과학 오디세이 : 유니버스

과학 오디세이 : 유니버스 - 우주.물질 그리고 시공간 ㅣ 과학오디세이
안중호 지음 / Mid(엠아이디) / 2021년 1월

세상 모든 것이 궁금한 과학자의 지적 여정

MID에서 출판한 안동대학교 안중호 명예교수님은 성균관대학교 금속공학과를 졸업하고 벨기에 루벵대하교 금속물리연구소에서 석사, 박사 학위를 받았다. 현재 안동대학교 나노 신소재, 초전도체, 에너지 소재 분야에 160편의 학술논문 및 230편의 학술발표를 했다. (책 날개 중)

이번에 대중을 위한 교양 과학도서인 과학오디세이 <유니버스>는 세 가지 주제를 다루고 있다. 우주, 물질 그리고 시공간에 현재 과학계에 이룩한 업적을 알아보자.

우주에 관해서는 먼저 하늘에 보이는 별에서 출발해 태양계는 어디까지인지 태양계 너머 무엇이 있는지 현재까지 과학이 밝혀낸 최신 논문을 기반으로 소개한다.

저자는 지금까지 논문 발표에 주력했지만, 이번 교양과학서 <유니버스>는 자칫 어려울 수 있는 개념을 최대한 쉽게 이해할 수 있도록 일상생활의 예를 들어 설명한다. 대중을 위해 쉽게 설명하려는 저자의 노력이 곳곳에 보이지만 부족한 내 지식에 더 많이 이해하기 위해서는 몇 번 다시 읽어보고 다른 책도 찾아보기로 했다.

일례로 우리와 이웃하는 별을 소개하는 장면에서 광화문 광장 앞에서 샤프 심으로 찍은 점의 반이 지구라고 가정하면 우리와 가장 이웃하는 별은 일본의 톳토리현에 이른다고 한다.

태양계를 넘어서는 끝없는 우주의 크기에 관한 설명이 이어진다.

우주는 얼마나 큰 것일까?

정답은 아직은 모른다. 우주는 팽창하고 있어 흔히 생각하듯 공간이 확장되는 개념이 아니라 바탕이 팽창되고 있다. 마치 운동장의 크기를 재는 고무줄을 가지고 측정하는 것과 비슷하다. 거리를 측정할 때도 서로 변화하면 움직이는 거리(공변거리)를 사용한다. 우리가 관측 가능한 우주 공간의 크기는 초속 100만 km의 속도로 커지고 있다.

시간과 공간의 개념을 먼저 정의해야 하지만 시간을 설명하는 빛의 속도는 우주의 크기를 측정하기에는 왜곡될 수 있는 단위이다. 공간의 개념도 우주는 팽창하고 있기에 현재 우리가 관측할 수 있는 우주의 크기의 지름은 930억 광년의 지름을 가지는 것으로 여겨지고 이를 넘어서는 우주가 존재할 수 있다고 한다. 도대체 우주는 얼마나 큰 것일까?

우주의 나이는 과거 140억 년 정도로 추정했는데 2015년 유럽우주국의 플랑크 탐사위성으로부터 얻은 갑은 137억 9,000만 +-2,100만 년이라고 한다. 우주의 나이도 이렇게 정밀하게 측정하는 걸 보면 최근 수십 년 동안 얼마나 많은 과학 발전이 있었는지 짐작할 수 있다.

태양계는 현재 태양 1개, 행성 8개 왜행성 5개, 자연위성 575개, 소형 태양계 물체 796,354개 혜성 4,143개이다. (2019년 8월 말 기준) (45쪽)

태양계를 포괄하는 개념인 우리은하, 은하계, 은하단, 초은하단 확인되고 있어 우주의 크기는 계속해서 더 크게 확인되고 있다.

현재 발견되고 있는 가장 큰 우주 구조는 2013년 헝가리와 미국의 연구진이 주장한 헤라클레스자리-북쪽 왕관자리 장성이다. 길이가 무려 100억 광년이라고 한다. 막연히 우주는 크다고 알고 있었지만, 책을 읽는 동안 우주의 크기에 대한 개념 설명을 들어도 검은 하늘 뒷면에 팽창하고 있는 우주의 거대함에 깜짝 놀랄 수밖에 없었다.

이런 거대한 우주를 개념화하고 연구 및 발견한 아인슈타인, 허블, 르메트르와 같은 과학자의 노력과 집념에 경의를 느끼게 되었다.

양자역학은 무엇인가?

양자역학은 소립자들의 운동과 상호작용을 연구하는 분야이다.

