빅뱅의 질문들

빅뱅의 질문들

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Description
“우주에서 가장 큰 개념에 대한 명확하고 간결하면서도 포괄적인 탐구”

상대성 이론부터 다중우주까지
물리학자이자 퓰리처상 노미네이트 작가가 풀어낸 빅뱅 우주론의 정수
빅뱅은 우리가 살아가는 우주를 이해하는 데 가장 핵심적인 개념이다. 모든 원소의 기본 재료인 양성자ㆍ중성자ㆍ전자, 지구를 비롯한 천체와 은하 등의 기원을 따지고 들어가면 모두 빅뱅에 닿는다. 하지만 100여 년 동안 여러 학자가 빅뱅에 대해 밝혀낸 것들과 그들 간의 논쟁, 우리가 앞으로 알아내야 할 것들을 한눈에 조망하기는 쉽지 않다.
빅뱅ㆍ블랙홀 및 관련 주제를 연구해 논문 80여 편을 집필한 물리학자이자 대중 과학서 6권을 쓴 작가인 토니 로스먼은, 이를 위해 사람들이 빅뱅에 관해 자주 묻는 핵심 질문 15개를 던지고 자신만의 방식으로 답한다. “궁극적으로, 모든 과학은 질문을 하고 그 질문에 대한 답을 찾는 것”이기에 이 질문들을 살피는 일은 빅뱅의 전모를 이해하는 가장 좋은 방법이다.
저자는 “우주의 탄생과 진화에 관한 궁극의 물음 15”를 통해 단편적인 사실이나 지엽적인 논쟁에 매몰되지 않으면서 빅뱅 이론의 핵심 개념과 그 발전 과정을 큰 맥락에 따라 풀어낸다. 빅뱅에 관한 기초지식부터 최신 연구까지 모두 포괄하면서도 간결하게 쓰인 이 책을 읽으면, 빅뱅이 한눈에 보일 것이다.

저자

토니로스먼

저자:토니로스먼
일반상대성이론과우주론을전공한이론물리학자이자작가.텍사스대학교에서박사학위를받았고,그곳에있는상대성이론센터에서공부했다.프린스턴대학교와하버드대학교등에서물리학을가르쳤고,2019년뉴욕대학교탠던공과대학교수직에서은퇴했다.주로빅뱅,블랙홀및관련주제를연구해80여편의논문을집필했다.우주핵합성,블랙홀,인플레이션우주론및중력자연구에기여했다는평가를받는다.
작가로도대중과학및과학사에관한책6권을비롯해13권을집필했다.《매디슨가의물리학자APhysicistonMadisonAvenue》로1991년퓰리처상후보에올랐으며,수학자후카가와히데토시와같이쓴《신성한수학:일본사원기하학SacredMathematics:JapaneseTempleGeometry》로미국출판협회로부터2008년PROSE수학전문및학술우수상을받았다.

역자:이강환
천문학자.여러매체를통해사람들에게과학을알리는일을하고있다.달착륙음모론,백신음모론등각종음모론과유사과학을싫어한다.《빅뱅의메아리》《우주의끝을찾아서》등을쓰고,《아시모프의코스모스》《웰컴투더유니버스》등을번역했다.

목차

역자서문―신화에서과학으로,우주론이알아낸것과알아내야할것
들어가며―왜아무것도없지않고뭔가가있을까?

1중력,호박,그리고우주론
2특수상대성이론
3일반상대성이론,우주론의기반
4팽창하는우주
5우주론의로제타석:우주배경복사
6태초의가마솥
7암흑우주
8더어두운우주
9은하들은존재하고우리도존재한다
10우주의파이프오르간
11태초의눈깜짝할사이:우주의인플레이션
12인플레이션,할것인가말것인가
13뭉침과되튕김
14왜양자중력이론인가?
15다중우주와메타물리학

참고할만한책
감사의말
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출판사 서평

“우주에서가장큰개념에대한명확하고간결하면서도포괄적인탐구”

