물리학자의 눈에 비친 세상은 어떤 모습일까

아인슈타인과 논쟁을 벌여봅시다 - 12명의 천재 물리학자가 들려주는 물리학 이야기
후위에하이 지음, 이지수 옮김, 천년수 감수 / 미디어숲 / 2024년 10월

물리학자 눈에 비친 세상은 어떤 모습일까?

이 책<아인슈타인과 논쟁을 벌여봅시다>의 문제의식이다. 핵물리학 연구 관련 일을 하는 지은이 후위에하이는 물리학자들의 눈으로 본 세계와 수많은 획기적인 아이디어가 어떻게 탄생, 진화했는지를 알려준다. 옮긴이의 한국어판을 감수해준 이는 경북에서 물리학교사를 하는 천년수다. 그는 물리는 상식이란 생각 속에서 학생들에게 물리학의 즐거움을 전파하고 있다. 

이 책의 부제는 “12명의 천재 물리학자가 들려주는 물리학 이야기”다. 200년 동안 진화해온 물리학의 원류를 책 구절 어디선가 찾아내는 것도 읽는 재미를 한층 돋구어 줄 듯하다. 책은 11장까지다. 1장 러더퍼드와 함께 아침을 먹어보자로 시작되는 이야기, 여기에는 빵 한 조각으로 시작되는 물질의 구성에 관한 고찰이 담겨있다. 2장에서는 망델브로와 함께 해안선 측정을, 자연계의 자연복제를 알게 된다. 3장 후크, 뉴턴과 함께 실험을, “입자 파동”을 알게 된다. 그리고 이 책의 제목 “아인슈타인과 논쟁을 벌여봅시다”라는 시간의 물리적 개념에 관한 논쟁이다. 5장에서는 슈뢰딩거와 그의 고양이 이야기로 단절된 공간에 관한 것이다. 6장 리만이 말하는 시공간을 새기는 도구, 7장. 하이젠베르크와 함께 빙글빙글은 바늘 끝 세계를 보여준다. 이 밖에도 갈루아의 대칭, 힉스의 질량의 비밀, 오일러의 끈 이론, 마지막으로 앨런구스의 진공의 신비를.

인간은 우주를 향해 "꿈을 키우다"

크기를 헤아릴 수 있는 최대치는 쿼크(페리미온 계열에 속하는 중입자로서, 물질의 기본을 이루는 소립자)의 구조까지다. 쿼크를 발견을 세 사람(미국의 제롬 아이작 프리드먼, 헨리 웨이 켄들과 캐나다 출신의 리처드 에드워드 테일러)은 1990년 노벨물리학상을 받았다. 

이들의 수상 소감의 핵심은 관찰 가능한 우주는 우리의 상상보다 훨씬 더 크다는 것을, 그것마저도 우주의 대양에서 하나의 섬에 불과하다 천지 만물의 또 하나의 영역, 즉 분자와 원자, 그리고 소립자로 이어지는 점점 더 작은 구성단위 쪽으로의 영역도 있다. 근본 입자, 우리가 아직 발견하지 못한 숨겨진 질서가 있었던 것일까? 

과학자의 눈에 비친 세상, 눈송이, 나비, 흐르는 강물, 빛 모두 예사롭지 않다

일상에서 늘 보던 것들 사람들은 무심코 지나치지만, 과학자의 눈에는 이 또한 현상이고, 운동이다. 새로운 관점에서 주변을 둘러보면 모든 게 새롭게 보일 수밖에, 현대 과학의 가장 심오한 영역을 탐구하며 대자연의 경이로움을, 여전히 우리가 아는 건 티끌 정도라고, 하지만 여기서 상대성 원리, 불확정성 원리, 대칭성 원리 등 물리학의 원리가 태어난 것이니, 복잡한 계산과 수식에 관한 이야기를 빼면, 아주 간단명료해진다. 이런 원리 대부분은 대자연에 대한 인류의 철학적 사고에서 출발한 것이어서 물리학의 기초지식은 몰라도 될 정도다. 

지은이의 글로 풀어내는 간단명료한 설명은 어렵고도 이해 곤란의 이론 전달이 아니라 장난치는 게 아닐까 싶을 정도로 가벼운 터치다. 책 제목에 된 아인슈타인과 논쟁을 벌여보자. 

시간의 물리적 개념에 관한 논쟁

시간에 관한 이야기는 일반 상대성이론이다. 아인슈타인은 당대 맥스웰의 방정식(전기와 자기라는 양대 물리 현상을 통일)의 문제를 발견했다. 전자기장 이론과 고전 물리학 사이에 치명적인 모순이 있다고 생각했다. 1905년에 그는 <움직인 물체의 전기역학에 관하여>라는 글에서 “광속불편의 원리”를 제시했다. 이 원리는 나중에 특수 상대성 이론을 뒷받침하는 전제로 사용됐다. 특수 상대성 원리의 두 가지 기본가설이 광속불변의 원리와 상대성 원리다. 뉴턴으로부터 이어져 온 고전 물리학의 체계에는 절대적인 시공간 개념이 존재했는데, 완전히 뒤집혔다. 절대 시공간에서는 우주의 중심이 있어야 하고, 지구가 그것이었다고. 

아무튼, 아인슈타인은 절대 시공간 같은 것은 없다고 결론지었다. 공간의 길이가 변할 수 있고 시간 역시 상대적으로 빨라질 수도, 느려질 수도 있다는 사실을 증명했다. 

기막힌 특수 상대성이론, 원 세상이 우리가 느끼고 있었네 “특수 상대성을” 

누군가 좋아하는 사람과 즐겁게 이야기하면서 수다를 떤 시간은 늘 짧게 느껴지는데, 별로 좋아하지 않은 사람과 불과 20분 정도 같이 있어도 마치 몇 시간처럼 길게 느껴지는 이유가 바로 특수 상대성 이론이다. 시간의 흐름은 사람 혹은 사건에 따라 달라질 수 있고, 세상에는 절대적 혹은 절대로 변하지 않는 공간이나 시간은 없다는 의미다. 모든 것이 상대적이다. 

우리 눈에는 그리 달라 보이지 않은 것들이 과학자들 눈에는 흥미로운 현상으로 느껴질 수도 있겠다. 

이 책은 200년의 물리학 세계가 아인슈타인의 발상으로 한 방에 뒤집히는 가히 혁명적 시대를. 여러 가지 이론들이 나와 세상은 계속 변화해간다. 도대체 우리는 어디까지 알고 있는 걸까, 과학자들 또한 잘 모른다. 그러기에 연구를 하는 것이다. 뭔가를 발견해서 위대해지는 게 아니라 이미 우리 안에 있었던 어떤 것들이 일으키는 그 무엇인지를 찾는 그 끈질김과 한계를 극복한 일련의 과정이 위대했다고 말하는 게 옳지 않을까, 

<출판사에서 보내준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다>