[2019-048] 우주를 계산하다

우주를 계산하다 - 광대한 우주가 건네는 수학적 사고로의 초대
이언 스튜어트 지음, 이충호 옮김 / 흐름출판 / 2019년 1월

제목 : 우주를 계산하다

작가 : 이언 스튜어트

번역 : 이충호

출판사 : 흐름출판

읽은날 : 2019/07/08 - 2019/08/29

분류 : 일반

제목이 멋져서 샀다가 머리 터진 케이스

처음에는 정말 재미있었다. 우주의 행성들의 위치를 계산해내고 그렇게 계산하면서 맞지 않는 부분을 역산출해서 해왕성을 찾고, 소행성대를 찾아내는 이야기는 정말 매혹적이었다.

그러나 딱 거기까지였다.

그 이후 나오는 양자역학과 수많은 우주선들의 계산이야기는 내 두뇌의 한계를 넘어갔다.

읽어도 읽어도 이해되지 않고 머릿속만 복잡해진다.

도대체 이런 책은 누가 읽는 걸까? 이런 생각을 하면서도 끝까지 읽고 있는 내 모습도 너무 웃긴다.

수학을 잘하면서 우주에 대해 관심있는 사람들은 정말 재미있을 것 같다. 

그러나 수학을 잘 모르면서, 특히 양자역학에 대한 기본 이해가 없으면서 수학도 잘 모르는 나같은 사람에게는 약간의 도움이 된다.

그래도 빅뱅이론이 주류의 우주론이긴 하지만 생각보다 공격을 많이 받고 있다는 사실 하나만 알아도 이 두꺼운 책을 읽은 보람은 있다. 

P5 1687년에 출간된 뉴턴의 자연찰학의 수학적 원리는 만유인력의 법칙을 기술했고, 물체에 힘을 가했을 때 어떻게 움직이는가를 정확하게 묘사하는 운동 법칙 세 개를 정립했다 

p15 지구에 존재하는 물의 양은 지구와 태양 사이의 거리가 지금과 같은 상태에서 지구가 탄생했따고 가정할 경우 있어야 할 양보다 더 많다. 그렇다면 여분의 물은 어디에서 왔을까? 

p16 필라이호가 분석한 결과에 따르면 67P 혜성은 지구에 비해 중수소 비율이 훨씬 높다. 확실한 결론을 내리려면 다른 혜성들에서 추가 데이터를 얻어야 하지만 지구의 바다가 혜성때문에 생겼다는 가설은 그 기반이 흔들리고 있다. 오히려 소행성이 더 나은 후보로 보인다 

p26 빅뱅 이론은 우주가 먼 과거의 어느 시점(약138억년 전)에 한 점에서 일종의 거대한 폭발로 탄생했다고 주장한다. 하지만 폭발한 것은 시공간 안에 있는 어떤 것이 아니라 시공간 그 자체였다 

p27 대부분의 우주론자들은 빅뱅 이론을 받아들이지만, 이 세 가지 추가 사항(암흑 물질, 인플레이션, 암흑 에너지)이 필요하다는 조건을 단다 

p31 달은 영원히 아래로 떨어지면서도 지구 주위를 빙빙 돌며 지구와 충돌하지 않는 것이다 

p36 고대 그리스인은 길을 잃고 방황하는 이 별들을 헤르메스, 아프로디테, 아레스, 제우스, 크로노스와 연결지었다 

p40 50여 차례나 실패를 거듭한 끝에 화성의 궤도가 타원이라는 사실을 알아냈다 

p43 뉴턴은 그 힘의 세기가 거리의 제곱에 반비례한다는 사실을 증명했다 

p46 속도는 위치의 변화율이고, 가속도는 속도의 변화율이다 

p52 물체가 광속에 가까워지면, 그 물체는 운동 방향쪽으로 길이가 짧아지고, 질량이 증가하며, 시간이 더 느리게 흐른다. 광속에 이르면, 물체는 길이가 무한히 짧아지고, 질량이 무한대에 이르며, 시간은 정지할 것이다 

p54 일반 상대성 이론에서는 시간이 느려지는 것을 포함해 온갖 기묘한 효과들이 나타난다 

p55 당신의 위치를 계산하는 자동차의 칩은 두 가지 효과를 고려해 그 시간을 보정해야 하는데, 그 두 가지는 인공위성이 움직이는 속도와 지구의 중력 우물에서 인공위성이 있는 위치이다. 첫 번째는 특수 상대성 이론이 필요하고, 두 번째는 일반 상대성 이론이 필요하다 

