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물질에 대한 지식은 우주를 바라보는 관점을 변화시켰다!

우리 몸, 우주의 별, 우리 세계의 모든 것이 물질로 되어 있으며 모든 물질에는 질량이 있다. ‘물질이란 무엇인가?’라는 질문을 던진 저자는 그 답을 찾기 위해 물질의 정체를 탐구하고, 물질이 가진 ‘질량’의 기원을 추적한다. 질량은 어떻게 만들어진 것일까? 질량과 에너지가 같다는 말은 무엇을 의미하는 걸까? 물질을 쪼개고 쪼개 가장 작은 입자를 찾아내면 질량의 기원과 물질의 본질을 알아낼 수 있을까? 우리 몸, 우주의 별, 우리 세계의 모든 것은 물질로 이루어져 있다. 하지만 너무나 익숙해서 의문조차 품지 않는 이 개념에 대해 우리는 과연 무엇을 알고 있는가? 보통 사람인 우리가 알기에 너무 어렵다면, 과학자들은 그 해답을 알고 있을까?

지난 2500년간 과학자들이 한 일은 바로 이것이다. 복잡다단한 현대 과학조차 고대 그리스인들이 던진 이 질문의 연장선에 있다. ‘물질이란 과연 무엇인가?’ 그리고 이 여정은 물질의 기원인 ‘질량’을 탐구하는 일에서 시작된다. 이후 과학의 역사는 온전히 이 질문에 할애되었다고 해도 과언이 아니다. 《기원의 탐구》, 《퀀텀 스토리》 등 굵직한 과학 저술들로 영국에서 가장 인정받는 과학 작가 짐 배것은 이 2500년간의 여정을 탐구한다. ‘물질’에 대한 이해에 다다르기 위한 과학자들의 여정을 따라가다 보면 우리는 궁극적으로 우주와 인간에 대한 우리의 이해가 어떻게 발전했는지 알 수 있게 될 것이다.

▼ 인간과 우주를 바라보는 관점은 지난 2500년간 어떻게 변화되어 왔는가
물질의 본질에 대한 독특하고 흥미로운 해석

“질량은 어떻게 구성되어 있는가?”
“질량은 어떤 성질을 지니고 있는가?”
“질량과 에너지가 같다는 말의 의미는 무엇일까?”
“물질을 쪼개고 쪼갠 가장 작은 입자는 어떤 상태일까?”

이 질문들은 2500년간 과학자들이 던져온 것들이다. 그렇다면 왜 ‘질량’인가? 그것은 ‘질량’이 물질의 본질을 이루는 근본 개념이기 때문이다. 오늘날에는 황당무계한 공상 정도로 들리는 그리스 원자론자들의 가설부터 복잡다단하기 그지없는 현대의 양자 물리학에 이르기까지 그 토대가 되는 의문은 모두 한결같았다. ‘물질이란 무엇인가?’ 이 답을 찾기 위해 저자는 물질의 정체를 탐구하고, 물질이 가진 ‘질량’의 기원을 추적한다.

