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사탕 대신 파이와 과학책을!

언제부터인가 3월 14일은 사탕을 주고받는 화이트데이가 됐다. 하지만 수학도와 과학도들에게 이 날은 파이를 나누는 ‘파이데이’이기도 하다. 원주율(π) 3.14의 발견을 기념한 날이자 아인슈타인의 생일이기 때문이다.

2019년 파이데이의 의미는 어느 해보다 깊을 전망이다. 지난해 세상을 떠난 스티븐 호킹의 기일이 바로 3월 14일이기 때문이다. 원주율을 뜻하는 3.14가 두 천재 과학자의 생일이자 기일이라는 것도 공교롭지만, 우주 탐구에 평생을 바쳤던 두 사람 모두 76세를 일기로 하늘의 별이 되었다는 사실은 일부러 만들려고 해도 어려운 기막힌 우연이 아닐 수 없다.
아인슈타인이 극찬한 과학 교양서의 고전
매년 3월이면 과학 매체의 단골 기획으로 아인슈타인 관련 전기와 그의 상대성이론이 등장하곤 한다. 2019년 국내 출판계에서도 3월 14일을 기해 상대성이론에 대한 눈에 띌 만한 움직임 하나가 포착된다. [우주와 아인슈타인 박사(The Universe and Dr. Einstein)]의 한글 완역본(글봄크리이에티브 펴냄)이 나왔다.

[우주와 아인슈타인 박사]는 1948년, 저널리스트 출신의 링컨 바넷이 쓴 책으로, 현대 물리학 교양서의 세계적 고전이다(세계 도서관 정보 DB 월드캣의 2016년 집계에 따르면, 이 책은 출간 이후 세계 28개 이상의 언어로 번역되었고 286개 에디션이 세계 2929개 도서관에 소장돼 있으며 꾸준히 독자들로부터 사랑받고 있다). 아인슈타인이 추천한 유일한 상대성이론 해설서라는 타이틀도 갖고 있다. 아인슈타인의 추천사가 두 페이지에 걸쳐 소개되고 있다.

“이 책은 너무 전문적인 용어로 독자들의 독서 의욕을 꺾어버리는 책에 머물지 않고 쉬운 방법으로 나의 상대성이론을 지극히 잘 소개하고 있다. … 과학 연구의 성과를 몇몇 전문가가 이어받아 더 발전시키고 응용하는 것만으로는 충분하지 않다. 지식의 정수를 소수 그룹에 국한하는 것은 대중의 철학적 사고를 약화시키는 것이며, 이는 결국 대중의 정신적 빈곤을 초래하게 한다. 링컨 바넷의 이 책은 과학을 대중적으로 알리는 데에 값진 기여를 했다. 그중에서도 나의 성대성이론의 핵심 개념을 지극히 잘 소개하고 있다.”

인식의 한계 너머 우주의 신비를 말하다!
뉴턴의 상대성원리가 인간이 체감할 수 있었던 범위에서 자연의 원리를 설명했다면, 아인슈타인은 사유의 폭을 인간 인식 범위 너머에서 있는 자연의 신비 영역까지 넓혔다. 그가 인식과 사고의 범위를 넓힐 수 있었던 배경은 무엇이었을까? 아인슈타인은 당시에 당연하게 받아들여졌던 선배 철학자들과 과학자들의 사상과 이론을 끊임없이 의심하고 검증해 받아들였지 그대로 수용하지 않았기 때문에 가능한 일이었다.

아인슈타인은 시간과 공간도 색깔이나 냄새처럼 사고나 증명 없이 받아들이는 인식 범위 안에서 정의되고 존재할 뿐 객관적 실체가 없다고 결론을 내렸다. 이러한 아인슈타인의 철학적 접근과 증명의 결과는 현대 과학에 큰 영향을 끼쳤다. 철학자들이 인간의 지각을 통해 객관적 실체를 표현하는 과정에서, 실제로 존재하는 복잡한 현상을 단순하게 축소한다는 문제도 드러났고, 과학자들 역시 인간의 감각에는 자신들을 당혹스럽게 하는 한계점이 있음을 알게 됐다.

