실험자가 이론가를 만났을 때

우주로 가는 물리학 - 미시세계에서 암흑물질까지, 우주의 실체를 향한 여정
마이클 다인 지음, 이한음 옮김 / 은행나무 / 2022년 12월

평점

3점   ★★★   B

과연 이 세상에 존재하는 네 가지 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력)과 모든 만물의 근원을 단 하나의 이론으로 간단명료하게 설명할 수 있는 이론이 나올까? 아인슈타인(Einstein)은 말년에 중력과 전자기력을 통합한 ‘통일장 이론(unified field theory)’을 완성하는 일에 전념했다. 그 당시에 약력과 강력은 아직 발견되지 않았다. 아인슈타인의 꿈은 이루지 못했다. 아인슈타인 사후에 등장하거나 활동하기 시작한 물리학자들은 통일장 이론을 밝혀내기 위해 연구에 연구를 거듭해 왔다. 현재 통일장 이론에 근접하는 후보 이론으로 많이 거론된 것이 ‘초끈이론(super-string theory)’과 ‘M 이론(M-Theory)’이다. 초끈이론은 만물을 구성하는 최소 단위가 입자가 아니라 진동하는 끈으로 이루어져 있다고 가정한다. M 이론은 기존의 다섯 가지 초끈이론을 통합한 이론이다. M 이론에 따르면 우주는 10차원 공간과 시간인 1차원이 합친 11차원 시공간으로 되어 있다. 11차원 시공간에 존재하는 만물은 4차원으로 이루어진 얇은 막에 붙어 있다. 물리학자들은 M 이론의 ‘M’을 저마다 다르게 해석한다. 대중적으로 많이 알려진 M의 의미는 ‘membrane(막)’의 머리글자다.

초끈이론과 M 이론을 연구하는 물리학자들은 언젠가는 네 가지 힘과 모든 물질을 하나의 이론으로 통합하는 데 성공할 수 있다고 믿는다. 그렇지만 이들의 낙관적 전망을 회의적으로 바라보는 물리학자들이 있다. 초끈이론과 M 이론을 비판하는 물리학자들은 실험하여 정확한 결괏값을 도출하는 일에 익숙한 ‘실험자’다. 이와 반대로 초끈이론과 M 이론을 옹호하는 물리학자들은 수학적 추론을 중시하는 ‘이론가’에 속한다. 이렇듯 물리학자는 실험자와 이론가, 크게 두 집단으로 나뉜다. 물리학계의 현황을 잘 모르는 사람들은 실험자와 이론가들이 서로 등을 돌린 상태로 통일장 이론을 연구하고 있을 거로 생각하기 쉽다. 모든 물리학자를 두 가지 유형으로 단순하게 분류하는 것은 현실성이 떨어진다. 뉴턴(Newton)은 가장 위대한 실험자이자 이론가다. 물체의 운동 상태를 설명하기 위해 탄생한 고전역학과 뉴턴이 독자적으로 만든 미적분은 각각 물리학과 수학의 발전에 이바지했다. 물리학과 수학이 상호보완하며 발전하는 과정에서 일반상대성이론이 정립되었다.

《우주로 가는 물리학》을 쓴 저자 마이클 다인(Michael Dine)은 실험자와 이론가 양쪽 진영에 발을 걸치고 있는 물리학자다. 그는 물리학과 수학이 서로에게 자극을 주면서 발전해왔다고 말한다. 《우주로 가는 물리학》은 실험자와 이론가들이 어떻게 물질과 우주의 기원을 탐구해왔는지 보여준다. 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 천문대의 망원경으로 은하를 관측하면서 우주가 팽창한다는 사실을 발견했다. 하지만 그전에 이미 이론가들은 우주가 정적이지 않다고 예측했다. 러시아 물리학자 알렉산드르 프리드만(Alexander Friedmann)은 방정식을 이용해 팽창하는 우주 모형을 제시했다. 그의 이름이 붙여진 방정식은 일반상대성이론을 응용해서 유도한 것인데, 정작 아인슈타인은 팽창하는 우주 모형에 시큰둥한 반응을 보였다. 정적인 우주 모형에 대한 믿음이 확고했던 그는 ‘우주상수’를 도입했다. 허블을 비롯한 실험자들이 관측을 통해 우주가 팽창하고 있다는 사실을 밝혀내자, 아인슈타인은 우주상수를 ‘자신의 최대 실수’라면서 인정했고 정적인 우주 모형을 철회했다.

