아는 만큼 보이는 세상 : 우주 편

들어가는 글 ‘우주란 무엇인가’를 찾는 여정

CHAPTER 1 지구는 언제부터 둥글었을까?│우주의 탄생
우리가 몰랐던 지구의 진짜 모습 • 고대의 우주관
누구도 우주의 진짜 모습을 알 수 없는 이유 • 우주의 차원
모든 것은 지구를 중심으로 돈다는 생각 • 천동설
“그래도 지구는 돈다!” • 지동설
과연 우주는 끝이 없을까? • 무한 우주론
기차에서 발견하는 우주의 비밀 • 지동설의 증거
제2의 지구는 정말로 있을까? • 외계 행성의 발견
왜 별이 있는데도 밤하늘이 어두울까? • 올베르스의 역설
우주에는 한계가 있다는 증거 • 우주팽창
변하는 것과 결코 변하지 않는 것 • 빛의 속도와 상대성 이론
차원은 ‘이것’으로 구부러져 있다 • 중력의 정체
아파트 고층에 살면 더 빨리 늙을까? • 시간의 왜곡
만약 지구에 중력이 없다면? • 무중력 상태

CHAPTER 2 우주는 지금도 풍선처럼 부풀고 있다?│우주의 구조
우리가 볼 수 있는 최대한의 우주 • 우주의 지평선
우주는 매일매일 커진다! • 급팽창 이론
우주가 맑아지자 생겨난 일 • 우주의 맑게 갬
불균형이 만들어 낸 균형 • 우주 마이크로파 배경 복사
별은 어떻게 만들어졌을까? • 암흑 물질
우리의 은하는 어떻게 생겼을까? • 은하
암흑 에너지가 우주를 살찌운다고? • 우주 가속 팽창과 암흑 에너지
“우리는 별들로부터 만들어졌다” • 백색왜성과 초신성 폭발
왜 우주가 거품처럼 생겼다고 주장할까? • 우주의 거대구조
우주에는 정말 끝이 없을까? • 우주의 지평선과 관측 범위

CHAPTER 3 슈뢰딩거의 고양이는 살아 있는 걸까?│우주와 양자역학
우주를 파악하는 새로운 학문의 등장 • 양자역학
빛은 입자일까, 파동일까? • 빛의 정체
에너지와 진동을 연결하는 마법의 숫자 • 플랑크 상수
전자는 어디에 있을까? • 원자와 파동함수
상자 안의 고양이가 살아 있으면서 죽어 있다니? • 슈뢰딩거의 고양이
아인슈타인이 으스스한 원격 작용이라고 말한 ‘이것’은? • 양자 얽힘
세계에서 가장 빠른 컴퓨터의 탄생 • 양자 컴퓨터
우주는 ‘무’에서 탄생했다는 믿음 • 빌렌킨 가설
우리도 벽을 통과할 수 있게 된다고? • 양자 터널 효과
이미 존재하는 우주에서 우주가 탄생했다면? • 에크로파이로틱 우주론

CHAPTER 4 어쩌면 ‘또 다른 나’가 존재할지도 모른다?│우주와 평행세계
“우리의 우주는 사실 별사탕 모양이다!” • 우주의 균일과 비균일
우주의 탄생을 이해하기 위한 노력들 • 빅뱅과 급팽창 이론
왜 우주가 하나가 아니라는 걸까? • 카오스적 급팽창
무한히 펼쳐지는 우주에는 무수히 많은 내가 존재한다? • 다중 우주
모두의 힘을 하나로 만든 이론 • 우주에 존재하는 네 가지 힘
“우리가 사는 우주는 사실 10차원이다!” • 끈 이론
우리의 물리 법칙과 완전히 다른 우주의 존재 • 랜드스케이프 우주
서로 다른 차원으로는 영원히 갈 수 없다고? • 브레인 우주
존재할 수 있지만 존재하지 않는다는 말의 뜻 • 괴델의 불완전성 정리
가능한 확률과 불가능한 확률이 공존한다면? • 양자론의 해석 문제
양자론 해석의 양대 산맥 • 코펜하겐 해석과 다세계 해석
“인간이 우주를 보아야 우주도 존재한다!” • 참여적 인류 원리
이 세상은 진짜일까? • 시뮬레이션 가설

CHAPTER 5 운명은 정해져 있다는 과학적인 근거│우주와 매개변수
우주는 여러 기적이 겹쳐야만 탄생한다 • 다중 우주론
중력이 딱 지금과 같은 힘을 가진 이유 • 매개변수
중력이 지금보다 강하면 생기는 일 • 중력 상수
만약 빛의 속도가 지금보다 느려지면 어떻게 될까? • 빛의 속도
원자 크기의 미시 세계에서 일어나는 일 • 미시 세계와 플랑크 상수
길이, 질량, 시간을 모두 가지게 되면? • 플랑크 척도
삼각관계의 미묘한 균형이 빚어낸 세상 • 전자, 양성자, 중성자
별이 핵융합하며 벌어진 엄청난 사건 • 중수소
생명체에게 유리한 물의 특수 성질 • 물의 비열
측정하지 않고도 정답을 내놓은 천재의 이야기 • 삼중 알파 과정
우주의 나이가 1,000억 살이 넘으면? • 강한 인류 원리와 약한 인류 원리
“우주의 목적은 인간을 탄생시키는 것이다!” • 강한 인류 원리
2차원에서는 인간에게 어떤 일이 벌어질까? • 차원 수에 따른 예측
존재하는데도 볼 수 없는 것 • 타키온 입자
아인슈타인의 일생일대 실수가 없으면 안 되게 된 이유 • 우주항과 우주 상수