▼ 그리스 원자론부터 상대성 이론, 양자역학에 이르기까지
질량과 물질을 이해하기 위한 길고 긴 여정

저자 짐 배것은 약 2500년간에 이르는 이 추적 과정을 연대순으로 조명한다. 그는 먼저 고대 그리스 철학자들의 사유에서 시작해 현대의 양자 물리학과 빅뱅에 이르기까지 연대기 순으로 ‘질량’의 기원을 찾기 위한 과학자들의 시도를 총 4부에 걸쳐 차근차근 펼쳐낸다.
그런데 왜 그리스 철학자들의 원자론부터일까? 오늘날을 살아가는 우리에게 과학은 ‘실험과학’의 준말로 여겨진다. 문과는 이과와 철저히 분리되고, 같은 과학 분야라고 해도 낱낱이 전문 분야가 쪼개져 있는 우리에게, 이 의문은 일견 타당해 보인다.
하지만 과학과 철학이 분리되고, 과학이 세부 분야로 쪼개진 것은 채 몇 세기도 지나지 않은 일이다. 17세기까지만 해도 과학과 철학은 명확히 구분되지 않았으며, 오늘날의 과학자들 역시 철학적 사유에 대한 의문에서 연구를 시작하고 있다. 세상 만물을 이해하려는 시도에서 철학이 시작되었고, 과학이 발전했다. 뉴턴이 고전 물리학을 정립하게 한 이론은 물론, 오늘날의 복잡다단한 양자역학과 우주과학에 이르기까지 그 근본적 토대는 고대 그리스 시대 원자론자들이 품은 한 가지 의문이었다. “물질을 쪼개고 쪼개면 어떻게 될까?”
고대 그리스 시대의 철학자들, 즉 데모크리토스, 에피쿠로스, 아리스토텔레스는 이 질문을 사유하면서 각자의 방식대로 ‘원자론’을 세웠다. 후대의 학자들은 이들의 원자론을 각자의 논리대로 재해석하고 이를 ‘실험’으로 입증하고자 애쓰면서 질문들은 조금 더 구체화되었다. 보편적으로 중세 시대는 학문의 암흑시대라고 여겨지지만, 저자는 이 시기의 과학적 흐름을 놓치지 않는다. 이 시기부터 싹트기 시작한 고대 그리스-로마적 정신과 철학의 부흥, 실험적 태도와 탐구 정신은 이후 17, 18세기 기계론과 근대 철학으로 이어진다. 같은 질문을 가지고 철학과 과학이 이제 각자의 길을 걷게 된 것이다. 따라서 이 질문은 서양 문명의 근간을 이루는 근본 관념이라고도 할 수 있다.
뉴턴에 이르러 가장 근본적인 입자인 원자를 찾으려는 시도는 중력과 역학의 세계로 넘어가게 된다. 뉴턴은 모든 사물의 행위를 ‘원자’적인 부분에서 유래하는 성질로서 파악하고, 이들의 운동성에 깔린 ‘바탕’을 탐구하는 영민한 시도를 했다. ‘물질’에 관한 탐구, 즉 원자에 대한 탐구는 이로써 지난 2000여 년 동안보다 이후 300년 동안 급물살을 타기 시작했다. 인류는 이제 물질에 대한 탐구는 ‘질량’에 대한 탐구가 기반이 되어야 함을 이해하게 된 것이다.
이후 ‘가장 작은 입자’의 존재를 증명하는 일은 ‘질량’의 속성을 밝히는 일과 짝을 이루었다. 그러면서 현대 과학의 난제도 시작되었다. 이를 일치시키는 일은 생각보다 쉽지 않았던 것이다. 뉴턴이 세운 고전 역학은 거시 세계에서 사물과 우주의 행위를 설명하는 데는 탁월했지만, 미시 세계를 설명하기에는 미진했다. 현대 과학이 오늘날 일반인들은 물론, 과학 전공자조차도 이해하기 힘든 모습으로 변모하게 된 것은 이때부터였다. 20세기에 들어 고전 역학으로 설명할 수 없는 미시적 행위들, 우주의 미스터리들을 풀기 위해 온갖 이론이 등장하게 된 것이다.
지난 100여 년간 양자역학의 태동부터 우주과학에 이르기까지 과학은 이전 인류의 상상을 뛰어넘는 수준으로 발전했다. 이는 가장 작은 입자를 찾고, 그것을 설명하기 위한 과학자들의 노력에 바탕을 두고 있다. 과학자들은 새로운 미립자들을 계속해서 발견하고 예측하지만, 아직까지 이것들의 행동 방식과 본질적 성격에 대해서는 명확한 답을 내리지 못했다. ‘물질’이란 무엇인가, ‘질량’이란 무엇인가에 대한 추적은 아직도 끝나지 않은 것이다. 오히려 현대과학은 이 질문에 대한 답을 제시하면서, 이를 더욱 어렵고 복잡한 것으로 만들고 있는 듯 보이기도 한다. 또한 이 질문의 답을 찾아낼 수 있을지조차 과학자들은 장담하지 못한다. 그러나 과학자들의 끊임없는 탐구는 궁극적으로 우주와 존재에 대한 미스터리를 조금씩 밝혀나가며, 그를 밝힐 수 있는 수많은 기술을 만들어내고 있다.
물질의 탐구, 즉 질량에 대한 탐구는 지난 2500년간 인간과 우주를 바라보는 인류의 관점이 어떻게 변화했는지, 이에 따라 과학이 어떻게 발전했는지에 관한 이야기이기도 하다. 무엇보다도 저자는 과학의 기저를 이루는 근본적인 사유와 그 방식에 초점을 두어 서술함으로써 우리를 과학에 대한 새로운 이해에 도달하게 해준다. 난해하기 그지없는 물리학을 수식을 최대한 배제한 채, 새로운 시각으로 흥미롭게 풀어낸 이 책은 이 시대 물리학의 바이블에 부족함이 없다.

파퓰러 사이언스
“영국에서 가장 유명한 과학 작가인 짐 배것은 결코 우리를 실망시키지 않는다. 이 책 역시 신선한 충격과 함께 물리학의 매력에 푹 빠지게 한다.”

퍼블리셔스 위클리
“난해한 물리학을 매혹적으로 풀어냈다. 이 책을 통해 우리는 ‘질량’이란 것을 새로운 눈으로 바라보게 될 것이다.”

네이처
“고대 그리스 원자에서 오늘날의 양자역학까지, 우리가 질량을 이해하는 과정은 어떻게 변화했을까? 촘촘하게 엮어낸 파란만장 과학사.”

