양자물리학자이자 베스트셀러 작가와

천체물리학 대중화에 힘쓰는 과학 커뮤니케이터이자 교수의

질문과 이론을 한 권에 집약하다

《우주는 어디에서 왔을까》의 저자 크리스 페리는 양자물리학자이자 베스트셀러 《아이들을 위한 양자역학》 시리즈로 전 세계 독자를 만난 작가다. 또 다른 저자 게라인트 F. 루이스는 암흑 물질과 암흑 에너지를 연구하는 천체물리학 교수다. 우주의 경이로움을 대중에게 전하는 과학자인 그가 발표하는 은하 진화에 관한 이론은 전 세계의 주목을 받는다.

서로 다른 분야를 연구한 두 과학자에게는 공통점이 있다. 대학에서 학문을 연구한다는 것, 그리고 어린이, 청소년의 과학 교육과 STEAM(과학·기술·공학·예술·수학) 교육에 힘쓰고 있다는 점이다. 두 사람의 만남에는 ‘우주’라는 공통 키워드가 있다. 아주 작은 세계라고 부르던 양자의 법칙이 사실은 별과 은하, 우주의 탄생과 운명까지 깊이 이어져 있음을 보여 주는 이유다.

이 책은 누구나 한 번쯤 밤하늘을 보며 궁금증을 가졌던 우주에 대한 질문을 양자물리학과 천문학이라는 두 언어로 풀어낸다. 우주는 어디에서 시작되었고, 왜 지금의 모습이 되었으며, 앞으로 어디로 향할까? 빅뱅과 원소의 탄생에서 시작해 별의 생애와 블랙홀의 운명을 거쳐 물질의 변화까지 이어지는 이 여정은 우주의 과거와 현재, 먼 미래를 하나의 질문으로 엮는다. 복잡한 수식 대신 직관적인 비유와 이야기로 양자물리학과 우주론이 만나는 자리에서 가장 현대적인 우주관을 펼친다. 이 책은 가장 작은 세계가 만든 거대한 세계, 양자와 우주에 대한 이야기다.

[목 차]
  

책을 시작하며

양자와 우주, 두 세계가 만나다

 

1장. 과거 우주의 양자

우주의 시작은 어디였을까?

왜 우주는 어디를 봐도 비슷할까?

왜 우주에는 물질이 존재할까?

원소는 어디에서 왔을까?

 

2장. 현재 우주의 양자

하늘은 무엇으로 이뤄졌을까?

우리 몸속 화학물질은 어디에서 왔을까?

별은 왜 죽으며 산산조각 날까?

우주는 양자적 존재일까?

 

3장. 미래 우주의 양자

왜 죽은 별은 모두 블랙홀이 되지 않을까?

물질은 영원할까?

블랙홀은 언젠가 사라질까?

우주의 끝은 진정한 끝일까?

 

4장. 양자 우주의 미래

우리는 어디까지 왔을까?

모든 것의 이론은 어떤 모습일까?

모든 것의 이론은 우리를 어디로 데려갈까?

우리는 왜 아직 답을 찾지 못했을까?

 

고마움의 말

옮긴이의 말

주

[본 문]
  

양자와 우주는 떼려야 뗄 수 없다. 그리고 두 세계가 하나로 이어질 때 비로소 하늘의 진정한 아름다움이 드러난다.

“책을 시작하며” 중에서

 

우리는 우주의 일생을 따라가며 우주가 탄생한 순간과 우주를 형성한 힘을 알아볼 예정이다. 그리고 별의 일생과 원소의 형성 과정도 밝힌다. 이뿐만 아니라 앞으로 다가올 어둡고 아득한 미래에 우주는 어떤 운명을 맞이할지 고민한다. 이를 통해 우리는 우주가 팽창하고, 물질이 압축돼 별이 되는 동안 중력이 지배적으로 작용함을 발견한다. 그러나 우주를 이해하는 데는 중력만으로 충분하지 않으며, 다른 힘의 역할을 무시할 수 없다. 실제로 양자역학은 매 순간 결정적 영향을 미친다. 우리는 인류가 우주에서 차지하는 위치를 진정 이해하기 위해서는, 양자와 우주를 분리할 수 없음을 깨달을 것이다.