상대성이론부터다중우주까지
물리학자이자퓰리처상노미네이트작가가풀어낸빅뱅우주론의정수

빅뱅은우리가살아가는우주를이해하는데가장핵심적인개념이다.모든원소의기본재료인양성자?중성자?전자,지구를비롯한천체와은하등의기원을따지고들어가면모두빅뱅에닿는다.하지만100여년동안여러학자가빅뱅에대해밝혀낸것들과그들간의논쟁,우리가앞으로알아내야할것들을한눈에조망하기는쉽지않다.
빅뱅-블랙홀및관련주제를연구해논문80여편을집필한물리학자이자대중과학서6권을쓴작가인토니로스먼은,이를위해사람들이빅뱅에관해자주묻는핵심질문15개를던지고자신만의방식으로답한다.“궁극적으로,모든과학은질문을하고그질문에대한답을찾는것”이기에이질문들을살피는일은빅뱅의전모를이해하는가장좋은방법이다.
저자는“우주의탄생과진화에관한궁극의물음15”를통해단편적인사실이나지엽적인논쟁에매몰되지않으면서빅뱅이론의핵심개념과그발전과정을큰맥락에따라풀어낸다.빅뱅에관한기초지식부터최신연구까지모두포괄하면서도간결하게쓰인이책을읽으면,빅뱅이한눈에보일것이다.

‘뜨겁고팽창하는우주’가거둔대성공

이책은“우주의운명을결정하는힘”,중력에관한이야기로시작한다.강한핵력,약한핵력,전자기력등과더불어자연에존재하는4가지힘중하나인중력은넷중에서가장약하지만,두핵력은원자핵안에서만작용하고,천체들은전기적으로중성이기때문에우주전체에는미치지않는다.따라서가장약한중력이우주전체의진화를결정한다.중력을처음제대로설명한이론이아인슈타인의일반상대성이론이다.일반상대성이론에따르면물질은시공간을휘어지게하고,그휘어진정도가중력으로표현된다.
1929년천문학자에드윈허블이멀리있는은하들이더빠르게멀어진다는사실을발견하면서우주가팽창하고있다는사실을받아들이기시작했다.우주가지금보다작았던과거로계속거슬러올라가면우주는하나의점이었을것이고,그점이빅뱅이후팽창하면서지금의우주가됐으리라는것이빅뱅이론이다.
그러나이이론이즉시학계의주류는되지못했다.우주가언제나지금과비슷했고,은하들이서로멀어지면새로운은하들이아주천천히만들어져빈곳을메운다는“정상상태우주론”도만만치않았다.이논쟁을끝낸것이1965년우주배경복사의발견이었다.우주배경복사는우주전체에퍼진절대0도보다3도높은열인데,정상상태우주론으로는이우주배경복사의존재를설명할수없었다.
우주팽창,우주배경복사에이은빅뱅초기이론의세번째성공은물리학자조지가모가제기한뜨거운빅뱅이론이다.그에따르면빅뱅직후의우주는매우뜨거워서핵융합반응이일어날수있었고,따라서수소가헬륨을비롯한다른가벼운원소들로합성됐다.빅뱅핵합성이라고불리는이이론은관측과잘맞을뿐더러일반상대성이론과핵물리학을성공적으로결합해냈다.

빅뱅이론의표준모형이탄생하다

빅뱅이론이성공을거둔것같았지만,모든것을설명하지는못했다.대표적인난제가암흑물질과암흑에너지였다.
암흑물질은우리눈에는보이지않지만중력을가지고있으며,우주전체의85퍼센트를차지하는것으로추정되는미지의물질이다.1930년대에천문학자프리츠츠비키는은하단(수백개에서수천개의은하가모인집단)에있는전체은하들의속도가은하단안에있는별의중력으로설명하기에는너무크다는사실을알아차리고,그부족한부분을메우기위해암흑물질의존재를제안했다.암흑물질의후보로는블랙홀처럼빛을내지않는천체,약하게상호작용하는무거운입자(WIMP)등이거론됐다.
암흑에너지는우주를구성하는에너지의약70퍼센트를차지하는에너지다.이론상우주에존재하는물질들의중력때문에우주의팽창이갈수록느려져야함에도실제로는우주가가속팽창하고있다면“은하들을서로밀어내는어떤힘”이존재해야하는데,과학자들은여기에암흑에너지라는이름을붙였다.
우주는거의완벽하게균일하지만너무완벽하게균일해서는안된다.그러면별과은하들이생겨날수없기때문이다.1992년COBE위성이우주배경복사에존재하는아주작은밀도차이를발견한뒤,과학자들은우주의현재나이에서은하들이만들어질수있게해주는재료들의정확한비율을찾으려고했다.이과정에서우주상수(우주진공의에너지밀도에대한상수)와차가운암흑물질을통해빅뱅을설명하는표준모형인ΛCDM모형이탄생했다.

