록이무엇을의미하는지깨닫고깜짝놀라벌떡일어섰다.
199~200쪽,<9장안녕,보잘것없는지구인들!>중에서

현재를살아가는우리는모두성장과정이나지적능력에상관없이자신의가치를하찮게여기면서매순간불안에떤다.많은사람이때때로인류에보존할가치가있는지의문을품고,또많은사람이우주의장대함을깨닫고는그에비해자신은보잘것없다고생각한다.우주과학은잠재적으로우울함을유발하는데우주앞에한없이작디작은인간을상기시키기때문이다.……한명한명보면우리모두조그마한것은사실이다.하지만모두들인류가어디에적합한지알고싶어하며갈증을느낀다.우리는우주에무엇이존재하는지알아가는모험에참여하고과학에경탄한다.과학연구는실험실가운을입은아이큐150짜리영재과학자들만의전유물이아니다.과학은우리모두를위한것이며우리모두가나눠야할짐이자장애물이자자신에게던지는질문이다.
223~224쪽,<10장대담하게나아가다>중에서