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빅뱅 직전의 우주『보이드』. 영국 옥스퍼드대학의 물리학 교수이자 엑시터칼리지의 선임연구원으로 대영제국4등훈장 수훈자인 저자 프랭크 클로우스가 빈 공간, 무, 진공의 정체를 알아내려고 노력해 온 인류의 역사를 고스란히 담아낸 책이다. 고대 자연철학자들의 무에 대한 사유에서부터 시작해 양자역학을 포함한 현대 물리학의 최신 성과를 아우르며 텅 빈 것처럼 보이는 진공의 역사를 통해 우주 탄생의 비밀을 살펴본다.

우주의 텅 빈 공간, 거기 무엇이 있었는가
진공의 역사로 알아본 우주 탄생의 비밀

지구 궤도에 떠 있던 우주정거장에 위성 파편이 부딪치자, 밖에서 우주유영을 하던 우주인은 우주정거장에 매여 있던 가느다란 줄이 끊어지며 우주공간으로 내동댕이쳐진다. 우주인은 멀어져가는 검은 우주공간에 흰 점처럼 보인다. 영화 《그래비티》의 한 장면이다. 이 영화를 관람하면서 지구 중력에 감사하는 마음이 드는 한편, 텅 빈 우주공간에 대한 공포심도 생긴다. 영화 속 우주공간은 어떤 소리도, 빛도 없는 ‘진공’처럼 느껴졌다. 그 공간은 정말 아무것도 없는 텅 빈 공간인가. 우주 만물이 탄생하기 전 공간도 과연 저러했을까?

아인슈타인이 틀렸다?
아인슈타인에게도 어려웠던 진공의 비밀

아인슈타인이 일반상대성이론을 완성해 우주에 적용했을 때, 물질 간의 중력 때문에 우주가 불안정해 우주는 결국 붕괴될 것이라는 결론에 이르렀다. 당시의 우주는 정적이며 변하지 않는다는 생각이 지배적이었다. 그래서 아인슈타인은 반중력 역할을 하는 ‘우주상수’라는 개념을 도입해 우주의 붕괴를 이론적으로 막았는데 몇 해 뒤, 우주는 지속적으로 팽창한다는 사실이 발견되었다. 더 이상 ‘우주상수’가 필요 없게 된 것이다. 하여 아인슈타인은 이 ‘우주상수’ 도입이 자기 일생일대의 최대 실수라고 고백했다.

그런데 근래에 이르러 우주는 그저 팽창하기만 하는 게 아니라 ‘가속’ 팽창한다는 사실이 밝혀졌다. 중력을 능가하는 밀어내는 척력이 필요해지게 된 것이다. 정체를 알 수 없는 이 힘을 ‘암흑에너지’라 부르는데, 역설적이게도 현재 암흑에너지의 가장 유력한 후보는 아인슈타인이 도입했다 버렸던 우주상수, 다름 아닌 진공이다.

이 책은 이러한 진공에 관한 오딧세이다. 고대 자연철학자들의 무에 대한 사유에서부터 시작해 양자역학을 포함한 현대 물리학의 최신 성과를 아우르며 텅 빈 것처럼 보이는 진공의 역사를 통해 우주 탄생의 비밀을 풀어본다. 두려움의 대부분은 무지에서 비롯된다. 이 책을 읽고 우주 탄생의 비밀을 엿보게 되면, 한동안 밤하늘을 바라보는 일이 즐거워질 것이다.

진공에 대한 소고(小考)

지구 궤도에 떠 있던 우주정거장에 위성 파편이 부딪치자, 밖에서 우주유영을 하던 우주인은 우주정거장에 매여 있던 가느다란 줄이 끊어지며 우주공간으로 내동댕이쳐진다. 우주인은 멀어져가는 검은 우주공간에 흰 점처럼 보인다. 영화 《그래비티》의 한 장면이다. 이 영화를 관람하면서 지구 중력에 감사하는 마음이 드는 한편, 텅 빈 우주공간에 대한 공포심도 일었다. 영화 속 우주공간은 어떤 소리도, 빛도 없는 ‘진공’처럼 느껴졌다.
하지만 실제 우주정거장이 떠 있는 지구 근처의 우주공간은 수소, 헬륨 등으로 붐빈다. 태양계에서 지구 근처보다 행성들 사이의 우주공간이 더 희박하다. 평균 1cm3 공간에 10여 개의 분자만 발견되기 때문이다. 태양계를 벗어나면 어떨까. 별과 별 사이의 공간은 더 희박하지만, 그래도 평균 1cm3 공간에 1개 정도의 분자가 발견된다. 그렇다면 이 1개의 분자마저 없애 버린다면 무엇이 남을까. 아무것도 없는 텅 빈 공간이 남을 것인가.
이 질문은 영국의 입자물리학자이자 과학저술가인 프랭크 클로우스가 쓴 이 책에서 제기하고 있는 질문이다.