이 책에는 고대 이래로 자연을 설명하기 위해 나왔던 수많은 물리학의 법칙과 이론들이 등장한다. 하지만 복잡한 수식이 아닌, 일상의 쉬운 예로서 소개하기 때문에 어렵지 않게 이해할 수 있다. 특히 아인슈타인의 인식론적 우주관과 종교관까지도 엿볼 수 있어 상대성이론은 단순히 자연법칙이 아니라 인식의 변혁을 가져오는 사고체계라는 말을 이해할 수 있게 된다.
인문학으로서 상대성이론, 과학과 철학의 콜라보
그러면서도 저자는 현대 물리학의 한계를 지적하고 있다. “인간이 감각이 불완전하기 때문에 그 한계 너머로 무엇이 있는지를 알아보기 위해 수학적 기호체계를 사용하고 있다. 하지만 수학적 접근을 주로 한 나머지 그 실체와 과학의 간극을 더 넓혀 놓고 말았다”고 아이러니한 현상을 우려한다.

아인슈타인의 발견이 바꿔 놓은 인식의 변혁은 무엇일까? 박문호의 자연과학세상(박자세) 회원으로 활동하는 엑셈의 조종암 대표는 “기계적 원리로 자연 현상을 이해했던 뉴턴의 이론과는 달리 상대성이론이나 양자역학으로 들어가면, 우주는 기계적이지 않다는 것을 알기 때문에 철학이 된다”며, “아인슈타인의 상대성이론과 양자역학은 단순 물리학 이론이 아니라 세계를 어떻게 바라보느냐 하는 관점이 투영된 세계관”이라고 말한다. 따라서 현대의 인문학은 상대성이론 등 자연과학적 접근방법까지 통합해서 접근할 수 있어야 함을 강조했다.

다소 추상적인 과학의 주제를 대중적인 방식으로 소개해본 적이 있는 사람이라면, 그러한 시도가 얼마나 어려운 일인지를 잘 알고 있다. 어떤 이들은 문제의 핵심은 감추고서 독자들에게 피상적인 모습이나 막연한 암시만을 보여줌으로써 알기 쉽게 설명하는 데는 성공할지 모른다.
그러나 이는 자칫 주제와 내용을 다 이해한 듯한 착각을 불러일으켜 결국 독자를 속이는 것이 된다. 반대로 어떤 이들은 과학의 주제를 너무 전문적인 언어로 해설한 나머지 일반 독자가 그 내용을 따라가기 어렵게 만들고, 과학서적에 대한 흥미와 독서 욕구마저 떨어뜨리기도 한다.
오늘날 대중을 위한 과학 해설서에서 위의 두 가지 부류를 제외하면 놀랍게도 남는 게 거의 없다. 그러나 이러한 두 가지 문제점을 극복한 소수의 과학 해설서는 참으로 소중한 가치를 지닌다. 이는 대중에게 과학연구의 노력과 성과를 독자 자신의 의식과 지성으로 체험해볼 수 있는 기회를 제공한다는 점에서 매우 중요하다. 해당 분야 몇몇 전문가들이 그 성과를 이어받아 더 발전시키고 응용하는 것만으로는 충분하지 않다. 지식의 핵심 내용을 소수 그룹에만 국한하는 것은 대중의 철학적 사고를 약화시키는 것이며, 이는 결국 정신적 빈곤을 초래하게 한다.
링컨 바넷의 이 책은 과학을 대중적으로 알리는 데에 값진 기여를 했다. 그중에서도 나의 상대성이론의 핵심개념이 지극히 잘 소개돼 있으며, 더 나아가 우리가 알고 있는 물리학 지식의 현주소를 아주 적절하게 기술해 놓았다.
저자는 과학 지식의 실제적인 성장이 모든 실증적 데이터를 포괄하는 통합이론에 대한 노력과 함께 어떤 방법으로 현 시점에까지 이르렀는지 그 진화과정을 보여준다. 그러나 현재의 상황은 모든 과학적 성과나 업적에도 불구하고 기본적인 이론의 개념을 채택함에 있어서는 여전히 불확실성을 안고 있다
1948년 9월 10일

아인슈타인의 추천사
지은이의 글

1장 우주의 실체를 향한 인간의 도전
질서 있는 우주와 인간의 무관심 | 대우주와 소우주를 잇는 다리 | 우주의 다양성을 한 이론으로 설명 | ‘왜’에서 ‘어떻게’로 이동한 과학의 쟁점

2장 보이는 것과 실체 사이의 간격
양자론과 상대성이론의 출현 | 경험과 인지의 세계로부터 멀어진 물리학 | 객관적 실체가 없는 시간과 공간 | 빛나지 않는 빛 | 인식을 꿰뚫는 신비로운 질서

