-
-
인피니티 - 만화로 배우는 우주와 블랙홀의 비밀 ㅣ 한빛비즈 교양툰 17
로랑 셰페르 지음, 이정은 옮김, 과포화된 과학드립 물리학 연구회 감수 / 한빛비즈 / 2022년 6월
평점 :
무한호텔에 대한 이야기를 아는가? 이 호텔엔 룸이 '무한 개'나 있어서 무한호텔이라고 부른다. 그렇다면 상식적으로 이 호텔에 투숙할 수 있는 손님은 몇 명이겠는가? 답은 '무한 명'이다. 셀 수도 없이 많은 손님을 투숙할 수 있고, 룸도 무한히 많다. 그런데 말이다. 이 호텔에 '새로운 투숙객'이 찾아와서 빈 방을 달라고 하면 언제든 받을 수 있을까? 무한 개의 룸에 무한 명의 투숙객이 있다고 가정한다면 말이다. 수학적으로는 [∞+∞=∞]이기 때문에 당연히 가능할 것이다. 그런데 물리적으로 방은 끝없이 이어지기 때문에 차례대로 무한 명의 손님을 받고 순서대로 1번방부터 키를 배급해준다고 하면 '무한 번째 방'은 걷고 또 걷고 빛의 속도로 달려가도 '무한 번째 방'에 도달할 수 없기 때문에 '불가능해' 보인다. 그렇다면 무한호텔에서는 어떻게 매번 새로운 투숙객을 받을 수 있는 것일까?
정답은 의외로 간단하다. [∞+1=∞]이기 때문에 1번방의 손님에게는 2번방으로 옮기라고 방송을 하고, 2번방의 손님에겐 3번방으로 옮기라고 하는 식으로, 'n번방의 손님에게 (n+1)번방으로 옮기라'는 방송을 하면서 '새로운 손님'에게는 늘 1번방으로 안내하면 된다. 이것이 바로 '무한호텔의 영업비밀'이다. 이제 머리속에서 대충이나마 '무한에 대한 개념'을 잡으셨다면, 이 책을 읽어도 무방할 것이다.
이 책은 크게 '우주의 무한'과 '양자의 무한'에 대한 상상실험을 주요 내용으로 전개하고 있다. 끝없이 펼쳐진 우주와 꼭 닮은 세계가 바로 무한히 작은 양자(미립자)의 세계라는 명백한 사실을 두고 펼쳐내는 '현대물리학의 최전선'을 소개하고 있다는 얘기다. '최전선'이라고 하니까 살벌하고 잔혹한 전장을 떠올리는 분들도 계실테지만, 뭐 틀린 말은 아니다. 무한의 개념으로 바라본 우주와 양자의 세계는 생각하기에 따라서 '극한의 환경'과 다를 것이 없기 때문이다. 먼저, 우주부터 바라보자.
우주라고 해서 광활한 우주공간을 떠올릴 필요는 없다. 우주를 이해하기 위해서 먼저 '이해'하고 넘어가야 할 것이 바로 '시공간의 개념'이기 때문이다. 다시 말해, 아인슈타인의 상대성이론을 이해해야 한다는 말인데, 음...쉽게 설명하면, '공간'속을 빠르게 이동하면 '시간'은 느려지고, 반대로 '공간'속을 느리게 이동하면 '상대적'으로 시간은 빨라진다는 것이 '상대성이론의 핵심'이당. 더 쉽게 설명하면, 빛의 속도에서 '시간'은 멈추게 된다는 상식만 이해하면 된다. 그 반대로 정지된 속도에서 '시간'은 무한히 빨라지게 되고 말이다. 인간이 항성간 우주여행이 가능해진다면 이를 극명하게 증명할 수 있을텐데, 한마디로 빛의 속도에 가깝게 비행하는 우주선 안에 있는 우주인의 시간과 지구에 남겨진 가족의 시간은 다르게 흐르고, 우주여행을 마치고 지구로 돌아왔을 때 우주인의 시간이 '하루'가 지났다면 지구에 남겨진 가족에게는 '수백 년'이 흘러갔을 거라는 얘기다. 이렇게 공간을 지나는 속도가 달라지면 시간도 다르게 흐른다는 과학적 사실이 현대물리학에서는 명백하게 사실로 밝혀졌단다.