‘자연은 진공을 혐오한다’

이 책의 원제는 『The Void』이다. 영단어 ‘void’의 사전적 의미는 ‘(커다란) 빈 공간, 공동(空洞)’이다. 이 책은 제목이 암시하듯 텅 비어 있는 것 같은 (우주)공간에 대한 이야기다. 책의 본문에서 void란 단어는 때로 무(nothing), 때로 진공(vacuum)의 의미로 쓰이고 있다.
이 책은 빈 (우주)공간, 무(無), 진공의 정체를 알아내려고 노력해 온 인류의 역사를 담고 있다. 고대 철학자들이 무(無)와 진공에 대해 어떻게 생각했는지부터 양자역학을 포함한 현대 물리학에서는 진공의 정체가 무엇이라고 밝혀냈는지까지 흥미롭게 풀어내고 있다.
토리첼리 같은 과학자들이 공기를 뽑아내며 진공을 만들려고 노력했지만, 현대 과학, 특히 양자역학은 공기를 모두 제거하더라도 완벽한 진공을 만드는 것이 이론상 불가능하다는 사실을 보여준다. 이는 어떻게 본다면 ‘자연은 진공을 혐오한다’는 아리스토텔레스의 원리가 틀리지 않았다는 뜻이다.
양자역학의 불확정성 원리에 따르면, 진공은 텅 비어 있지 않고, 에너지, 입자, 장場 등으로 들끓고 있다. 즉 진공에서 전자와 양전자(반전자)와 같은 가상 입자들이 나타났다가 사라지기를 반복하고 있는데, 이를 ‘양자 요동’이라고 한다. 우주의 표준 모형에 따르면, 우주 속의 은하, 별, 행성, 그리고 인간은 태초에 있었던 이런 양자 요동에서 탄생했다.

아인슈타인의 최대 실수가 정답?

원자 규모의 미시 세계는 양자역학이 지배하지만, 우주 같은 거시 세계는 상대성이론이 지배한다. 1916년 아인슈타인이 일반상대성이론을 완성한 뒤 우주에 적용했을 때, 물질 간에 서로 잡아당기는 중력 때문에 우주가 불안정해 결국 붕괴될 것이라는 결론에 이르렀다. 당시에는 우주가 정적이고 변하지 않는다는 생각이 일반적으로 받아들여지고 있었다. 그래서 아인슈타인은 밀어내는 반(反)중력 역할을 하는 ‘우주상수’를 도입해 우주의 붕괴를 막았다.
하지만 몇 년 뒤인 1929년 에드윈 허블이 멀리 있는 은하들일수록 더 빨리 멀어진다는 사실, 즉 우주가 팽창한다는 사실을 발견하자 상황이 바뀌었다. 우주가 팽창하므로 붕괴될 염려가 없기 때문에 우주상수가 더 이상 필요 없게 된 것이다. 아인슈타인 자신도 우주상수 도입이 자기 일생의 최대 실수라고 고백했다.
그런데 1990년대 후반 또 한 번의 반전이 일어났다. 두 팀의 천문학자들이 각각 우주가 가속 팽창한다는 사실을 발견했던 것이다. 대부분의 과학자들은 우주가 팽창하더라도 끌어당기는 힘인 중력 때문에 결국 팽창이 느려질 것이라 생각했지만, 예상과 달리 우주가 가속 팽창한다는 사실이 밝혀지면서 문제가 발생했다. 우주 차원에서 서로 밀어내는 작용을 하는 존재가 필요해진 것이다. 정체를 잘 모르지만 척력을 가하는 이것은 ‘암흑에너지’라고 불린다. 역설적이게도 현재 암흑에너지의 유력한 후보는 아인슈타인이 도입했다가 버렸던 우주상수이다. 우주상수는 다름 아닌 진공 에너지이다. 진공 에너지는 텅 빈 것처럼 보이는 우주공간 곳곳에 균일하게 퍼져 있다고 예상된다.