p61 운동량 보존 법칙은 외부의 힘이 작용하지 않을 때에만 성립한다. 즉, 외부의 간섭이 없어야 한다는 뜻이다 따라서 물체가 운동량을 새로 얻을 방법이 있다. 외부에서 힘을 받으면 되는 것이다 

p63 그 동역학에는 논리적 문제가 전혀 없다. 그저 처음에 이 모든 것이 어떻게 시작되었느냐 하는 문제만 남아 있을 뿐이다 

p78 지구에 대한 달의 상대적 크기가 너무 커서 지구와 달을 때로는 이중 행성이라고 부르기도 한다 

p82 천문학자들은 트리톤이 근처를 지나가다가 해왕성에 붙들려 위성이 되었다고 생각한다. 트리톤은 원래 해왕성 궤도 너머에서 태양 주위를 도는 작은 천체들의 집단이 카이퍼대 천체였다 

p99 우리는 지금 풍요의 딜레마에 직면했다. 즉, 주요 증거와 잘 일치하는 거대 충돌 가설을 여러 개 손에 쥐고 있는 상황이다 

P101 두 거대 기체 행성은 5:2 공명에 가까운 상태에 있다. 즉, 목성이 태양 주위를 다섯 바퀴 도는 동안 토성은 두바퀴를 돈다 

p101 태양계에 대해 더 많은 것을 알수록 태양계는 시계 장치에서 점점 더 벗어나는 것으로 보였으며, 대신에 대개는 반듯한 행동을 보이지만 가끔은 완전히 미친 듯한 행동을 보이는 약간 기묘한 구조처럼 보였다.  

p106 이러한 변경을 부분적으로 보완하기 위해 케레스가 소행성에서 왜행성으로 격상되었다 

p118 해왕성의 발견은 천체역학이 거둔 개가였다. 이제 수학이 단지 알려진 행성의 궤도를 성문화하는 데 그치지 않고, 알려지지 않은 행성의 존재까지 드러내기 시작했다 

P126 우리는 아직도 수성과 태양 사이에 아무 천체도 존재하지 않는지 확실히 알지 못한다. 다만 그런 천체가 있다면 그것은 아주 작을 것이다 

p127 티티우스-보데의 법칙에 따르면, 화성과 목성 사이에는 행성이 있어야 했지만, 실제로는 그런 것이 발견되지 않았다 

p130 가우스는 세 차례 이상의 관측 결과로부터 궤도를 유도하는 새 방법을 발명했는데, 오늘날 이것을 가우스 방법이라 부른다 

p156 꼬인 것처럼 보이는 고리, 기묘하게 꼬인 부분들이 있는 고리, 사이에 간극을 두고 별개의 호들로 이루어진 불완전한 고리 등이 발견되었다 

p160 만약 얇은 고리가 두 작은 위성 사이에 끼이면, 이 효과들이 함께 작용해 고리를 두 위성의 궤도 사이에서 짜부라지게 만든다. 이것은 고리의 폭을 넓히려는 그 밖의 요인을 상쇄시킨다. 이런 위성들을 양치기 위성이라 부르는데, 마치 양치기가 양 떼를 안내하듯이 고리를 정해진 경로에서 이탈하지 못하게 하기 때문이다 

p167 해왕성의 위성인 트리톤은 해왕성 주위를 다른 위성들과는 반대 방향으로 도는데, 이것은 트리톤이 근처를 지나다가 해왕성에 붙들려 위성이 되었음을 시사한다 

p183 혜성 문제에서 핼리가 보여준 통찰은 케플러가 발견하고 뉴턴이 더 일반적으로 재해석한 수학적 패턴으로부터 도출한 최초의 위대한 천문학적 발견 중 하나였다 

p185 혜성에 꼬리가 발달하는 것도 태양에 가까워지면서 얼음이 승화, 즉 고체가 액체 상태를 거치지 않고 곧바로 기체로 변하기 때문이다 

p186 쌍곡선 궤도로 움직이는 천체는 아주 멀리서 날아와 태양을 돈 뒤에 태양과 충돌하지 않는다면 다시 우주 공간으로 멀어져 다시는 나타나지 않는다 

p192 이 발견에 따르면 초기 태양계는 이전에 생각했던 것만큼 격렬한 활동이 일어나지 않았던 것이 틀림없고, 그래서 고체 산소 알갱이들이 천천히 쌓이면서 화합물이 되는 운명을 피한 것으로 보인다 

