뉴턴에서 아인슈타인, 양자역학에서 끈이론까지

우주의 구조 - 시간과 공간, 그 근원을 찾아서
브라이언 그린 지음, 박병철 옮김 / 승산 / 2005년 6월

     이 책의 리뷰를 어떤 식으로 써야 할지 모르겠다. 벌써 몇 년 전에 갑자기 어디신가 듣고 ‘끈 이론’에 관해 궁금해졌고, 이웃 블로거님에게 도움을 요청했다. 그러자 이 책을 추천을 받았고, 그렇게 구입한 뒤 한참이 지나서야 첫 페이지를 열었다.(가끔은 이런 식으로 우연히 읽게 되는 책들이 있다.)

     후주를 빼고도 700여 페이지에 달하는 이 두꺼운 책은, 일반인들이 읽을 만한 교양서적이라고는 하지만 자세히 읽다보면 꽤나 어려운 내용들이 잔뜩 등장한다. 물론 애초부터 어려운 내용은 도무지 쉽게 설명할 수 없는 거니까. 그래도 저자는 최대한 수식을 잔뜩 늘어놓는 식의 설명을 지양하고 다양한 비유와 예화들을 사용하면서 이해를 돕고자 하고 있으니 감사해야 할까.

     책은 우리가 흔히 알고 있는 뉴턴의 고전물리학으로 시작한다. 세상의 모든 것에는 고정된 ‘값’이 있고, 그 값들은 질서에 따라 작동한다는 고전물리학에는 안정성이 있었다. 그런데 이런 질서가 작동하는 장, 흔히 공간과 시간이라고 불리는 것의 본질에 관한 의문이 생겼다. 시간과 공간은 절대적으로 주어지는 무대이고 그 위에 물리학의 법칙이 춤을 추는 것인가, 아니면 그 자체도 춤을 추는 댄서인가.

     아인슈타인이 상대성원리를 발표하면서 고전물리학의 관점에는 큰 변화가 생긴다. 이제까지 고정되어 있는 것으로 여겨지던 요소들이 ‘상대적’이라는 것이 밝혀진 것이다. 예컨대 속도만 하더라도 관측자의 상태(어디에 서 있는지, 얼마나 빨리, 어느 방향으로 움직이고 있는지)에 따라 다르게 측정된다. 아인슈타인은 심지어 시간마저도 관측자의 상태에 따라 다르게 흐른다는 것을 밝혀낸다. 예컨대 더 빠르게 움직이는 사람의 시간이 그렇지 않은 사람에 비해 늦게 흐른다.

     그런데 이런 물리학계에 또 다른 큰 돌이 하나 던져지면서 엄청난 파장을 일으킨다. 바로 양자역학이다. 우리 눈으로 직접 볼 수 없는, 엄청나게 작은 세계인 양자들의 세계에서는 앞서 발견한 일체의 물리학의 법칙들이 적용되지 않는 것처럼 보였다. 심지어 어떤 것이 입자인지 파동인지 조차 결정할 수 없다니 말이다. 하지만 이 이론은 상당히 많은 문제들을 설명하는 데 성공을 했고, 오늘날은 정설로 받아들여진다.

     그러면 이제 양자역학으로 모든 것이 끝났나 싶지만 아니었다. 양자역학은 미시세계를 설명하는 데 아주 효과적이었지만, 항성과 별의 세계인 거시세계를 설명해주는 상대성이론과 썩 맞아떨어지지 않았다. 그리고 여기에서 ‘끈 이론’이 등장한다. 기본적으로 상대성이론에서는 모든 것의 기본단위를 일종의 입자로 취급한다. 반면 양자역학에서는 입자의 특성도, 파동의 특성도 함께 가지고 있다고 본다. 끈 이론은 이것을 ‘아주 작은 끈’이라고 본다. 직관적으로 보면 충분히 작은 끈은 입자이기도 하고, 그것이 떨리면서 파동적 특성을 가지고 있는 것처럼 보이기도 하니 재미있는 발상이다.

     하지만 이 이론을 발전시키는 과정에서 한 가지 변수가 발생한다. 우주는 우리가 흔히 생각하는 3차원의 공간이 아니라 여분의 차원들이 숨겨져 있다는 것이다. 처음에는 한두 개의 차원을 추가하던 이론들은 최종적으로 10차원(+시간=11차원) 까지 언급하기에 이른다. 사실 여기까지 오면 이제 우리의 직관에서 너무나 멀어져서 당장에 받아들이기가 어렵지만, 일단 빠져버린 물리학자들의 계산은 신나게 진행된다.

     여기까지 단숨에 설명을 마친 저자는 책 말미에는 조금 가벼운 이야기들을 던진다. 순간이동과 과거로 가는 타임머신이 가능할 것인가, 그리고 이 우주는 홀로그램인가 하는 주제들. 사실 나 같은 보통 사람의 경우 이쪽이 좀 더 솔깃한 이야기겠지만, 앞서 우리의 우주가 진동하는 끈들로 구성되어 있고, 우리 세계가 수많은 차원들로 이루어져있다는(심지어 여분의 차원들은 ‘말려들어가 있다는’) 말이 훨씬 더 기발하게 느껴지지 않는가?

     책의 후반에 소개되는 여러 이론들은 아직 실험이나 관찰로 검증되지 않은 가설들이다.(물론 저자는 그 신빙성을 상당히 높게 보고 있다) 그리고 어떤 것들은 기술이 발달하더라도 이론적으로 관찰이 불가능할 수도 있다고 한다.(이렇게 솔직하게?) 우리가 너무 당연하게 여기고 있는 시간과 공간이라는 것이 절대적이지 않을 수 있다는 생각을 어떻게 할 수 있었을까?

     최첨단의 물리학으로도 여전히 우주의 기원에 관해서는 가설적 단계에 머물고 있다. 앞서 설명한 이론들이 언제가 좀 더 정교하게 완성될 수도 있겠지만, 여전히 우주의 구조에 관해서 어떤 ‘전제’를 두고 연구를 해간다는 느낌이다. 언젠가 그 전제에 관해서도 논의가 이루어지지 않을까.

     저자에 따르면 우주는 매우 우발적으로 발생한 것처럼 보인다. 그런 우발적인 우주가, (이 책에 수도 없이 등장하는) 정교한 수학적 구조로 짜여있는 것처럼 보이는 건 무엇보다 신기한 일이다.(시공간의 절대성도 부정되는 상황에서 이런 수학적 구조가 ‘그냥 그런 것’이라는 설명은 어울리지 않을 것 같다) 그리고 이 우발적인 우주에서 나타난 인간의 지성이 보여주는 정교한 능력은 또 약간 어울리지 않는 타일조각 같기도 하고.(이쪽은 C. S. 루이스의 질문이다)

     쉽지는 않았지만, 꽤 재미있게 읽었다. 물론 전형적인 문과인 나로서는, 책의 상당부분을 그저 ‘읽었을’ 뿐이지만, 주제의 전개 자체는 상당히 흥미로왔다.