중력파 검출 성공까지의 이야기

중력파, 아인슈타인의 마지막 선물 - 중력파를 찾는 LIGO와 인류의 아름다운 도전과 열정의 기록
오정근 지음 / 동아시아 / 2016년 2월

 2017년 노벨 물리학상은 중력파 검출에 성공한 'LIGO'의 제창자였던 킵 손, 라이너 바이스, 그리고 배리 배리시에게 돌아갔다. 많은 사람들이 중력파가 무엇인지에 대해 호기심을 가졌는데, 그중에서도 그에 대해 조금 더 심도있게 알고 싶은 사람들은 이 책을 읽어보면 좋을 것 같다.

 이 책의 저자 오정근 박사는 LIGO 과학협력단에 참여해 LIGO가 중력파를 검출하는 과정 속에 있었다. 그래서 이 책을 통해 중력파를 검출하기까지의 과정을 자세하고 현장감있게 잘 전달해주고 있다. 특히 중력파로 추정되는 신호가 관측된 후, 흥분한 과학자들의 분위기는 정말 잘 와 닿는다.

 또한 책을 읽다 보면 한편의 소설을 읽는 것처럼 이야기가 굉장히 유기적이고 매끄럽게 흘러간다. 아인슈타인으로부터 탄생한 중력파의 개념부터 이를 검출하기 위한 바 검출기의 등장과 실패, 레이저 간섭계를 이용한 검출기의 등장과 발전까지 이야기가 쉴 새 없이 흘러가고, 그래서 재미있게 읽을 수 있다.

 중력파라는, 현재 진행형인 최신의 물리학을 이렇게 쉽고 재미있게 전달해주는 책이 있다는 것은 굉장히 고무적이었다. 또한 이러한, 대중이 현대 물리학에 친숙해지도록 돕는 책들이 이 책을 필두로 계속해서 나왔으면 좋겠다는 바램이 생겼다.

양자역학과 전자기학의 만남, QED

일반인을 위한 파인만의 QED 강의
리처드 파인만 지음, 박병철 옮김 / 승산 / 2001년 8월

 QED, 양자전기역학은 광자와 전자가 어떻게 작용하고 운동하고 있는지 설명하는 이론이다. 이 이론에서는 시간에 따라 돌아가며, 초침의 길이가 확률 진폭을 의미하는 초시계를 가지고 우리 주변에서 일어나는 거의 모든 현상을 설명한다. 그리고 이 책에서 파인만이 직접 빛의 반사, 굴절, 산란, 투과 등의 현상을 유도하고, 우리가 지금까지 이유를 모른 채 받아들여 왔던 기본 원리들을 증명해낸다.

 그리고 마지막 장에 가서는 양자전기역학의 방법이 강한상호작용, 약한상호작용을 설명하는 이론의 바탕이라는 것을 알려주면서 양자전기역학이 얼마나 뛰어나고 위대한 이론인지 알 수 있었다. 하지만 중력은 어떻게 작용하고, 입자들의 질량은 어떤 원리로 정해진 것인지 등 아직 우리가 모르는 것 또한 많았다.

 하지만 한 가지 희망을 가질 수 있었던 것은 전자기력, 강력, 약력 모두 비슷한 방법으로 설명할 수 있었던 것을 보아 우주는 일관성 있는 원리로 움직인다는 것이었다. 어쩌면 20세기에 고전역학을 넘어선 이론들이 쏟아져 나왔듯 21세기에도 20세기의 이론들을 뛰어넘는 이론이 나올지도 모른다는 기대를 하게 되었다.

최재천은 어떻게 통섭형 인재가 되었는가

과학자의 서재
최재천 지음 / 움직이는서재 / 2015년 4월

 시인, 조각가, 소설가를 꿈꿨던 생물학자 최재천. 이것이 그가 통섭의 중요성을 우리 사회에 알리게 된 이유일지도 모른다. 문학과 글쓰기를 좋아하고 과학과 인문학의 벽을 넘나들며 다양한 분야의 책을 읽은 그는 현대사회에 있어 통섭이 얼마나 필수적인지 일찍이 깨달았던 것이다.

 ‘통섭의 식탁’에서 저자는 ‘타임’지의 말을 빌려 현대사회는 창의와 혁신 없이는 살아남을 수 없는 시대라고 말한다. 따라서 이 시대 속에 살아가려면 창의성이 필요하고, 이것은 통섭형 인재가 됨으로써 갖출 수 있다고 주장한다. 그렇다면 통섭이란 무엇인가. 그 예로 찍찍이의 발명을 이야기한다. 찍찍이는 옷에 잘 달라붙는 씨앗의 미세구조를 그대로 모방한 것이다. 즉 생물학과 공학의 통섭이 일어나는 순간 대단한 발명이 이뤄진 것이다.