p196 약 50AU 거리에 카이퍼대 천체의 수가 갑자기 급감하는 지점인 카이퍼대 절벽이 나타난다. 그 이유는 아직 설명되지 않았는데, 파트릭 리아카와는 발견되지 않은 큰 천체 때문이 아닐까 생각한다. 만약 이게 사실이라면 이 천체야말로 진정한 행성 X인 셈이다 

p203 태양계는 거대한 시계 장치 기계이기는 커녕 행성들을 상대로 룰렛 게임을 벌인다 

p204 카오스 계는 일종의 단기 기억을 갖고 있다. 지금 일어나는 일은 잠시 후의 미래에 일어날 일에 대해 힌트를 준다 

p206 수학자들은 이 효과를 초기 조건에 민감한 의존성이라 부른다 

p207 이 성가신 효과를 우회하기 위해 현재 기상학자들이 사용하는 방법은 초기 조건에 무작위로 미소한 변화를 주어 많은 시뮬레이션을 해보고, 그 결과를 사용해 각각의 예측 확률이 어느 정도 될지 계량화하는 것이다. 천둥과 번개를 동반한 비가 쏟아질 확률이 20%라고 하는 것은 바로 이런 의미이다 

p219 라그랑주까지 거슬러 올라가는 수학은 세차 운동을 특정 종류의 대칭(똑같은 2개의 관성축)을 가진 물체에 나타나는 전형적인 동역학이라고 설명한다 

p222 이 K/T 멸종은 지구의 역사에서 엄청나게 많은 종이 지질학적 기준에서는 눈 깜짝할 사이에 사라진 대여섯 번의 대멸종 사건 중 하나이다 

p227 기본적으로 3:1 커크우드 간극에서 궤도를 돌려고 시도하는 소행성은 카오스에 뒤흔들려 화성으로 밀려가고, 그러면 화성은 소행성을 걷어차 다른 데로 보낸다. 목성이 코너킥을 차고, 화성을 골을 넣는다. 그리고 가끔... 진짜로 아주 가끔... 화성이 그것을 우리가 있는 쪽으로 차 보낸다. 그리고 화성이 걷어찬 그것이 우연히 정확하게 표적에 꽂힌다. 화성이 1점을 얻고, 골을 먹은 공룡은 멸종한다 

p236 로제타호가 사용한 주요 동역학적 마술은 새총 효과였다. 로제타호는 행성들과의 반복적인 조우를 제외한다면 사실상 일련의 호만타원들을 따라 나아갔다 

p255 새로운 과학 분야의 초기 발전 단계는 나비 채집과 비슷하다. 잡을 수 있는 것은 모두 다 잡아 표본을 합리적인 방식으로 분류하려고 노력한다 

p266 기본적으로 초신성은 어마어마한 규모로 일어나는 핵폭탄 폭발인데, 초신성 폭발이 일어날 때 방출되는 빛은 한 은하 전체를 압도할 정도로 강하다 

p270 미세 조정 가설은 우주가 생물이 살아가기에 알맞도록 아주 정교하게 미세 조정되어 있다는 개념이다. 이것에 대해서는 19장에서 다시 자세히 다루기로 하겠다. 어쨌든 요지는 탄소가 없으면, 우리는 여기에 존재하지 않으리란 것이다 

P288 허블은 은하에 특별한 관심을 기울였고, 그 모양을 바탕으로 은하 분류 체계를 만들었는데, 은하들을 크게 네 집단으로 나누었다. 타원은하, 나선 은하, 막대 나선 은하, 불규칙 은하가 그것이다 

p306 우리는 뚱뚱한 남자의 몸이 흔들리는 정도를 보고서 그 주위를 도는 아이의 존재를 추정할 수 있다. 이 방법은 행성이 여럿 있는 경우에도 효과가 있다 

p310 항성면 통과 방법으로 얻은 결과를 수학적으로 분석하면 행성의 크기와 질량, 공전 주기에 관한 정보를 알 수 있다. 때로는 행성에 반사된 빛을 별의 스펙트럼과 비교하여 행성 대기의 화학적 조성까지도 알 수 있다 

p327 흔히 생명에는 물이 필수적이록 생각하지만, 우주생물학자들은 원리적으로는 생명체 비슷한 계는 물이 없어도 존재할 수 있다는 사실을 입증했다 