그렇다면 이런 '상대성이론'이 지구 안에서도 통용이 될까? 물론이다. 걸어서 출근하는 사람보다 지하철을 타고 출근하는 사람이 '시간'을 덜 소비하여 젊음을 유지할 수 있다. 굳이 따지자면 '0.1 나노초'만큼 젊다. 느리게 걷는 것보다 한 걸음이라도 빠르게 다니는 사람이 더욱 오래 젊음을 유지할 수 있는 비결이 되는 셈이다. 남들보다 하루에 만 보를 더 빠르게 걷는 사람은 그렇지 않은 사람보다 '0.000001초'만큼 젊어지는 셈이니 매일 만보를 빠르게 걷는 사람이 80년을 산다고 했을 때, 그러지 않은 사람보다 무려 0.0292초만큼 젊게 사는 셈이다. 한마디로 별 차이가 없다. 그럼에도 '상대성이론'은 정확하게 맞아 떨어지는 셈이다.
따라서 시간은 누구에게나 '다르게' 흐르지만 지구안에 사는 사람은 마치 '동시간대'에 사는 것처럼 느껴지기 마련이다. 하지만 우주로 나가면 다르다. 가장 빠른 빛의 속도(초속 30만킬로미터)로도 1년이 걸리는 '광년 단위'로 세는 우주에서 시간은 현저히 차이를 보이기 때문이다. 그래서 지구에서 관측하는 여러 곳의 우주는 마치 '서로 다른 시간'이 흐르는 것으로 보인다. 하지만 '같은 공간'에 있으면 큰 차이를 못느낀다. 마치 KTX를 바깥에서 바라본 사람은 KTX가 엄청나게 빠르게 지나가는 것을 보지만, KTX 안에 있는 승객은 제자리에 멈춰 있는 것처럼 보이는 것처럼 말이다.
그럼 반대로 '양자의 세계'에서는 어떤 일이 벌어질까? 결론부터 말하자면, 우주에서 벌어지는 무한과 비슷한 양상을 보인다. 우리 몸을 이루고 있는 '원자'를 하나하나 분리해서 보면, 양성자와 중성자, 그리고 전자로 이루어져 있기 때문이다. 우리 몸 뿐만 아니라 세상을 이루고 있는 모든 물질이 그렇다. 맨눈으로는 '볼 수 없는 작은 세상'에서 벌어지는 놀라운 광경은 이렇듯 '미립자'들로 이루어진 세계가 펼쳐진다. 그 작은 세상은 놀랍게도 '텅텅 빈 공간'이 펼쳐진다. 하나의 원자를 구성하고 있는 핵(양성자+중성자)과 전자 사이가 엄청나게 멀리 떨어져 있기 때문이다. 이해를 돕기 위해 원자를 '축구장'만하게 확대를 하면, 축구장 한 가운데 '골프공'을 놓고 '원자핵'이라고 가상을 한다면 먼지보다 작은 전자가 축구장의 나머지 공간을 구름처럼 돌아다닌다고 생각하면 된다.
그렇게나 텅빈 공간을 가지고 있는 '원자'들이 모여서 우리 몸과 모든 물질을 이루고 있는 것이다. 그런데 왜 저마다 서로 다른 성질을 띠고 있을까? 그건 원자속의 양성자가 전자를 하나를 얻거나 잃을 때마다 '전기(전자기) 현상'이 일어나기 때문이고, 그 전기적 반발력이 저마다 서로 다르기 때문에 원자마다 '다른 특성'을 띠게 되는 것이다. 그리고 그렇게나 상대적으로 넓고 '텅빈 공간'을 갖고 있음에도 탁자 위에 놓인 물컵이 스르륵 통과해서 떨어지지 않고, 물컵 안의 물이 물컵 아래로 흘러나가지 않는 것도 바로 이런 '전기현상' 때문이다.
