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우주의 음악을 찾아 떠나는 물리학자의 찬란한 지적 여행

우주와 음악의 숨은 연결 고리를 찾고자 하는
물리학 교수이자 재즈 음악가의 자전적 이야기

NPR 선정 올해의 책
《뉴욕 타임스》 《뉴 사이언티스트》 추천 도서

물리학자이자 재즈 음악가인 저자는 이 책에서 고대로부터 이어져 내려온 ‘우주의 음악’ 또는 ‘음악적 우주musical cosmos’에 관한 탐색을 시도한다. 음악과 우주 사이의 관련성을 간파한 위대한 인물들, 즉 피타고라스, 케플러, 뉴턴, 아인슈타인 등의 발자취를 좇아 음악과 물리학의 보편적인 관련성을 찾아 나선 것이다. 그 과정에서 우리는 피타고라스 등의 옛사람들이 소리를 어떻게 이해했는지, 그들의 사상과 실천이 케플러와 뉴턴 같은 위대한 사상가들의 노력을 거치면서 어떻게 끈과 파동의 역학에 대한 현재의 지식을 낳게 되었는지 알 수 있다.
이 우주론적 여정에는 저자 자신의 이야기가 함께한다. 평생에 걸쳐 재즈와 우주론 사이의 ‘이종동형isomorphism’을 찾으려고 애쓴 이 이야기에는 뉴욕 브롱크스에서 음악 레슨을 받은 어린 시절부터 끈 이론의 성지인 런던 임페리얼 칼리지에서 이론물리학을 연구하는 과정까지 두루 담겨 있다. 색소폰을 불고 방정식을 계산하고 즉흥연주를 하면서 저자는 소리를 구성하는 근본적인 파동들과 그것들의 관련성을 파헤쳤다. 물리학과 음악이라는 두 분야를 ‘유비’라는 개념으로 연결함으로써 우리는 소리를 통해 물리학을 이해할 수 있다.

NPR 선정 올해의 책
《뉴욕 타임스》 《뉴 사이언티스트》 추천 도서

“그 직관을 부추긴 것은 음악이었다. 나의 발견은 음악적 통찰의 결과였다.” - 알베르트 아인슈타인

전설적인 재즈 뮤지션 존 콜트레인은 우주의 의미를 찾고자 하는 간절한 염원이 있었다. 콜트레인은 자신의 악기를 음악과 우주 사이의 새로운 관련성을 탐구하기 위한 도구로 사용했다. 물리학자들이 실험 기기를 써서 똑같은 일을 하는 것과 매우 흡사했다. 콜트레인이 말년에 녹음한 앨범 《인터스텔라 스페이스》는 아인슈타인의 일반상대성이론과 팽창하는 우주 가설에 영감을 받아 만들었다. 그는 음악으로 물리학을 연주했으며 놀랍게도 우주의 팽창이 일종의 반중력임을 간파했다. 물리학자이자 재즈 음악가인 저자 스테판 알렉산더는 이 책에서 콜트레인과 유사한 작업에 나섰다. 재즈를 이용하여 고대로부터 이어져 내려온 ‘우주의 음악’ 또는 ‘음악적 우주musical cosmos’에 관한 탐색을 시도한 것이다.

《뮤지컬 코스모스》는 음악과 우주 사이의 관련성을 간파한 위대한 인물들, 즉 피타고라스, 케플러, 뉴턴, 아인슈타인 등을 따라서 음악과 물리학이 하나였던 고대의 세계를 다시 방문한다. 그 과정에서 우리는 피타고라스 등의 옛사람들이 소리를 어떻게 이해했는지, 그들의 사상과 실천이 케플러와 뉴턴 같은 위대한 사상가들의 노력을 거치면서 어떻게 끈과 파동의 역학에 대한 현재의 지식을 낳게 되었는지 알 수 있다. 피타고라스 이후 2500년이 지나서 끈 이론의 창안자들은 근원적인 끈들을 이용하여 자연의 네 가지 힘들을 통합하는 데 몰두하고 있다. 하지만 그들 중에서 자신들 연구의 핵심 요소인 파동 방정식이 음악과 물리학의 보편적인 관련성에 깊이 뿌리내리고 있다는 사실을 기억하거나 중요하게 여기는 이는 찾아보기 어렵다.