CHAPTER 6 과거나 미래로의 시간 여행은 가능할까?│우주의 미래
다시, 우주란 무엇인가 • 시간과 공간
로켓을 타고 미래로 갈 수 있을까? • 타임머신
시공간을 초월하는 방법 • 웜홀과 블랙홀
과거로 돌아가도 미래를 바꿀 수 없다고? • 시간 역설
선택할 때마다 새로운 우주가 하나씩 탄생한다 • 평행 우주
거시 세계와 미시 세계를 모순 없이 묶는 법 • 양자중력론
시간은 인간이 발명한 것이라고? • 시공간 이론
볼 수 있어야 존재하는 것이라는 주장 • 관측적 우주론
우주를 탐구하려면 수학이 필요할까? • 우주 연구

1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 우주가 팽창하고 있다는 증거를 발견했습니다. 우주가 팽창하고 있다는 말은 즉, 시간을 거슬러 올라가면 우주가 한 점에 모여 있었다는 의미입니다. 우주에 시작이 있다는 뜻이지요.
오늘날 우리는 우주가 약 138억 년 전에 탄생했다는 것을 알고 있습니다. 빛의 속도는 유한하며, 100광년 떨어진 별에서 지금의 지구에 도달한 빛은 100년 전에 방출된 빛입니다. 우주가 탄생한 약 138억 년 전부터 지금까지 빛이 도달할 수 있는 거리 이내에 있는 별의 빛만 관측할 수 있는 것이지요. 우주가 무한한지 아닌지는 접어두고서라도, 적어도 우리가 볼 수 있는 우주의 크기는 유한하다는 말입니다.
그렇다면 시간이 지날수록 밤하늘은 점점 더 밝아질까요? 우주가 팽창한다는 사실을 무시하면 더 먼 별에서 오는 빛이 늘어나기 때문에 그렇게 되겠지요. 전체적으로 볼 때 적색편이의 효과는 적으므로, 단순하게 생각하면 시간이 지날수록 밝아진다고 볼 수 있습니다. 하지만 시간이 더 흐르면 이번에는 가까이 보이는 별들이 다 타버리기 때문에 어두워질 겁니다.
<우주에는 한계가 있다는 증거>에서

태양보다 질량이 훨씬 무거운 별은 자기 중력을 견디지 못해 붕괴하고, 그로 인해 결국 폭발합니다. 이것이 ‘초신성 폭발’입니다. 폭발이 일어나면서 철과 탄소 등의 원소가 방출됩니다. 또한 초신성 폭발 순간에는 에너지가 엄청나기 때문에 철보다 무거운 금이나 은, 백금 같은 원소가 만들어집니다. 이러한 초신성 폭발로 인해 우주 공간은 다양한 원소들로 가득 차게 되었습니다.
지구가 존재할 수 있는 것도 초신성 폭발 덕분이라고 할 수 있습니다. 태양보다 훨씬 무거운 별이 일생의 마지막 단계에 폭발을 일으켜 탄소 등의 원소들을 우주에 흩뿌린 덕분에 그것이 다시 모여 지구를 형성하게 된 것입니다.
우리 몸을 구성하는 탄소도 한때 어느 별 속에 있었을 것입니다. 그렇지 않다면 우주 공간에 탄소가 없었을 테니까요. ‘우리는 별들로 이루어져 있다’라는 말이 있는데, 사실 그렇습니다. 우리 몸속의 탄소가 ‘수백억 년 전에는 어떤 별 속에 있었다’라는 사실을 기억하고 있다고 상상해 보는 것도 재미있지 않을까요?
<“우리는 별들로부터 만들어졌다”>에서

방사성 원소가 방출하는 방사선을 감지하면 독가스가 나오도록 설정한 상자입니다. 이 상자에 고양이를 넣습니다. 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 살았는지 죽었는지 알 수 없습니다. 이 장치를 설치한 다음 일정 시간이 지났을 때 방사성 원소가 붕괴될 확률, 즉 독가스가 나올 확률이 50%라고 가정해 봅시다.
인간이 보는 순간 하나의 결과로 결정되고, 보지 않으면 여러 결과가 중첩된 상태라면 상자를 열어보기 전까지는 고양이의 생사도 아직 정해지지 않은 상태라는 말이 됩니다. 고양이는 살아 있는 상태와 죽은 상태가 중첩되어 있다가 상자를 여는 순간 하나의 상태로 결정되는 것입니다.
사실 슈뢰딩거는 이를 통해 “그런 우스꽝스러운 일이 있을 수 있는가?”라는 말을 하고 싶었던 것입니다. 우리의 상식에 비추어 생각해 보면 그런 일은 있을 수 없습니다. 상자를 열어보지 않더라도 고양이는 죽었거나 살아 있거나 둘 중 하나이지요. 고양이가 살아 있으면서 동시에 죽어 있다니요! 하지만 양자역학의 해석에 따르면 가능합니다.
<상자 안의 고양이가 살아 있으면서 죽어 있다니?>에서