인플레이션에서 힉스 입자까지 밝혀지다

현재 우주를 설명하는 표준 모형에 따르면, 우주는 약 140억 년 전(좀 더 정확히는 약 138억 년 전) 빅뱅이라는 대폭발에서 생겼다. 빅뱅이 일어난 지 10-36초 뒤에 인플레이션(급팽창) 시기를 거쳐 우주의 크기는 1050배 이상 커졌다. 앨런 구스와 폴 슈타인하르트에 따르면 우리 우주가 가짜 진공에서 진짜 진공으로 옮겨갈 때 인플레이션이 발생한다.
단순한 빅뱅이론에는 문제가 있었다. 우주는 거대 규모에서 물질 분포가 너무나 균일하고, 공간이 너무나 편평하다. 또 우주는 너무 넓어서 모든 영역에서 서로 정보를 교환할 수 없을 것 같다. 하지만 어디를 관측해도 우주배경복사라는 ‘태초의 빛’의 온도가 거의 비슷하게 나타난다. 이런 문제를 한꺼번에 해결하는 것이 바로 인플레이션이다. 우주가 급격하게 팽창함으로써 마치 고무판이 잡아당겨져 펴지듯이 공간이 편평해졌고, 작은 부분이 굉장히 커짐으로써 우리 우주는 어디서나 정보 교환이 가능했으며 온도와 밀도가 균일할 수 있었던 것이다.
그런데 태초에 인플레이션이 진짜 있었을까. 2014년 3월 17일 미국 하버드-스미소니언 천체물리센터 존 코백 박사가 이끄는 국제공동연구팀이 우주배경복사를 관측해 원시 중력파의 흔적을 발견했다고 발표하면서 과학계를 들썩이게 만들었다. 원시 중력파는 인플레이션 때 시공간에 생긴 거대한 파문으로 알려져 있는데, 원시 중력파의 흔적을 발견한 연구팀은 인플레이션의 직접적인 증거를 찾아냈다는 평가를 받았다. 이것이 사실로 검증될 경우 노벨상은 떼어 놓은 당상이라는 일부 언론의 보도도 나왔다.
한편 인플레이션 시기에 우주는 ‘다행히도’ 완벽하게 균일하지는 않았다. 양자역학의 효과에 따라 양자 요동이 생겼고, 이런 요동으로 인해 우주의 영역마다 온도와 밀도에 차이가 있었다. 이런 차이 덕분에 지금의 은하, 별, 행성, 더 나아가 우리 같은 생명체가 탄생했다. 만일 양자 요동과 그로 인한 차이가 조금이라도 달랐다면 우리는 태어나지 못했을 것이다. 그렇다면 우리 우주는 왜 인류가 창조되기에 그토록 알맞았던 것일까.
이에 대해 답을 하기 위해서는 우주가 탄생하던 초기 상태를 잘 알아야 한다. 초기 우주 상태를 제대로 설명하기 위해서는 양자역학과 상대성이론을 합친 양자 중력 이론이란 대통일이론이 필요하다. 양자 중력이 지배하던 그 시기에 우주는 어떤 모습이었을까. 4차원보다 더 높은 차원이 있었을까. 아니면 우리 우주는 다중 우주 중의 하나였을까.
초기 우주를 실험으로 밝혀내려는 연구는 거대한 가속기에서 진행되고 있다. 2012년 6월 유럽입자물리연구소CERN에서는 거대강입자가속기LHC를 이용해 힉스 입자보손의 존재를 입증하는 성과도 거두었다. 이 덕분에 힉스 입자의 존재를 예측한 영국의 피터 힉스 교수와 모든 물질에 질량이 생기는 과정인 ‘힉스 메커니즘’을 제안한 벨기에의 프랑수아 앙글레르 교수가 2013년 노벨물리학상을 수상했다.
힉스 장에 의해 나타나는 힉스 보손이 발견된 것은 힉스 장이 진공에 구석구석 스며들어 있고 전자, 쿼크 등의 다양한 기본 입자들에 질량을 부여한다는 것이 사실임을 암시한다. 아울러 난해하기 짝이 없던 진공의 비밀도 한꺼풀씩 벗겨지고 있다.
우리 우주에서 우리 인간까지 모든 것이 탄생한 진원(震源)! 모든 것의 비밀을 간직한 진공의 정체가 온전히 드러나길 기대해 본다. 우선 이 책부터 독파한 뒤에 석학들의 연구 성과를 기다려 보자. 아니면 독자 중에서 누군가 직접 나서서 이 문제를 해결하는 것도 좋은 방법이다.