P337 지구의 탈출 속도는 초속 11.2km이다. 다른 천체가 없고 공기 저항을 무시한다면, 이 속도는 지구를 영원히 탈출할 만큼 충분히 큰 추진력을 제공한다 

p341 수리물리학에서 흔히 느끼는 즐거움 중 하나는 방정식을 발견한 사람보다 그 방정식이 더 많은 것을 아는 것처럼 보인다는 데 있다 

p351 블랙홀 속으로 들어가는 우주선에 대해 논의할 때, 우리는 우주선을 타고 있는 사람의 관점과 블랙홀 바깥쪽에서 바라보는 관점에 따라 이 과정이 서로 아주 다르게 보인다는 사실을 보았다 

p359 다른 별은 오직 방출되는 전파만으로 확인할 수 있는데, 질량이 태양의 약 15배에 이르지만 밀도가 아주 높아 정상적인 종류의 별은 아닌 것으로 보인다. 추정 질량이 톨먼-오펜하이머-볼코프 한계를 넘어서기 때문에 이 천체는 중성자별이 아니다. 이 증거 때문에 이 천체는 최초의 유력한 블랙홀 후보가 되었다 

p375 현재 우주의 나이는 138억 년에 불과한 것으로 추정되고 있다. 나머지 319억 광년은 우주의 팽창으로 설명되지만, 이 문제는 다음 장에서 다시 자세히 다룰 것이다 

p383 메트릭은 전체 기하학이 아니라 국지적 기하학만 결정할 뿐이다. 이러한 구분은 일반 상대성 이론에도 동일한 의미를 지니며 적용된다 

p386 WMAP의 데이터는 요동의 크기에는 한계가 있다는 것을 보여주었는데, 이것은 유한 우주를 시사하는 결과였다 

p400 은하들이 서로 멀어지는 것은 고정된 공간에서 은하들이 서로 반대 방향으로 이동하기 때문이 아니라, 은하들 사이에 공간이 더 생겨나기 때문이다 

p401 우리가 보는 이 먼 은하들의 빛은 지금 거기서 나온 빛이 아니다. 그 은하들이 더 가까이 있을 때 나온 빛이다 

p408 원래 빅뱅 이론이 지닌 그 밖의 결함들 때문에 우주론자들은 두가지 가정을 추가하게 되었다 

p418 2005년에 대안을 모색하기 위해 열린 회의에서 에릭 러너는 "빅뱅 이론의 예측은 일관되게 틀렸고, 일이 터진 뒤에야 수정되고 있다"라고 말했다 

p423 반면에 이러한 사건들은 실제 과학이 굴러가는 모습을 있는 그대로 보여준다. 만약 실수를 허용하지 않는다면, 아무런 진전도 일어나지 않을 것이다. 이 사건은 또한 새로운 증거가 나타나거나 낡은 증거가 틀렸다는 것이 밝혀지면 과학자들이 기꺼이 '마음을 바꾸려는' 태도를 잘 보여준다 

p425 하지만 뉴턴의 중력 법칙과 아인슈타인 중력 법칙은 은하 바깥쪽에서는 회전 속도가 느려져야 한다고 말한다 

p427 관측한 회전 속도를 사용해 질량을 계산하면, 가시 반지름 너머에 상당히 많은 양의 질량이 존재해야 한다는 결과를 얻는다. 천문학자들은 틀렸을 리가 없는 케플러의 방정식을 구하기 위해 관측되지 않은 암측 물질이 상당량 존재한다고 가정하지 않을 수 없었다 

p438 수정 뉴턴 역학 아니면 암흑 물질, 오직 이 두 가지 가능성밖에 없다고 생각하는 경향이 있다. 하지만 우리의 중력 이론은 신성한 텍스트가 아니며, 그것을 수정할 수 있는 방법은 아주 많다 

p456 무작위적 우주를 충분히 많이 만든다면, 적어도 그중 한곳에서 생명이 틀림없이 나타날 것이다 

p478 푸앵카레 자신은 위상수학의 초기 발전에 중요한 역할을 했다. 위상수학은 매우 유연한 기하학이다 

p479 처음에는 완전한 답처럼 보였던 것이 추가 데이터가 나오면서 무너지기 시작했고, 그 결과로 인플레이션과 암흑물질, 암흑 에너지라는 세 가지 추가 가정이 필요하게 되었다 

p482 즐거움은 바로 그것을 알아내는 데 있다