우주의 음악을 찾아 떠나는
물리학자의 찬란한 지적 여행

“나는 무엇보다도 ‘유비’를 귀하게 여긴다. 나의 가장 믿음직한 스승인 이 유비는 자연의 모든 비밀을 알고 있기에, 기하학에서 결코 유비를 무시해서는 안 된다.” - 요하네스 케플러

이 우주론적 여정에는 저자 자신의 이야기가 함께한다. 평생에 걸쳐 재즈와 우주론 사이의 ‘이종동형isomorphism’을 찾으려고 애쓴 이 이야기에는 뉴욕 브롱크스에서 음악 레슨을 받은 어린 시절부터 끈 이론의 성지인 런던 임페리얼 칼리지에서 이론물리학을 연구하는 과정까지 두루 담겨 있다. 색소폰을 불고 방정식을 계산하고 즉흥연주를 하면서 저자는 소리를 구성하는 근본적인 파동들과 그것들의 관련성을 파헤쳤다. 물리학과 음악이라는 두 분야를 ‘유비’라는 개념으로 연결함으로써 우리는 소리를 통해 물리학을 이해할 수 있다. 이 책에서 자세히 밝혀지듯이 화음과 공명은 우주적인 현상이며 이를 이용하여 초기 우주의 역학을 설명할 수 있다. 게다가 다수의 우주 관측 데이터를 통해 드러난 바에 의하면 대략 140억 년 전에 소리 패턴들의 비교적 단순한 조합이 은하 및 은하단과 같은 구조들을 발달시켰고 이로써 마침내 행성과 생명이 출현하게 되었다.

음악이라는 유비는 현대 물리학의 많은 내용을 이해하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 물리학자들이 당면한 몇 가지 불가사의를 밝혀내는 데에도 도움을 준다. 물리학의 근본 법칙들은 일종의 ‘마법처럼’ 우주의 구조를 창조하고 유지하는데, 이는 음악 이론의 기본 뼈대를 바탕으로 〈반짝반짝 작은 별〉에서부터 콜트레인의 《인터스텔라 스페이스》에 이르기까지 온갖 음악이 생겨나는 것과 결코 다르지 않다. 콜트레인, 아인슈타인, 피타고라스에게서 영감을 받은 학제간 접근법을 이용하여 우리는 우주의 ‘마법적인’ 행동이 음악에 바탕을 두고 있음을 차츰 이해할 수 있다. 저자는 음악이라는 비유를 통해 물리학이 포괄적이고 학제적인 새로운 영역, 일종의 즉흥 물리학으로 진입할 수 있다고 주장한다. 학제간의 유비에 뿌리를 둔 즉흥 물리학은 분야 간의 경계를 뛰어넘고 있다.

피타고라스는 음악의 기쁨이 어디서 오는지 이해하고자 망치와 현을 연주했다. 케플러는 우주가 음악적이라는 자신의 직관을 이용하여 천문학, 물리학 및 수학 분야들에서 중대한 발전을 이루었다. 음악과 소리는 우주의 핵심 요소다. 저자에 따르면 음악 작곡의 대칭성은 양자 장에 존재하는 대칭성을 반영하며, 과학과 음악 양 분야에서 이러한 대칭성의 붕괴는 아름다운 복잡성을 창조한다. 대칭 붕괴를 통해 물리학에서는 자연의 상이한 힘들이 생겨나고, 음악에서는 음악적 긴장과 누그러짐이 발생한다. 음악과 물리학 사이의 유비를 깊이 추구한다면 다음과 같은 매혹적인 비유가 가능할지도 모른다. 우주에서 최초의 별과 은하들은 우주의 탄생 직후 태곳적 플라스마 내의 소리에 의해 만들어졌으며, 이런 별과 은하들이 씨앗이 되어 더 복잡한 패턴의 은하들, 그리고 특정한 공명 진동수에 맞춰 노래하는 별들을 낳았노라고.

