우주로 가는 물리학

첫 번째 걸음
1장 우주 들여다보기
2장 공간과 시간은 당연한 것일까?
3장 ‘우주’란 무엇을 뜻할까?

두 번째 걸음
4장 양자역학으로 미래를 예측할 수 있을까?
5장 원자력 시대의 열매
6장 가장 작은 것들의 무게
7장 스타가 된 물리학자들

그다음 걸음
8장 우주는 왜 무가 아닌 유인가?
9장 ‘큰 수 문제’
10장 우주는 무엇으로 이루어져 있을까?
11장 암흑에너지

그리고 불안정한 세계로
12장 모든 것들의 시작
13장 최종이론에 도달할 수 있을까?
14장 우주의 풍경과 실체
15장 이론물리학의 주사위 굴리기

주
감사의 말
역자 후기
찾아보기

우리는 하나의 종種으로서 한 세기 전만 해도 그 누구도 상상조차 하지 못한 수준으로 우리 주변 세계와 우주에 대한 지식을 갖추고 있다. 무슨 일이 일어나고 있든 간에, 우리는 자연 세계를 유례없는 수준으로 이해하고 있고, 우리가 일상에서 경험하고 있는 세계는 전체에 비하면 미미한 일부분에 불과하다. 우리 삶은 cm, m, km, 더 나아간다면 아마 수천 km 규모로 펼쳐질 것이다. 그러나 우리는 더 작은 규모, 원자핵의 크기보다 훨씬 더 작은 규모의 자연도 안다. 또 상상도 할 수 없을 만치 먼 거리까지 펼쳐진 우주도 안다. 더욱 놀라운 점은 수십억 년 전 우주에서 일어난 사건들도 알며(정말로 안다) 앞으로 수백억 년 뒤에 어떤 일이 일어날지도 거의 확실히 말할 수 있다는 것이다. 정말로 특별한 시기다.
_ 우주 들여다보기

물리학자들은 두 집단으로 나뉜다. 실험을 설계하고, 구성하고, 진행하며, 도출된 데이터를 분석하는 일에 많은 시간을 투입하는 집단, 그리고 이론을 창안하고, 실험을 제안하며, 어떤 결과가 나올지 예측하고, 실험 결과를 이론과 비교하는 집단이다.[…] 물론 현대 이론가의 모범 사례는 알베르트 아인슈타인이다. 아인슈타인은 1905년 놀라운 세 논문을 내놓으면서 혜성처럼 등장했다. 그중 특수상대성이론과 광전 효과, 이 두 가지가 가장 유명하다. 후자는 그에게 노벨상을 안겨주었다. 그러나 대부분의 물리학 학생들이 그가 브라운 운동을 연구했다는 사실은 잘 모른다. 이 연구는 원자의 실상을 정립하는 데 많은 기여를 했고, 물 1cm3 안에 원자가 몇 개 있는지를 합리적으로, 꽤 정확히 추정했으며(아보가드로 수), 물리학뿐 아니라 화학과 생물학에도 지대한 영향을 미쳤다. 이 연구들은 모두 어느 정도는 순수한 사고와 기존 실험 자료 분석을 조합한 산물이었다. 그리고 스스로를 이론물리학자라고 부르는 모든 이들이 모방하려고 시도하는 모범 사례이기도 하다.
_ 실험과 이론

뉴저지 홈델의 벨 연구소에서 일하던 두 물리학자 아노 펜지어스Arno Penzias와 로버트 윌슨Robert Wilson은 전파천문학을 연구할 커다란 안테나를 만들었다. 그들은 성실한 실험자들이었기에 먼저 장치를 검사하고자 했고 아무런 신호도 들리지 않으리라 예상하고서 안테나를 아무것도 보이지 않는 하늘로 돌려놓고 검사했다. 그런데 뭔가 신호가 잡혔다. 자동차 라디오를 돌릴 때 들을 수 있는 웅웅거리는 배경 소음과 다소 비슷했다. 처음에 그들은 장비에 문제가 있다고 생각해 문제의 원인을 알아내고자 이런저런 검사를 시작했다. 원인을 찾아내지 못하자, 그들은 비둘기들이 안테나에 둥지를 튼 것을 보고는 새똥이 원인이 아닐까 추정했다. 그래서 안테나를 분해해 청소까지 했다. 그래도 신호는 여전히 들렸다. 그러던 중 그들은 프린스턴대학교의 천체물리학자인 로버트 디키Robert Dicke와 짐 피블스Jim Peebles를 만났다. 두 천체물리학자는 전부터 우주마이크로파배경복사 문제를 붙들고 씨름하고 있었다.
피블스는 이론 쪽이었고, 디키는 그것을 찾아낼 실험을 고안하고 있었다. 그들이 벨 연구소의 두 연구자에게 그 복사의 진동수와 세기를 설명하자마자, 펜지어스와 윌슨은 자신들이 발견한 신호가 그것이 맞는지 알아내는 일에 착수했다. 물론 이 이야기의 요점은 바로 그 신호가 맞았다는 것이다. 초기 데이터는 빈약했다. 신호의 세기가 약해서 그 진동수의 값 몇 개만 알아볼 수 있었지만, 그 뒤로 몇 년에 걸쳐 헌신적으로 측정을 계속하자 상황은 극적으로 개선되었다. 곧 신호의 세기, 신호가 진동수에 따라 달라지는 양상이 가모와 앨퍼, 이어서 피블스를 비롯한 이들이 예측한 것과 정확히 들어맞는다는 사실이 명백해졌다. 사실 지금은 이론과 실험이 더할 나위 없이 완벽하게 들어맞는다.
_ ‘우주’란 무엇을 뜻할까