세상의 근원을 묻는 질문은 거시세계인 우주, 그리고 미시세계인 물질이 무엇이냐는 두 가지로 축약될 수 있다. 지난 세기 이래 현대물리학의 양대 기둥을 이루고 있는 상대성이론과 양자역학도 이 두 주제를 다루고 있다. 우주를 비롯해 눈에 보이는 큰 세계를 다룬 상대성이론과 달리 양자역학은 극미세계를 설명하고자 한다. (181쪽)

인류는 오래 전부터 물질이 무엇으로 이루어졌을지 궁금했다. 도양은 나무, 불, 흙, 금속, 물의 다섯 가지고 설명했고, 그리스 철학자 엠페도클레스는 불, 공기, 흙, 물로 이루어졌다고 주장했다.

'쪼갤 수 없다'는 원자의 개념은 18세기 프랑스의 앙투안 라부아지에와 영국의 존 돌턴에 의해 개념화되고, 20세기 초에는 원자의 구성입자인 전자와 원자핵, 그리고 중성자가 발견되었다. 1960년대에는 양성자와 중성자도 더 작은 쿼크라는 입자로 되었음이 밝혀졌다.

양자역학은 1900년 막스 플랑크가 독일 물리학회에서 흑체복사에 대한 연구결과를 발표하면서 문을 열었다. 이러한 흑체복사 현상을 본격적으로 연구한 과학자는 플랑크의 스승이었던 키르히호프였다.

플랑크 식이 가지는 의미를 정확히 깨달은 인물은 아인슈타인이였다. 1905년 <물리학 연보>에 특수상대성이론을 비롯해 물리학사에 남을 다른 주제의 논문을 4편이나 발표했다. 그중 첫 번째가 광전효과에 관한 논문이다. 광전효과는 금속판에 빛을 쬐면 전자가 튀어나오는 현상이고 이는 당시 대부분 과학자가 지지했던 빛의 파동설로는 설명할 수 없었다. 이에 아인슈타인은 빛이 불연속적인 덩어리 성질을 띠고 있다고 제안했다. 아인슈타인의 광양자 설을 반대자 중 한 사람인 시카고대학의 밀리컨은 아인슈타인의 잘못을 밝히기 위해 광전효과에 대한 정밀한 실험을 반복했고 그는 역설적으로 광전효과를 입증하는 결정적인 실험 결과를 얻었다.

이후 구성입자에 대한 지식은 급속히 진전되었다. 플랑크의 양자가설, 아인슈타인의 광양자설, 전자와 원자핵의 발견, 드 브로이의 물질파, 보어와 좀머벨트의 원자모형, 파울리의 베타원리로 이어졌다.

원자 속 전자가 특정한 조건에서 잠깐 나타날 뿐 항상 연속적으로 존재하는 것은 아니며 그것이 양자 도약이라는 논문을 발표한 사람은 하이젠베르크였다.

하이젠베르크와 더불어 양자역학을 서술하는 중요한 식인 슈뢰딩거 파동방정식은 불륜 속에서 태어났다고 한다. 슈뢰딩거의 파동방정식은 양자화학, 고체물리학, 양자광학 등에서 광범위하게 사용된다.

이후 보어는 양자얽힘의 개념으로 양자역학을 설명합니다. 반대 측의 슈뢰딩거와 아인슈타인이 있었다. 슈뢰딩거의 고양이 실험과 아인슈타인과 다른 과학자의 이름을 딴 ERP 역설로 보어 측이 설명한 양자얽힘과 불확정성의 원리가 서로 충동하여 양자역학은 불완전하다는 논리를 펼친다. 아인슈타인과 보어의 이론을 절충하는 이론을 내놓은 사람은 데이비드 봄이다.

이후 수많은 과학자는 빛과 전자를 성공적으로 다룬 QED(양자전기역학)의 연장선에 있는 소립자들을 작기 다른 여러 개의 양자장으로 설명하고 있다. 이것을 종합한 결과가 표준모형이다. 현시점에서 소립자들을 설명하는 가장 앞선 이론인 표준모형은 완벽하지는 않지만, 물리학 역사상 가장 정밀하고 성공적인 이론으로 평가받고 있다.

이 책은 칼 세이건의 '코스모스', 데이비드 보더니스의 'E=mc2', 브라이언 그린의 '엘리컨트 유니버스'와 같은 과학을 설명하는 필독서로 불릴만하다. 이러한 우주관, 양자역학, 끈이론을 저자는 대중을 위해 친절하게 소개한다.

과학에 관심을 가진 분이라면 이 책과 더불어 인간, 생명, 마음을 다루는 과학오디에이 <라이프>도 같이 일독해보길 추천한다.

경이로운 우주와 만물을 향한 과학의 여정이라는 점에서 <유니버스>는 과학 필독서가 될 것이다.

- 이 글은 출판사에서 도서를 지원받아 작성하였습니다.

#유니버스 #안중호 #MID #엠아이디 #우주 #물질 #시공간 #책과콩나무