우주와 음악의 경이로운 유사성
그리고 아름다운 조화의 세계

“언젠가 자네의 사람들이 물리학을 하게 되면 마치 재즈 같을 거네.” - 압두스 살람(1979년 노벨물리학상 수상자)

캐나다 물리학자 빌 언루는 블랙홀의 물리학과 소리 사이의 놀라운 유사성을 통해 블랙홀의 신비를 고스란히 드러냈다. 그가 찾아낸 블랙홀 지평선은 음향적 속성을 지닐 뿐만 아니라, 최근에 밝혀지기로 어떤 블랙홀은 수벌처럼 윙윙거리는 노래를 부른다. 또한 우주론자 짐 피블스와 대학원생 제자인 저 유는 우주를 일종의 음악적 현상이라고 본 피타고라스와 케플러의 통찰을 처음으로 입증해냈다. 두 사람에 따르면 초기 우주는 파장이 30만 광년까지 뻗어 있는 음파를 생성했다. 30만 광년은 최초의 안정된 원자들이 생성되면서 CMB 복사가 방출될 때의 우주의 크기다. 그 음파는 최종적으로 우주의 대규모 구조가 형성되는 데 이바지했다.

이러한 연구 성과를 바탕으로 저자는 우주와 음악 사이에 숨은 연결 고리를 찾아내고자 한다. 그에 따르면 초기 우주에서 생겨난 파형들이 별을 생성했다. 별은 원소들의 요란한 융합 과정에서 음표와 같은 소리를 낸다. 별은 스스로 조직화하여 쌍성계나 성단과 같은 더 큰 구조를 이루는데, 이는 음악에서의 악구에 해당한다. 게다가 은하 내의 별 수백만 개도 스스로 조직화하여 자기유사적인 프랙털 구조를 이루는데, 바흐와 리게티가 작곡한 음악에서도 그런 프랙털 구조가 보인다. 핵 물질을 구성하는 쿼크들의 대칭적 패턴에서부터 DNA의 이중나선 구조까지, 나아가 초은하단 내의 은하들에 패턴에 이르기까지 우주는 구조들로 가득 차 있다. 심지어 이처럼 무수히 많은 구조를 생성하는 바탕이 되는 물리 법칙들조차도 구조를 지니는데, 이는 대칭성 원리와 대칭성의 붕괴 사이의 끝없는 춤에 의해 지배된다.

《뮤지컬 코스모스》는 음악을 매개로 여행을 하면서 우주의 구조를 밝혀내는 일에 음악적 속성이 있음을 알려 준다. 화음, 대칭성, 불안정성, 즉흥연주의 빈틈 등 모든 음악적 속성이 함께 어우러져 우주적 구조가 유지된다. 우주를 파헤치는 일은 마치 콜트레인의 솔로 작품을 파헤치는 일과 비슷하다. 우주적 구조의 촉매는 양자장들인데 이 장들은 시공간의 팽창과 수축의 순환들을 통해 조화를 이루는 성향을 지녔다. 이런 장들의 초기 진동이 시공간 배경 전체에 걸쳐 마치 진동하는 악기처럼 울려 퍼졌고 이로써 우리 우주의 최초 구조가 생성되었다.