커커스 리뷰
“물질은 무엇인가라는 질문에 답을 찾고 상상력을 자극하는 책.”

프롤로그
제1부 원자와 공허
1 조용한 성채
2 물자체
3 힘의 작용
4 회의적 화학자
제2부 질량과 에너지
5 대단히 흥미로운 결론
6 비교될 수 없는
7 직물
8 어둠의 심장 안에서
제3부 파동과 입자
9 절망의 몸부림
10 파동 방정식
11 유일한 미스터리
12 맨질량과 입혀진 질량
제4부 장과 힘
13 자연의 대칭
14 이 망할 놈의 입자
15 표준 모형
16 질량 없는 질량
에필로그
주
용어 설명
찾아보기

오늘날에는 기계론자들을 ‘과학자’(또는 최소한 과학혁명의 전령)로, 근대철학자들을 ‘철학자’로 생각하는 경향이 있다. 그러나 사실 이 두 집단은 탐구의 본질과 방식에서만 약간의 차이를 보일 뿐 거의 연속적인 스펙트럼을 형성한다. ‘과학자’들 중 대다수는 철학적 (그리고 신학적) 사색에 관여했고, ‘철학자’들 대다수도 실험에 참여하거나 아니면 적어도 실험적 과학의 결론을 잘 알고 있었다. 데카르트는 기계론자이기도 했다. _40쪽

이것이 과학이 작동하는 방식이다. 과학사를 자세히 살펴보면 과학자 혼자서 또는 소수의 집단이 곧장 ‘진실’로 도약하는 발견은 거의 없으며, 설사 있다 하더라도 매우 드물다. 그 대신 짙은 안개 틈으로 진실이 슬쩍 모습을 드러내면, 어느 과학자가 진실의 일부를 붙들고 같은 진실의 다른 부분을 붙든 다른 과학자와 격한 논쟁을 벌인다. 그런 와중에 어떤 질서가 잡히면서 진전이 이루어지고, 비로소 안개가 걷히게 된다. _75쪽

공간, 시간, 질량, 에너지의 ‘직물’은 물리학 체계뿐만 아니라 우주 전체를 짜 넣기 위해 필요한 것이다. 따라서 다음 질문은 명백하다. 아인슈타인의 일반상대성 이론의 장방정식들은 전체로서의 우주에 대해 무엇을 말해주고 있는가? 그 답 중 하나는 아인슈타인 자신이 1917년에 제공했는데, 프러시안 과학 아카데미에서 새로운 이론을 발표한 지 겨우 2년 후의 일이었다. 언뜻 보면 마치 이론물리학자들이 장엄함의 환상에 빠진 것 같을지도 모르겠다. 어떻게 단 몇 줄의 방정식이 우주처럼 복잡한 것을 설명하리라 기대할 수 있단 말인가? 사실 아인슈타인의 장방정식은 시공간과 질량?에너지 사이의 관계를 설명하는 것이라서, 원칙상으로는 모든 성분이 다 제시되어 있다. 이것은 단지 ‘규모’의 문제다. _138쪽

이 방정식에서 정적인 우주를 끌어내기 위해, 아인슈타인은 좌변에 새로운 항을 도입해 균형을 맞추는 시도를 했다. 이것은 단순한 수학적 ‘상수’였고, 양쪽의 균형을 다시 맞춘다는 것 외에 진짜 의미는 없는 것이었다. 그러나 이 방정식들이 물리계를 표현하는 것이라면 방정식에 포함되는 항들은 모두 물리적 해석을 담고 있어야 한다. 만일 이 새로운 항이 우주의 자체 붕괴를 막기 위해 필요한 것이라면 시공간을 반反중력적인 기이한 힘으로 가득 채워야 한다. 이 힘은 먼 거리에서도 작용하는 반중력적 압력 같은 것으로, 우변의 질량?에너지들에 의해 만들어지는 곡률 효과를 상쇄하는 것이어야 한다. _141쪽

이런 성공을 거두었음에도 불구하고, 이제 갓 태어난 원자의 양자 이론은 삐걱거렸다. 가장 단순한 원자인 수소 원자의 스펙트럼은 어떻게든 끼워 맞춘 듯한 규칙을 이용해 어느 정도 설명할 수 있었지만, 바로 그다음 원자인 헬륨은 설명할 수 없었다. 아예 다른 유형의 원자들, 예를 들어 나트륨과 희토류 원소들(예를 들어 란타늄, 세륨)의 스펙트럼은 자기장 안에 두면 변칙적으로 갈라졌다. 퍼즐은 끊임없이 등장했다. 시간이 흐를수록 고전 개념에 억지로 욱여넣은 양자 규칙에서 탄생한 양자 이론이 제대로 작동하지 않는다는 사실은 점점 더 분명해졌다. 우리에겐 완벽하게 새로운 ‘양자역학’이 필요했다. _178쪽