물리학자들은 실험을 진행하다가 어려움에 부딪히면 수학을 연결했다. 수학은 실험자들이 쩔쩔매게 했던 물리학의 복잡한 문제들을 해결하는 데 결정적인 역할을 했다. 만약 수학이 발전하지 않았다면 물리학자들은 우주에서 우리가 어떤 위치에 있는지 이해하지 못했을 것이다. 우주의 실체를 밝히기 위해 서로 자신의 견해를 검증하면서 협력하고 있는 실험자와 이론가의 관계를 생각하면 마이클 다인의 책 제목은 ‘우주로 가는 물리학’이 아니라 ‘우주로 가는 물리학과 수학’이어야 한다. 수식을 보면 머리가 어질어질해지는 독자들은 안심해도 된다. 《우주로 가는 물리학》에 유일하게 나온 수식은 ‘E=mc2’뿐이니까.

저자는 이 책에서 대중에게 잘 알려지지 않은 실험자와 이론가들도 소개했다. 그렇지만 한 권의 책에 담을 수 없을 정도로 엄청 많은 물리학자와 수학자들의 뛰어난 성과 중에 핵심만 추려서 설명했기 때문에 독자들이 기억해야 할 몇몇 학자들을 언급하지 않았다. 독일에서 활동한 리투아니아 출신의 수학자 헤르만 민코프스키(Hermann Minkowski)는 기하학으로 4차원 시공간 모델을 제시했다. 아인슈타인은 민코프스키에게 비유클리드 기하학을 배운 덕분에 특수상대성이론을 다듬을 수 있었다. 벨기에의 가톨릭 성직자인 조르주 르메트르(Georges Lemaître)는 자신만의 방식으로 우주의 기원을 연구해서 허블보다 먼저 우주 팽창론을 발표했다. 상대성이론과 우주론에 관심 있는 독자라면 이 두 사람을 꼭 기억해야 한다.

그런데 《우주로 가는 물리학》을 쓴 저자와 번역자가 실수를 범했다. 그들의 실수로 인해 본의 아니게 책에 오류와 오역이 생겼다. 이 책의 번역자는 과학 전문 번역가로 활동 중인 이한음 씨다.

* 38쪽

 신을 논외로 친다면, 시간의 경과가 어디에서나 언제나 동일하다는 것을 무엇으로 증명할까? 사실 이 질문은 19세기 후반에 오스트리아에서 활동한 물리학자이자 철학자인 에른스트 마흐(Ernst Mach)가 제기했다. 아인슈타인을 자신의 지적 영웅으로 여겼던 마흐는 뉴턴이 주장한 절대시간을 이렇게 평했다.

[원문]

 Leaving God aside, what proves that the passage of time is the same everywhere and always? Indeed, this question was raised by Ernst Mach, a physicist and philosopher who was active in Austria in the latter part of the nineteenth century. One of Einstein’s intellectual heroes, Mach wrote of Newton’s insistence on absolute time.

‘One of Einstein’s intellectual heroes, Mach’를 ‘아인슈타인이 자신의 지적 영웅으로 여겼던 마흐’ 또는 ‘아인슈타인의 지적 영웅 중 한 명인 마흐’로 번역해야 맞다. 마흐는 뉴턴이 가정한 절대시간과 절대공간을 형이상학적 개념이라고 비판했다. 그러면서 우리가 관측할 수 있는 지구상 모든 물체는 뉴턴이 가정한 절대 운동이 아닌 상대운동을 한다고 주장했는데, 이를 ‘마흐의 원리’라고 한다. 마흐의 원리는 아인슈타인의 상대성 이론에 일부 영향을 미쳤다. 마흐가 아인슈타인을 자신의 지적 영웅으로 여겼다는 표현은 오역이다.

* 51쪽

 갈릴레오의 가장 유명한 실험 중 하나는 낙하하는 물체를 연구한 것이었다. 고대 그리스 철학자 아르키메데스는 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어진다고 주장했다. 설득력 있는 추측이었지만, 꼼꼼한 관찰을 토대로 한 진술은 아니었다. 갈릴레오는 이 주장에 회의적이었고 그 문제를 실험을 통해 조사했다. 그가 정말로 피사의 사탑에 올라가 질량이 다른 물체들을 떨어뜨렸는지는 학술적 논쟁거리다.