들어가며 ─ 9

1장 거대한 발걸음 ─ 21
2장 쿠퍼 교수한테서 받은 가르침 ─ 41
3장 모든 강은 우주의 구조로 통한다 ─ 58
4장 아름다움을 찾아서 ─ 70
5장 피타고라스의 꿈 ─ 91
6장 이노, 소리 우주론자 ─ 111
7장 새로운 음악을 찾아서 ─ 121
8장 진동의 보편성 ─ 131
9장 반항하는 물리학 ─ 149
10장 우리가 사는 우주 ─ 158
11장 소리의 블랙홀 ─ 173
12장 우주 구조의 조화 ─ 183
13장 양자 뇌 속으로 떠나는 여행 ─ 198
14장 파인만의 재즈 패턴 ─ 211
15장 우주의 공명 ─ 221
16장 잡음의 아름다움 ─ 234
17장 음악적 우주 ─ 252
18장 인터스텔라 스페이스 ─ 266

나오며 ─ 284

감사의 말 ─ 289
주 ─ 291
찾아보기 ─ 298

본문 맛보기

콜트레인은 음악으로 물리학을 연주했으며 놀랍게도 우주의 팽창이 일종의 반중력임을 간파했다. 재즈 합주에서 ‘중력에 의한’ 인력은 리듬 섹션의 베이스와 드럼으로 표현된다. 《인터스텔라 스페이스》 속의 곡들은 리듬 섹션의 중력에서 벗어나 팽창하는 콜트레인의 장엄한 솔로 파트가 압권이다. 그는 손끝으로 물리학을 울려 퍼지게 한 음악의 혁신자였다. 아인슈타인도 마음으로 우주의 음악을 들은 물리학의 혁신자였다. 그렇기는 하지만, 둘이 한 일은 새로운 것이 아니었다. 둘은 음악과 물리학의 관련성을 ‘재현했을’ 뿐인데, 그러한 관련성은 이미 수천 년 전에 피타고라스―당대의 콜트레인―가 음악의 수학을 처음으로 알아냈을 때 밝혀진 사실이었다. 피타고라스의 철학은 “만물은 수數다”란 말로 요약되며, 음악과 우주는 둘 다 이 철학의 발현이었다. 가령 행성들의 궤도를 지배하는 수학에 의해 ‘천구들의 음악’이 울려 펴지고, 진동하는 현의 음정들로 이루어진 화음이 연주된다는 식이었다.
- 15-16쪽, <들어가며>

음악가와 물리학자의 길이 다르지 않음을 보여 준 카플란 선생님 같은 안내자가 있었기에 직업 물리학자로서 나의 길을 내디딜 수 있었다. 하지만 옳은 선택을 했는지 계속 갈등할지도 몰랐다. 이런 의혹을 떨치려면 물리학과 음악이 서로 소통할 방법을 찾아야 함을 나는 깨달았다. 내 마음 한구석에는 카플란 선생님 연구실의 한쪽 벽에 있던 아인슈타인의 모습과 다른 쪽 벽에 있던 콜트레인의 모습이 함께 자리 잡고 있었다. 내 평생에 걸친 물리학과 음악 간의 대화는 그렇게 시작되었다.
- 39-40쪽, <1장 커다란 발걸음>

내가 박사학위 과정을 밟고 박사후 연구원이었다가 지금은 교수로서 독자적인 연구를 하게 된 기나긴 세월 동안, 다른 재즈 음악가들은 음악에 몸담고 수많은 시간을 음악 이론과 악기를 숙달하는 데 바쳤다. 물리학자들과 함께 있을 때, 나는 대체로 음악과 물리학 사이의 관련성에 대한 호기심을 밖으로 내비치지 않았다. 하지만 더 이상 충동을 떨쳐낼 수 없었다. 어쨌거나 디랙의 말마따나 수학 특히 대칭성의 적용은 기초물리학에 발전을 가져오며, 나도 스몰스 클럽의 즉흥 재즈 세션에서 기하학과 대칭성을 음악에 적용한 경험이 있었다. 게다가 테너 색소폰 솔로를 연주할 때 가끔씩 번쩍거리는 물리학적 통찰의 섬광은 너무나 생생했다. 나중에 알고 보니 우리가 물리학이라고 알고 있는 것의 탄생은 아름다움을 찾는 일군의 사람들이 일으킨 불꽃이었다. 그들은 음악과 수학의 합일에서 그것을 찾았다. 그들은 바로 피타고라스학파다. 아마 내게도 피타고라스학파의 피가 흐르나 보다.
- 89-90쪽, <4장 아름다움을 찾아서>