표준모형이풀지못한문제들

이렇게빅뱅이론의표준모형이확립됐지만,논쟁이모두끝난것은아니다.
빅뱅후10-36초에서10-32초사이에우주가1027배혹은1028배로급격하게커졌다는인플레이션이론이대표적이다.인플레이션이론은우주가완벽에가깝게평평하다는평평성문제,우주배경복사의온도가놀라울정도로균일하다는지평선문제등을해결했다고주장한다.그러나인플레이션이론이관측이나이론적인정당성이없다는주장도만만치않다.
우주가팽창과수축을반복한다는되튕김우주론도인플레이션이론의대안으로연구되지만,되튕김우주론은우주의온도,압력,밀도,팽창비율이모두무한대가되면서계가완전히붕괴하는순간,일명빅뱅특이점이라는문제에부딪힌다.우주가10-33센티미터로수축하기전에팽창하면빅뱅특이점문제를피하면서평평성문제,지평선문제등을해결할수있다는주장도있지만,이또한논쟁거리다.
되튕김우주도빅뱅특이점을피한다고장담할수없기에과학자들은양자중력이론에매달리기시작했다.현대우주연구의토대인일반상대성이론은양자현상을고려하지않은것으로우주탄생직후의순간에는적용할수없기에,여러물리학자가일반상대성이론과양자이론의통합을시도했다.그러나미시세계를다루는양자이론과거시세계를다루는일반상대성이론은서로의영역을설명하는데한계가있었고,둘을통합하는일은거의한세기에걸친수많은노력에도불구하고실패했다.
게다가그럴듯한양자중력이론을만들었다하더라도검증은거의불가능하다.양자중력이론은중력을전달하는중력자의존재를예측해야하는데,물질과거의상호작용하지않는중력자를관측할가능성은희박하다.이처럼수학적인정합성은있지만실험으로검증할수없는과학,“실험너머의과학”이가능할까?
이런딜레마를잘보여주는것이인류원리다.인류원리의약한버전에따르면우리가관측하는우주는생명체를허용해야만한다.그렇지않으면관측자가없을것이기때문이다.우리는인류원리를통해제한적으로나마우주배경복사의요동의크기를관측하고우주상수를계산할수있었지만,이런엄밀하지도않고관측할수도없는이론에기대는한“수학적정합성과확률과아름다움이라는모호한개념에의존할수밖에없게될수있다.”
그래서이런이론들은관측할수있는것으로전환되어야한다.우리가앞으로도알아내야할것들이많이남아있다는뜻이다.
우주론의탄생과발전을이끈궁극의질문들

모든과학이그렇듯우주의탄생과진화를설명하는학문인우주론도무수한질문과함께했다.“우주가어떻게시작되었을까?”라는질문에서우주론이시작됐고,“우주의팽창이갈수록느려져야하는데왜우주가가속팽창할까?”라는질문은암흑에너지라는개념을낳았다.이처럼우주론은질문에대한대답을찾고,거기서파생된또다른질문들에응답하는과정에서생기고발전했다.
이책에담긴15개의질문은그중에서도우주의탄생과진화를이해하는데가장핵심적인질문들이다.“어떤것이상대적이고,어떤것이상대적이지않은가?”로시작해서“왜아무것도없지않고뭔가가있을까?”로끝나는이질문들과함께라면우주의가장깊은비밀에닿을수있을것이다.