3장 양자론과 광전효과
복사에너지, 불연속 양자의 공간이동 | 광전효과로 양자이론의 가치 증명 | 파동인가 입자인가! 빛의 이중성 | 우주의 기본 단위, 전자 | 확률파와 파립자의 세계

4장 양자역학과 불확정성원리
불확정성, 자연의 궁극적 장벽 | 흔들린 인과론과 결정론 | 신은 주사위 놀이를 하지 않는다 | 미시세계에서 텅 빈 공간과 시간의 세계로

5장 뉴턴과 갈릴레오의 상대성원리
위치와 운동의 상대성 | 뉴턴 상대성원리의 철학적 의의 | 에테르와 뉴턴 우주론에 대한 도전 | 방향에 관계없이 빛의 속도는 일정

6장 특수상대성이론과 광속불변원리
자연법칙, 등속운동하는 모든 계에 동일 | 시간의 감각도 인식의 한 형태 | 주관적 인식에서 객관적 개념으로 | 변환법칙과 빛 | 광속불변원리 | 속도합산원리의 오류와 동시성의 상대성 | 기준계마다 특정 시간이 있다

7장 고전물리학과 특수상대성이론
로렌츠 변환과 막대자의 수축 | 빛의 속도는 우주 최고의 제한속도 | 상식이란 18세 이전에 습득한 편견 덩어리 | 안 보이는 물질 입자의 전혀 다른 행태

8장 질량이 곧 에너지, E=mc2
물체가 작아지면서 무거워질 수 있을까? | 에너지도 질량을 갖는다 | 물질과 에너지의 상호변환 | 질량과 에너지의 실체 | 모든 운동계를 지배하는 신비한 힘

9장 일반상대성이론의 예비지식: 4차원 시공연속체
비행을 물리적 실체로 구체화하려면 | 시간과 공간은 뗄 수 없는 관계 | 수억 년 전 별빛이 내 눈앞에 | 우주적 장엄을 설명할 수 있는 조건

10장 일반상대성이론의 출발점: 관성과 중력
운동은 일종의 상대적인 상태 | 절대운동의 기준계로서 빈 공간 | 아인슈타인 이론의 발판은 뉴턴의 관성법칙 | 질량에 상관없이 같은 속도로 낙하

11장 중력과 관성의 등가원리
공간의 개념에는 위아래가 없다 | 중력은 힘이 아닌 물체의 경로 | 중력장이라는 물리적 실체| 구조법칙과 운동법칙 | 빛에 미치는 중력의 효과 예측

12장 일반 상대성이론: 빛에 미치는 중력의 효과
질량을 갖고 중력장의 영향을 받는 빛 | ‘아인슈타인 효과’와 중력파

13장 일반상대성이론으로 본 우주의 모습
공간이라는 무한 바다를 떠도는 섬우주 | 지구의 곡률, 유클리드를 비웃다 | 유한하지만 경계가 없는 우주 | 구성물질에 의해 결정되는 곡률

14장 여전히 풀지 못한 우주의 기원
헝겊 붙인 풍선처럼 팽창하는 우주 | 태초의 우주 대폭발 | 최대 엔트로피 상태를 향하는 우주 | 증명하지 못한 ‘맥동하는 우주’ | 암흑과 붕괴를 향하는 우주

15장 자연계의 힘과 법칙을 한데 묶는 통일장이론
상대성이론과 양자론을 잇는 다리, 통일장 | 중력과 전자기력을 실체로 표현 | 우주 전체는 하나의 기본장 | 보이지 않는 것에서 나온 보이는 것들

부록
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옮긴이의 글
감수자의 글

대학 졸업생들조차도 상대성이론이 그 자체의 과학적 가치를 뛰어 넘어 로크, 버클리, 흄과 같은 위대한 인식론자들의 사상을 발전시키는 데에 중요한 철학적 체계를 형성하고 있다는 것도 잘 모른다. 결국 사람들은 자기가 살고 있는 광활하고 신비롭고 불가사의할 정도로 질서 있는 ‘우주’에 대해서는 별 개념이 없다는 얘기다. _15

우리가 살고 있는 세계를 묘사하고 설명하는 것이 과학의 목적인 만큼 조화롭게 통일된 하나의 이론으로 우주의 다양성을 설명할 수 있다면, 과학이 추구하는 궁극의 목표에 도달할 수 있을 것 같다. 그러나 실체를 향한 인간의 과학적 의문이나 진보와는 달리 ‘설명’이란 말의 의미는 점점 위축되고 있다. 아직도 과학은 전기, 자기, 중력 등의 실체를 ‘설명’하지 못하고 있는 게 사실이다. _19