“양자와 우주, 두 세계가 만나다” 중에서

 

사람들은 팽창하는 우주에 담긴 놀라운 뜻을 이내 깨달았다. 은하는 어제보다 오늘 더 멀리 떨어졌고, 시간을 거슬러 과거로 돌아갈수록 점점 더 촘촘히 모였을 테다. 그리고 약 140억 년 전 어느 시점에는, 모든 은하 사이의 거리는 사라지고 오늘날 우리가 아는 팽창의 시작점이 존재했다. 이는 우주가 어느 순간 탄생했다는 뜻이다. 즉, 그 이전에는 아무것도 없었으며 ‘어제’가 존재하지 않는 첫날이 있었다는 의미다.

“우주의 시작은 어디였을까?” 중에서

 

사실, 망원경을 어느 방향으로 두든 풍경은 대체로 같다. 이는 호기심을 자극한다. 왜 어느 방향이든 풍경이 비슷할까? 망원경으로 관측하는 우주의 여러 구역은 수십억 광년 떨어졌다. 따라서 그 구역은 서로 영향을 주지 못하니 항상 분리돼야 한다. 그런데 왜 하늘 한편의 먼 우주는 하늘 반대편의 먼 우주와 그토록 닮았을까? 서로 멀리 떨어진 우주는 조금 다른 상태에서 시작하고 진화했을 테니, 오늘날에는 서로 다른 모습으로 관측돼야 하지 않을까?

“왜 우주는 어디를 봐도 비슷할까?” 중에서

 

양자 터널링으로 벽을 바로 통과하면 어떨까? 실제로 터널링은 이론적으로 가능하다. 벽을 향해 전력 질주하면 벽 건너편으로 갈 확률이 있다. 그러나 시도하기에 앞서, 그 확률이 헤아릴 수 없을 만큼 작다는 점을 기억하자. 평생 벽을 향해 달려야 할 수도 있고, 우주가 끝날 때까지 터널을 통과하지 못할 수도 있다. 터널링이 실현될 가능성은 있으나, 이는 우주의 영역을 넘어선다. 게다가 엄청나게 아플 것이다.

“우리 몸속 화학물질은 어디에서 왔을까?” 중에서

 

인간을 포함한 물질세계를 정의하는 원자부터 여름날 피부를 따뜻하게 데우는 햇볕까지, 이 모든 것이 존재하는 이유는 양자 덕분이다.

“우리 몸속 화학물질은 어디에서 왔을까?” 중에서

 

사건의 지평선은 블랙홀을 수학적으로 탐구한 초창기부터 알려졌다. 사건의 지평선은 특이점을 중심으로 특정 거리에 있으며, ‘돌아올 수 없는’ 경계를 뜻한다. 그 경계를 지나면 물체는 중력의 영향을 받아 특이점으로 떨어질 수밖에 없다. 어떤 물체도 이 운명에서 벗어날 수 없다. 여러분 또한 일단 사건의 지평선 아래로 가면, 발버둥을 치거나 로켓의 힘을 빌린다 해도 특이점으로 떨어진다.

“블랙홀은 언젠가 사라질까?” 중에서

 

죽은 별이 전부 융해되고 블랙홀마저 증발하면, 우주에는 더 이상 아무것도 남지 않게 된다. 음, 정확히 말하면 실질적인 물질은 남지 않는다. 우주에 남은 것은 전자와 광자로 이뤄진, 영원히 차갑고 묽은 수프다. 온도는 낮고 균일하며, 사용할 수 있는 에너지는 모두 사라진다. 에너지가 없으면 복잡성도 생명도, 어떠한 것도 기대할 수 없다. 우주는 최후의 상태인 열 죽음에 다다른다

“우주의 끝은 진정한 끝일까?” 중에서

 

물리학자는 모든 것의 이론을 꿈꾼다. 모든 것의 이론이란 중력의 영향과 양자적 힘을 하나의 방정식으로 정리해 설명하는 수학 체계다. 물리학자는 이 수학이 완성돼 우주의 모든 수수께끼가 풀리기를 바란다. 그렇게 된다면 블랙홀 중심부를 비롯한 신비로운 장소에서 어떤 현상이 일어나는지 알아내고, 우리 우주가 어디에서 왔는지도 이해하게 된다.

“우리는 어디까지 왔을까” 중에서