 그렇다면 최재천은 어떻게 통섭형 인재가 될 수 있었을까? ‘통섭의 식탁’을 읽으면 그가 얼마나 넓은 분야의 지식을 가지고 있고 또한 그 지식들을 풀어내는 글쓰기 능력이 매우 뛰어남을 느낄 수 있다. 또한 생물학자임에도 불구하고 정치, 경제, 사회문제에 대해 깊은 지식과 안목을 가지고 있다.

 ‘과학자의 서재’를 읽으며 이에 대한 궁금증을 해결할 수 있었다. 최재천은 미시간대학에서 명예교우회의 연구원으로 있으며 3년간 자유롭게 연구하고, 다양한 주제를 가지고 동료들과 매주 토론하였다. 이 기간에 거의 200개의 주제에 대해 토론했으며 그만큼 다양하고 많은 분야의 책을 읽었다고 한다. 이때의 경험이 바탕이 되어 지금까지 분야를 가리지 않고 많은 책을 읽으며, 학문 간의 벽을 넘어 다양한 지식을 쌓을 수 있었던 것이다.

 또한 그는 어릴 때부터 책을 손에서 놓지 않았고, 문학을 읽으며 시인의 꿈을 키워 나갔다. 대학에 가서도 독서동아리 회장을 맡아 매주 책을 읽고 토론했으며, 미국 유학을 가서는 두괄식 글을 쓰는 연습을 치열하게 했다. 이러한 경험이 쌓여 글 잘 쓰는 과학자가 된 것이다. 더 나아가 읽은 책에 대해 서평을 씀으로써 그 내용을 자신의 것으로 만들 수 있었던 것이다.

 미래를 살아가려면 통섭형 인재가 되어야 한다. 또한 통섭형 인재가 되려면 넓은 분야에 대해 지식을 쌓아야 한다. 그러기 위해서는 다양한 분야의 책을 읽고 그에 대해 서평을 씀으로써 책의 내용을 체득하는 것이 필요하다. 통섭형 인재에게 정말 중요한 한 가지 능력이 있다면 그것은 바로 글쓰기 능력일지도 모른다는 생각이 들었다.

물리학의 성배, 초끈이론

스트링 코스모스 - 초끈 이론, M-이론, 그리고 우주의 궁극 이론을 찾아서
남순건 지음 / 지호 / 2007년 3월

 중력을 설명하는 상대성이론과 미시세계를 설명하는 양자역학은 현대 물리학의 두 기둥이라 할 수 있다. 그런데 이 두 이론은 함께 사용할 수가 없다. 예를 들어 빅뱅초기에는 아주 작은 세계에서 매우 큰 중력이 작용했을 것이다. 즉 이 경우 양자역학과 상대성이론을 동시에 사용해야 하는데, 이를 통해 나오는 결과들은 매우 엉터리이다. 상대성이론과 양자역학은 모순되어 있는 것이다.

 이 때문에 등장한 것이 양자역학과 상대성이론을 통합한 양자중력이론이다. 그리고 이 이론의 가장 유력한 후보가 바로 초끈이론이다. 초끈이론은 우주가 아주 작은 끈들로 이루어져 있다는 이론이다. 이전까지는 우주의 최소 구성 물질이 0차원의 알갱이라고 생각했는데, 이제는 1차원의 끈이라고 생각하는 것이다. 그리고 이 끈들은 닫혀 있을 수도 열려 있을 수도 있으며, 진동하는 파장에 따라 에너지를 갖게 되고, 질량을 갖게 되며, 파형에 따라 물질이 될 수도, 힘의 매개입자가 될 수도 있다.

 하지만 초끈이론은 너무 난해하고, 아직 미완의 이론이다. 양자역학의 불확정성 원리를 상대성이론의 시공간에 적용해야 하는데, 개념적인 이해가 부족할 뿐만 아니라 이를 기술해줄 수학적 도구 또한 전무하다. 끈의 길이가 매우 짧고, 11차원 이상의 차원에서만 설명될 수 있어 실험으로 입증하기 또한 매우 어렵다.