양자론과 상대성이론이 제시하는 방정식은 빛의 방사(빛의 입자성)와 빛의 전파(빛의 파동성)를 지배하는 법칙을 분명하게 정의하고 있다. 그러나 원자가 어떻게 빛을 방출하고 빛이 어떻게 공간 속으로 퍼져나가는지, 그 실제적인 메커니즘은 알 수 없기 때문에 이는 여전히 자연의 최고 미스터리로 남아 있다. _26

오늘날 물리학의 역설적 모습은 수학적 도구가 발전할수록, 관찰자인 인간과 과학적으로 설명된 객관적 세계 사이에 놓인 간격이 점점 더 벌어지고 있다는 사실이다. 아무리 훌륭한 수학적 도구를 사용해서 도출해낸 과학적 설명이라 해도 관찰자인 인간이 그 내용을 이해하기는 갈수록 어려워진다는 얘기다. _35

상대성이론을 쉽게 이해하지 못하게 한 원인의 상당 부분은 색을 분별하는 감각처럼 시간의 감각도 인식의 한 형태임을 인정하기 꺼리는 데에 있다. 색을 분별할 수 있는 ‘눈’ 없이는 색이 존재할 수 없는 것처럼, 시간을 지정해줄 사건이 없다면 한순간?한 시간?하루는 존재하지 않는다. _75

추상적인 수학 언어로 언급된 이 명제의 의미가 일반인에게는 분명하게 와닿지는 않는다. 그러나 물리학에 있어 하나의 방정식은 그저 추상적 작업이 아니라 과학자들이 자연현상을 기술하는 데 편리한 속기표현의 일종이라 하겠다. _91

아인슈타인이 지적한 바와 같이 ‘상식’이란 18세 이전에 습득한 편견 덩어리일 뿐이다. 그 후에 나타난 모든 새로운 개념은 기존에 굳건히 자리잡고 있던 ‘자명한’ 낡은 개념과 싸워야만 한다. 그래서 아인슈타인은 기존에 아무리 ‘자명하다’ 해도 증명되지 않은 것은 어떤 원리도 받아들이려 하지 않았다. 그랬기 때문에 그는 이전의 어느 과학자들보다도 자연에 깊숙이 내재한 근본 실체에 더 가까이 파고들 수 있었다. _95

잠시 동안 지구에 사는 우리 인간은 과거, 현재, 미래에 대한 각자의 느낌에 따라 자기중심적으로 사건을 배열한다. 그러나 ‘인간의 의식’이라는 틀을 벗어나면 객관적 세계의 실체인 우주에서는 아무 일도 일어나지 않으며, 우주는 단순히 ‘존재’할 뿐이다. _118

아인슈타인이 말하는 중력은 뉴턴의 그것과는 완전히 다른 것이다. 그것은 ‘힘’이 아니다. 아인슈타인에 따르면, 물체들이 서로를 ‘끌어당긴다’는 고정관념은 자연에 대한 잘못된 역학적 해석에서 나온 오류이다. _137

과학자나 철학자가 말하는 ‘실체의 세계’란 바다 밑에 잠겨 있는 빙산처럼 인간의 인식이 접근할 수 없는 곳에 색도 없고 소리도 없고 만질 수도 없는 세계로서, 상징들로 구성된 골격같은 것이다. 그런데 이 ‘상징’이란 것은 변하기 마련이다 _188

인간의 능력으로 피할 수 없는 막다른 골목은 인간이 탐구하려는 세계의 일부분이 바로 ‘자기 자신’이라는 점이다. 인간의 신체도, 두뇌도 별들 사이 공간을 떠도는 검은 먼지구름의 기본입자와 똑같은 입자로 돼 있다. 결국 인간은 영원한 시간과 공간 속의 한낱 덧없는 존재에 불과하다는 얘기다. 대우주와 소우주의 중간에 서 있을 때 인간은 양쪽 모두에서 장벽을 발견하게 된다. 그러므로 인간은 1900년 전에 바오로 사도가 그랬던 것처럼, 다음과 같은 말로 경탄할 수밖에 없다. “우리는 세상이 하느님의 말씀으로 창조되었음을 믿습니다. 따라서 보이는 것은 보이지 않는 것에서 나왔음을 깨닫습니다.” _194