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실험 우주론의 핵심인 외딴 곳들에 대한 찬가!

『물리학의 최전선』은 우주론과 입자 물리학의 다음 세대 실험이 이론을 현실에 정박시킬 수 있을 것인가에 대한 답을 얻기 위한 도전을 담은 책이다. 저자는 물리학을 소개하는 것보다 그와 관련된 이야기를 전달하는 데에 초점을 맞추며, 지구 어딘가 극한의 환경에서 미스터리에 도전하고 있는 실험 물리학자들의 이야기를 통해 현대 실험 물리학 현장의 모습을 생생하게 전하고 있다. 미국 캘리포니아 주 윌슨 산에 있는 100인치 망원경을 향한 순례로부터 시작하여 남아프리카 칼라하리 사막, 남극 대륙 등 우주의 미스터리를 밝혀내기 위해 곳곳에서 펼쳐지는 다양한 실험들에 관한 에피소드와 물리학자들의 희노애락 그리고 저자가 직접 체험하고 느낀 것들을 사실적으로 그려내고 있다. 이처럼 극지에서 추구하는 것을 위해 땀 흘리고 일하는 이들의 모습을 통해 열심히 일하고 노력하는 평범한 모습에서 위대한 발견이 탄생한다는 깨달음을 전해준다.

“오직 실험만이 이 막다른 골목을 뚫고 나갈 것이다.”

물리학의 위대한 발전은 이론이 실험과 보조를 맞췄을 때 이뤄졌다. 아인슈타인의 상대성 이론도 마이컬슨과 몰리의 실험과 태양의 중력에 의한 빛의 휘어짐을 입증한 실험이 없었더라면 지금처럼 널리 받아들여지지 않았을 것이다.
이 책은 우주의 미스터리를 밝혀내기 위해 지금도 지구 어딘가 극한의 환경에서 암흑 물질과 암흑 에너지, 뉴트리노, 힉스 입자 등을 찾고 있는 실험 물리학자들의 분투기이다. 이들은 세계에서 가장 깊은 곳, 가장 추운 곳, 가장 높은 곳에서 주변 환경과 거대한 장비들과 씨름하고, 연구비 절감과 해고와 싸우며, 때로는 목숨을 걸기까지 한다. 지구 극한의 지역에서 펼쳐지는 다양한 실험들을 통해 지식의 최종 한계점, 물리학의 최전선까지 뻗어 있는 실험 물리학의 이야기를 만나 보자.

1. 현대 물리학의 최전선, 실험 물리학자들의 현장에 가다

물리학이라는 단어와 동시에 떠오르는 이미지를 상상해 보자. 두꺼운 책과 칠판 가득히 채워진 수식, 사방이 모니터로 둘러싸인 책상에서 머리를 파묻는 천재 과학자의 모습이 쉽게 떠오를지도 모르겠다. 하지만 이러한 모습이 모든 물리학, 물리학자를 대표하는 것은 아니다.
《물리학의 최전선(The Edge of Physics)》은 국내에 처음으로 소개되는 실험 물리학 현장의 이야기를 담고 있다. 마치 공사 현장의 노동자와 같이 땀 흘리는 그들의 모습에서 우리는 과학자의 새로운 모습을 발견하게 된다. 남녀차별로 인해 여성은 천문대 망원경 근처에도 접근할 수 없었던 윌슨 산 천문대 이야기, 핵폐기물 은폐 작업이라는 의심을 사고 있는 버려진 수단 광산에서 일어나는 암흑 물질 탐사, 막대한 비용 절감을 위해 시베리아의 바이칼 호가 얼어붙는 겨울에만 실행되는 뉴트리노 검출 실험, 보이는 것이라곤 얼음과 눈뿐인 남극 대륙에서 펼쳐지는 반물질 탐사, 그리고 “신의 입자”라고 불리는 힉스를 찾기 위한 LHC까지 우리가 지금껏 보지 못했던 현대 물리학의 주요 실험 현장과 이야기 들이 낱낱이 소개된다.
우리는 흔히 위대한 발견을 해내는 사람은 천재이거나 소수의 선택받은 사람이라고 생각한다. 하지만 극지에서 자신이 추구하는 것을 위해 땀 흘리고 일하는 실험 물리학자들의 모습을 보게 된다면, 선택받은 자들이 아니라 열심히 일하고 노력하는 평범한 모습에서 위대한 발견이 탄생한다는 사실을 깨닫게 된다.