추천평

이 책의 저자 클로우스는 개념이 어렵고 생소한 소립자와 우주론의 최신 결과를 일반인이 쉽게 접근하고 이해하도록 하는 데 탁월한 재주를 지녔다. 우주 빅뱅의 첨단 이슈인 ‘진공’의 의미, 진공과 시공(시간-공간)의 연결, 그리고 그들의 변화를 쉬운 언어로 명료하면서도 과학적으로 정확히 다루었다. 원서와 비교해 옮긴 글을 읽어 보니 역서 또한 원서의 분위기와 뉘앙스를 잘 살려 독자를 사로잡는다.
- 김정욱, 고등과학원(KIAS) 명예교수

보이드(void), 즉 진공은 우주를 이해하는 키워드라 해도 과언이 아니다. 우주 만물은 진공 속의 양자 요동에서 탄생했고, 태초의 우주는 가짜 진공에서 진짜 진공으로 옮겨갈 때 급팽창(인플레이션)을 일으켰다. 우주의 가속 팽창을 설명하는 유력한 후보도 진공 에너지다. 이 책은 진공의 모든 것을 친절하게 설명하는 가이드로 손색없다.
- 박석재, 한국천문연구원 연구위원

우주론은 우리에게 세상 만물이 어디에서 비롯했는가 물으며 모든 것의 근원을 생각하게 해준다는 점에서 매력적이다. 우주의 ‘빈 공간’을 중심으로 우주론을 다시 서술하는 클로우스 교수의 이 책은 관찰과 이론, 과학과 철학을 가로지르며 읽는이의 상상력을 돋울 만하다. 빈 공간, 무, 없음을 현대 물리학은 어떻게 설명하고 있을까? 그의 물음과 설명은 쉽게 접근하기는 어렵더라도 여전히 매력적이다.
- 오철우, 한겨레신문사 과학담당 기자

우주 만물의 기원을 탐구하는 일은 언제나 흥미롭다. 빅뱅이전 무와 진공의 정체를 찾아내려는 과학자들의 사유와 실험들이 비어 있던 머릿속을 기분좋게 채워준다. 양자 중력이라는 새로운 이론을 알게 된 것도 기쁘다. 한동안 밤하늘 보는 일이 더 즐거울 것 같다.
- 이치훈, KBS 기획제작국 PD(《과학카페》, 《2013 스페이스 오디세이 외계생명체》 등 제작)

우주가 무에서 출발할 수 있다는 최근 물리학자들의 주장은 일리가 있을 뿐 아니라 가장 그럴 듯하게 들리기도 한다. 더구나 최근 원시 중력파에 의한 효과를 관측했다는 내용이 발표되어, 그동안 가설로만 알려져 있던, 진공 에너지에 의한 우주 초기의 급팽창이 실제로 일어났음을 강력하게 시사하고 있다. 진공, 시공간, 중력파, 그리고 우주의 오묘한 관계를 찾아내며 읽어가는 재미가 쏠쏠하다.
- 이형목, 서울대 물리천문학부 교수, 한국중력파연구협력단 단장

옮긴이 머리말

제1장 무에 대한 야단법석
무에 대한 초창기의 생각
왜 그렇게 혐오스러운가?
공기
진공 만들기
블레즈 파스칼: 물과 포도주
진공은 어떠한 것인가?
공기압

제2장 원자는 얼마나 비어 있나?
전자
원자는 얼마나 텅 비어 있는가?
장
장의 크기
중력장과 역제곱 법칙
파동

제3장 공간
창조
뉴턴
공간과 운동의 개념

제4장 파동은 무엇 안에 있는가?
전자기장과 파동
파동은 무엇 안에 있는가?
에테르의 문제점

제5장 빛다발 위에서 여행하기
공간, 시간, 그리고 시공간
시공간


제6장 자유 공간의 비용
휜 시공간
중력과 곡률
팽창하는 우주

제7장 무한한 바다
양자 세계
파동과 양자 불확정성
들끓는 진공
무한한 바다

제8장 힉스 진공
상과 조직화
상변화와 진공
진공에서 힘 변환하기
힉스 진공

제9장 새로운 빈 공간
우주의 시작
인플레이션
더 높은 차원들
빈 공간을 찾아서

미주
참고문헌
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