[원문]

 Galileo’s most famous experiments were his studies of falling objects. Archimedes, the ancient Greek philosopher, had asserted that heavy objects fall faster than lighter ones. This was a plausible guess, but not a statement based on careful observations. Galileo was skeptical and studied the question experimentally. Whether he actually dropped objects of different mass from the Leaning Tower of Pisa is a subject of scholarly debate.

떨어지는 물체의 운동을 처음으로 언급한 고대 그리스의 철학자는 아르키메데스가 아니라 아리스토텔레스(Aristotle)다. 아르키메데스는 지렛대의 원리와 부력의 실체를 발견한 물리학자이자 수학자이며 무기와 각종 기계를 만든 공학자이기도 하다. 저자가 학자 이름을 착각했다. 이한음 씨는 저자의 오류를 확인하지 않은 채 그대로 번역했다.

* 178쪽

 안드레이 사하로프(Andrei Sakharov)는 예전 소련에서 중요한 과학자이자 반체제 목소리를 낸 주요 인사였다. 1921년에 태어난 그는 1950년대에 소련의 수소폭탄 개발에 중요한 역할을 했다. 1960년대에 그는 공산주의 체제를 비판하는 주요 인물로 떠올랐다. 그는 소련을 이렇게 평했다. “우리 국가는 암세포와 비슷하다. 절대 신념과 팽창주의, 반대자의 전체주의적 억압, 권위주의 권력 구조를 갖추고 국내 및 외교 정책의 가장 중요한 결정에 대한 대중 통제력의 철저한 부재, 그 어떤 중요한 사항도 시민에게 알리지 않고, 외부 세계에 문을 닫고, 여행도 정보 교류의 자유도 없는 폐쇄 사회다.” 인권과 군축을 옹호한 공로로 그는 1975년 노벨 평화상을 받았다. 하지만 1980년 그는 수용소로 보내졌고, 1988년에 생을 마감했다.

[원문]

 Andrei Sakharov was an important scientist and leading dissident voice in the former Soviet Union. (중략) For his work as an advocate for human rights and arms control, he won the Nobel Peace Prize in 1975. In 1980, he was sent into internal exile, passing away in 1988.

1980년에 안드레이 사하로프가 소련의 아프가니스탄 침공을 공개적으로 규탄하자 소련 정부는 그와 가족을 고리키 시(현재 명칭은 니즈니 노브고로드)의 한 아파트에 가택 연금시켰다. 

‘Internal exile’은 국내의 외딴 지역으로 격리(유배)되는 형태인 ‘내부 망명’을 뜻한다. 사하로프가 수용소로 보내졌다는 표현은 오역이다. 그리고 저자는 사하로프의 사망 연도를 착각했다. 사하로프는 1989년 12월 14일에 사망했다. 이한음 씨는 ‘철학자 아르키메데스’에 이어서 저자의 오류를 확인하지 못했다.

※ 미주(尾註)알 고주(考註)알

* 223쪽

 규소, 게르마늄, 제논[주] 같은 물질을 이용해서 다양한 검출 실험이 이루어졌다.

[주] 대한화학회는 라틴어 및 독일어로 된 화학 용어를 영어로 표기할 것을 권장하고 있다. 게르마늄(Germanium)을 영문식으로 표기하면 저마늄이다. 제논은 대한화학회가 권장한 이름인데, 과거에 이 원소는 크세논(Xenon)이라고 불렸다. 

변경된 화학 용어를 반드시 써라는 법은 없다. 사실 대한화학회의 화학 용어 개정안에 문제점이 있고, 대부분 국내 과학자들은 화학 용어 개정안에 동의하지 않는다. 그러므로 과거 명칭을 쓴다는 것은 잘못된 일이 아니다. 다만 과거 명칭에 익숙한 독자는 새롭게 변경된 명칭을 잘 모를 수 있다. 저자와 번역자는 화학 용어를 쓸 때 과거 명칭과 대한화학회가 지정한 새로운 명칭을 함께 표기해야 한다. 예를 들면 ‘저마늄(게르마늄), 제논(크세논)’으로 쓰면 된다. 실제로 이런 방식으로 쓰는 저자와 번역자들이 있다.