2. 96퍼센트의 미스터리에 도전하는 사람들

인간이 우주에 대해 알고 있는 사실이 단 4퍼센트에 지나지 않는다는 것을 알고 있는가? 밤하늘의 별자리부터 블랙홀, 우주 배경 복사와 가속 팽창까지 우리는 인간이 우주에 대한 많은 의문들을 해결하고 있다고 생각한다. 그러나 아직도 우주의 대부분은 미스터리로 남아 있다.
과학 저널리스트인 저자 아닐 아난타스와미(Anil Anathaswamy)는 과학 저널리스트에서 소설가로의 전업을 꾀하다가 2011년 노벨 물리학상 수상자 사울 펄뮤터를 만나 생각이 바뀌게 된다. 소설보다 극적인 96퍼센트의 미스터리에 도전하는 사람들의 이야기를 만나게 된 것이다.
우주의 미스터리에 도전하기 위해서는 우주가 탄생했던 초기 우주와 근접한 상태가 필요하다. 그렇기 때문에 실험 물리학자들은 더 건조하고 더 차갑고 더 깊은 곳을 찾아 지구를 샅샅이 탐험한다. 이들은 아타카마 사막, 남극 대륙, 바이칼 호수, 미네소타 지하 탄광, 칠레 파라날 산과 같이 우리가 한번도 가보지 못했던 지구의 가장 깊은 곳, 가장 추운 곳, 가장 건조한 곳을 찾아내 암흑 물질과 암흑 에너지의 쌍둥이 미스터리, 뉴트리노와 초신성 등에 담겨 있는 비밀들을 풀어나가고 있다.
저자는 이 책에서 단순히 실험과 사건을 나열하는 것이 아니라, 곳곳에서 행해지는 실험들에 담겨 있는 에피소드와 역사 그리고 자신의 직접 체험을 사실적으로 그려낸다. 왕성한 호기심과 도전 정신, 광활한 자연 앞에서 두려움을 느끼는 여행자로서 써내려간 실험 물리학 이야기와 극지 체험기를 통해, 물리학의 최전선―현대 실험 물리학 현장의 모습을 생생하게 볼 수 있을 것이다.

3. 우주는 어떻게 시작되었고, 또 어떻게 끝날 것인가?
그리고 그 사이 수많은 질문의 해답을 찾는 사람들의 이야기

밤하늘을 바라보라. 무엇이 보이는가? 달과 별, 그리고 다양한 별자리를 찾아내는 사람들도 있겠지만, 그렇다고 해서 밤하늘에 대해 모두 다 안다고 말할 수는 없을 것이다. 우리가 우주에 대해 알고 있는 것 또한 그렇다. 태양계, 블랙홀, 은하…… 우리는 이미 (과학자들이) 많은 것을 알고 있다고 생각하지만, 인간은 끝없는 우주의 고작 4퍼센트만을 알고 있을 뿐이다.
여기 과학자―물리학자들이 있다. 수치와 통계, 거대한 서류더미나 여러 개의 모니터에 둘러싸여 있는 그런 물리학자가 아니다. 세계에서 가장 깊은 곳, 가장 추운 곳, 가장 높은 곳에서 때로는 목숨을 걸고 실험하는 실험 물리학자들이다. 그들은 우주의 미스터리를 밝히기 위해 우주가 시작되었던 초기상태와 가장 근접한 환경(더 차갑고, 더 깊고, 더 건조한)을 찾아 다양한 실험을 하고 있다.
2011년 노벨 물리학상 수상자 사울 펄뮤터의 제안으로 씌어진 《물리학의 최전선》은 우주를 이해가기 위한 인간의 모험을 담고 있다. 과학 저널리스트이자 소설가 지망생이었던 저자는 4년의 걸친 극지 취재를 통해 실험 물리학자들의 희노애락을 쉽고 간결한 문체로 담아냈다. 시베리아의 바이칼 호나 칠레 안데스 산맥의 아타카마 사막, 북아메리카의 버려진 광산과 남극의 얼어붙은 대륙까지 지구의 극한 지역에서 펼쳐지는 이야기를 통해 지금 이 순간에도 우주 저 멀리 숨겨져 있는 미스터리를 밝히기 위한 실험 물리학자들의 세계에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것이다.

프롤로그

1장 수도사와 천문학자―윌슨 산 천문대의 100인치 망원경
2장 아무것도 측정하지 않는 실험―수단 광산의 극저온 암흑 물질 탐사
3장 작은 중성의 것들―시베리아 바이칼 호의 뉴트리노 검출 실험
4장 파라날 빛의 사중주―칠레 파라날 산의 초대형 망원경
5장 불, 바위 그리고 얼음―하와이 마우나케아 산의 켁 망원경
6장 카루의 3,000개의 눈―남아프리카 우주 망원경 네트워크 프로젝트
7장 남극 대륙 위의 반물질 ―남극 대륙의 반물질 탐사
8장 아인슈타인, 남극에서 양자 물리학의 만나다―남극점에서의 뉴트리노 검출 실험
9장 물질의 중심―신의 입자 힉스를 찾는 LHC
10장 다른 우주로부터의 속삭임―우주 배경 복사 탐사

에필로그
-부록 Ⅰ 입자 물리학의 표준 모형
-부록 Ⅱ 빅뱅에서 현재까지: 표준 우주론