그렇게나 '작은 세상'을 이루고 있는 미립자의 세계에서 '무한'은 어떤 의미를 갖고 있는 것일까? 놀랍게도 그건 '진공(공간)'이 펼쳐내는 마법을 관람할 수 있다. 원자(미립자)라고 하는 그 작은 공간에 엄청나게 큰 '텅빈 공간'이 있고, 그 '텅빈 공간'에서 '진공의 마법'이 펼쳐진다고 상상을 해보잔 말이다. 상상이 가는가? 그런데 더 놀라운 사실은 우리가 보통 '진공'이라고 표현할 때는 '아무 것도 없는 공간상태'를 말하지만, 미립자 안의 진공에서는 '우리가 알지 못하는 무엇'이 분명히 있다는 것이다.
이쯤해서 다시 우주로 돌아가보자. 우리는 우주에 대해서 얼마만큼 알고 있다고 생각하는가? 놀랍게도 별과 별 사이도 '텅텅 빈 공간'으로 꽉 차있다. 태양계 항성에서 가장 가까운 항성이 약 4광년 떨어져 있고, 태양이 속한 우리 은하와 가장 가까운 안드로메다 은하까지 250만 광년 떨어져 있다. 그럼 그 사이에는 무엇이 있을까? 놀랍게도 아무 것도 없다. '텅텅 빈 공간'이란 말이다. 그런데 그 텅텅 빈 공간에서 '무언가' 일어나고 있다는 것을 우리는 알고 있다. 무언지도 모르지만 분명 뭔가가 일어나고 있다는 말이다. 그 뭔가를 일으키는 물질을 우리는 '암흑물질'이라고 부른다. 응큼하고 음흉한 무엇이라서가 아니라 '아무 것도 모르기' 때문에 암흑이라 부르는 것이다.
다시 미립자의 세계에서도 똑같이 '진공' 상태에서 뭔가가 일어난다. 이것을 현대물리학자 가운데 천재라고 불리는 '리처드 파인만'이 '가상입자'를 통해서 진공의 비밀을 밝혀냈고, 그 비밀 덕분에 우리 일상에서 벌어지고 있는 모든 현상이 '진공에서 발생하는 요동'에서 비롯되었다는 사실을 밝혀낼 수 있었다. 물론, 관측할 수조차 없는 그 요동을 '무한의 개념'으로 이해한다면 말이다.
이처럼 현대물리학의 핵심은 '말이 안 되는 일'을 증명하고, '아무 것도 모르는 상태'속에서 무언가 일어나고 있음을 밝혀내는 것에 있다. 그래서 불편한 진실이지만 우리는 '무한'이라는 개념과 좀 더 친숙해질 수밖에 없다. 알아도 알 수 없고 알려해도 좀처럼 알 수 없는 '인피니티(무한)'를 조금이나마 이해하려는 노력이라도 해야 우리가 사는 세상을 조금 더 생생하게 느낄 수 있게 되는 것이다.
물론, 몰라도 살아가는데 아무런 지장이 없다. 하지만 궁금하긴 할 것이다. 새로 산 최신 스마트폰에 탑재된 '최신기능'이 있기는 한지 말이다. 굳이 몰라도 쓰는 데 아무런 지장이 없고, 신기능을 이해하려고 애를 쓸수록 복잡해서 쓰고 싶어지지 않게 되는 것이 바로 '인피니티(무한)' 때문이다. 현대물리학의 최신기술의 집합체인 스마트폰이 우리 손에 들려 있지만 그 '암흑'과도 같은 메뉴얼을 뒤적이며 일일이 찾아보지 않는 것처럼 말이다. 점점 두꺼워지던 그 메뉴얼이 요즘엔 사라졌다. 대신 스마트폰 속 어딘가에 탑재되어 있다. 우리 눈에 보이지 않는 '미립자'처럼 말이다. 어떤가 '무한(인피니티)'에 조금이나마 관심이 생겼는가? 그렇다면 이제 이 책을 읽을 준비가 다 된 셈이다. 재미나게 읽으시길 바란다. 분명 재밌다. 그것도 엄청나게 말이다.