 그런데도 여러 입자물리학자들이 이 이론에 매달리는 이유는 초끈이론이 전자기력, 약력, 강력 그리고 중력까지 모든 힘을 통일하는 궁극적 이론인 대통일 이론이라고 믿기 때문이다. 또한 블랙홀, 웜홀, 암흑물질 등을 설명할 수 있으며 빅뱅을 이해하게 해 주는 이론이기도 하다. 온 우주가 1차원 끈 한가지로 이루어져 있다는 설명은 너무나 단순하고 아름답기 때문에 이에 매료되어 초끈이론을 연구하기도 할 것이다.

 나 또한 이 책을 읽으면서 초끈이론의 등장 배경과 기본적 아이디어에 대해 조금 알 수 있었고, 더 공부해 초끈이론을 이해하고 싶다는 생각이 들었다. 더 나아가 이렇게 아름다운 이론을 연구하고, 물리학의 성배라고도 불리는 이 이론을 완성하고 싶었다.

화학자들이 원소의 왕국을 확장하는 이유

원소의 왕국 - 피터 앳킨스가 들려주는 화학 원소 이야기 ㅣ 사이언스 마스터스 2
피터 앳킨스 지음, 김동광 옮김 / 사이언스북스 / 2005년 6월

 화학적인 입장에서 원소는 물질의 가장 작은 단위로, 현재 100여 가지가 알려져 있다. 그리고 화학자들은 이 많은 원소들을 보기 좋게 표로 정리해 두었는데, 그것이 바로 주기율표이다. 저자 피터 앳킨스는 이 책에서 주기율표를 왕국에, 원소를 왕국 속 지역에 비유해 주기율표를 꿰뚫는 전반적인 흐름을 설명하고, 독자들이 ‘원소의 왕국’을 이해할 수 있도록 돕는다.

 책에는 또한 화학 발전의 역사도 담겨있다. 산소 수소의 발견, 이은 여러 원소들의 발견, 그리고 이 원소들을 배열한 주기율표의 발명까지 지금까지 화학자들이 어떻게 ‘원소의 왕국’을 세웠는지 설명한다. 그러나 아직 ‘원소의 왕국’이 완성되지 않았다는 것 또한 이야기한다. 미래의 화학자들이 할 일이 많이 남았다는 것이다.

 흥미로웠던 것은 화학자들이 예측하는 ‘안정된 섬’이다. 우라늄 이상의 원소들은 너무 무거워 자연에 거의 존재하지 않고, 인공적으로 만들어도 매우 짧은 시간에 붕괴되고 만다. 하지만 화학자들은 주기율표에서 아래로 더 내려가면 길게는 수개월 까지도 붕괴되지 않고 존재할 수 있는 원소들이 존재할 것이라고 예상하고 있다. 하지만 이 원소들은 방사능이 나오고 수명이 짧기 때문에 거의 쓸모가 없다. 그럼에도 많은 화학자가 이 원소들을 찾기 위해 애쓰는 것은 무엇일까.

 그 답은 “더 많은 것을 알기 위해서”이다. 사실 이것은 모든 순수과학자들이 순수학문을 연구하는 이유이기도 하다. 어쩌면 ‘안정된 섬’의 원소들은 인류가 멸망할 때까지 아무데도 쓰이지 않을 수도 있다. 하지만 그럼에도 이 원소들을 찾는 일이 중요하고 가치 있는 이유는 그 자체로 새로운 것을 알아내는 것이고, 인류의 지식 범위를 넓히는 것이기 때문이다. 또한 새로운 지식을 발견한다는 것은 즐거운 일이기 때문이기도 하다.

 모든 학문에 대해 이익을 계산하고 그것으로 가치를 결정한다면 그것은 옳지 않은 것이다. 어떤 학문의 인류의 삶에 밀접하게 닿아 있기도 하지만 어떤 학문은 어쩌면 실생활에 쓰이지 못할 수도 있고, 우리의 삶과 전혀 관계없을 수도 있다. 그렇지만 후자의 학문도 인류의 지성을 높여준다는 점에서 의의가 있고, 언젠가는 그 학문이 삶에 밀접하게 닿아 사용될 수도 있기 때문에 무시해서는 안 되는 것이다. 그리고 실제로도 과거에는 실생활과 관련 없던 연구들이 현대에 와서는 모든 곳에 응용되고 있기도 하다.

 이 책을 읽으면서 주기율표에 나타난 원소들의 경향성을 다시 한 번 떠올려 볼 수 있었다. 또한 ‘원소의 왕국’의 개척은 아직 현재진행중이라는 것과, 화학자들이 ‘안정된 섬’을 찾아가고 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 화학자들이 어쩌면 쓸모없어 보이는 ‘새 원소를 찾아가는 탐험’을 왜 하고 있는지도 생각해 보게 되었다.