차츰 나는 우주 최초의 순간들을 관장했던 물리학―아무 형태가 없던 텅 빈 우주가 성장하여 오늘날 우리가 보는 풍부한 구조로 변모하는 과정―과 이노의 생성 음악 사이의 관련성에 눈떴다. 우주의 구조가 이노의 생성 음악처럼 파동의 한 시작 패턴에서 비롯될 수 있을지 궁금했다. 나는 푸리에 변환과 동시에 이노의 음악적 두뇌에서 흘러나오는 영감이 필요했다. 어쨌든 이노는 대다수 물리학자를 뛰어넘는 직관력으로 푸리에 개념을 주무르고 있었던 것이다. 나는 이 직관을 발전시켜 그걸로 무언가 창조적인 일을 하고 싶었다. 그날 아침 이노의 스튜디오에 갔더니, 파형들을 만지작거리고 있던 그가 빙긋 웃으며 말했다. “이봐, 스테판, 나는 작동시키면 곡 전체를 생성하는 간단한 시스템을 설계하는 중이네.” 내 머릿속에 전깃불이 번쩍거렸다. 우리가 사는 우주의 복잡한 구조, 그리고 인간과 같은 복잡한 생명체의 구조를 생성할 수 있는 진동 패턴이 초기 우주에 있었다면 어떻게 될까? 그리고 이러한 구조가 즉흥적 속성을 갖고 있었다면 어떻게 될까? 내가 처음에 배웠던 즉흥 연주에 몇 가지 실마리가 있었다.
- 119-120쪽, <6장 이노, 소리 우주론자>

세미나가 끝난 후 주앙과 몇 시간 동안 이야기를 나누었다. 주제는 그가 제시한 변하는 빛의 속력 이론을 끈 이론의 맥락에서 구현하기 위한 새로운 몇 가지 아이디어였다. 내가 보기에 그는 재즈 음악가 소니 롤린스, 존 콜트레인, 마일스 데이비스 및 오넷 콜먼과 닮은 구석이 있었다. 전통을 완벽히 숙달한 뒤에 기존의 권위자들이 뭐라 여기든 어떤 파문이 일든 두려워하지 않고서 전통을 새로운 수준으로 끌어올린 사람들 말이다. 그러한 변화는 의도적인 때도 있었고 즉흥적으로 출현할 때도 있었다. 그런 자세로 나도 가변적인 빛의 속력 이론을 받아들였고 그 순간 카페에서 우리는 함께 물리학을 즉흥연주한 셈이었다. … 음악과 물리학을 함께 엮어서 하나의 원리로 파악하게 되면서 나는 음악의 개념들을 이용하여 현대의 물리학과 우주론의 여러 분야에 접근하는 방법을 터득했다. 양 분야의 유사성을 간파하고 나니 물리학이 더욱 접근하기 쉽고 흥미진진해졌다.
- 255-256쪽, <17장 음악적 우주>

세미나가 끝나고 나서 살람은 제임스를 점심 식사 자리에 데려갔다. 제임스는 스승과 함께 온갖 질문과 아이디어를 주고받았다. 그런데 느닷없이 살람이 이런 말을 했다. “언젠가 자네의 사람들이 물리학을 하게 되면 마치 재즈 같을 거네.” 재즈라는 음악이 문화적, 국제적으로 폭넓게 공헌한 바를 크게 칭찬하고 긍정하고 인정해 주는 말이 아닐 수 없다. 살람의 말에 담긴 뜻은 재즈처럼 소리가 역동적이고 은유가 풍부한 음악 문화를 창조한 사람들의 천재성이 또한 물리학이라는 활동에도 이바지할 수 있다는 의미다.
- 286-287쪽, <나오며>