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현대 물리학 혁명을 이끈 숨은 주인공, 대칭과 에미 뇌터

우주는 왜 텅 비어 있지 않고 무언가가 존재하게 되었는가? 밤하늘은 왜 어두운가? 반물질이 존재한다면 반인간도 존재할 것인가? 시간에는 왜 과거, 현재, 미래밖에 없는가? 시간과 공간은 어떻게 나비의 날개 같은 존재가 되는가? 물리학자 데이브 골드버그는 『백미러 속의 우주』에서 ‘대칭’이라는 키워드를 중심으로 이 모든 질문에 명쾌하면서도 유머 넘치는 답을 제시한다. 대칭은 지난 세기 동안 물리학의 전면에 나서지 않은 채, 우주적 스케일의 천체물리학에서부터 원자보다 작은 소립자 스케일의 입자물리학에 이르기까지 현대 물리학의 근간에서 혁명적 발전을 이끌어온 위대한 개념이다. 또한 이 책은 대칭의 대가로서 현대 물리학에 탄탄한 기초를 제공했지만 거의 알려지지 않은 천재 여성 수학자, 에미 뇌터를 재조명한다.

반물질, 상대성이론, 표준모형, DNA의 이중나선, 중력과 블랙홀…
모든 것을 꿰뚫는 단 하나의 강력한 키워드, 대칭

“우리 눈에 보이는 것은 자연의 진정한 실체가 아니라, 우리의 질문 방식에 맞춰 자연이 우리에게 보여준 모습임을 잊지 말아야 한다.” -베르너 하이젠베르크

다른 우주에 또 다른 ‘나’가 있을까? 우주와 물질은 어떻게 생겨난 것일까? 근원적인 물음을 좇다 보면 너무 작거나 너무 커서 마치 인간에게는 앎이 허락되지 않은 것 같은 한계에 직면하기 마련이다. 물리학자 데이브 골드버그의 『백미러 속의 우주』는 우리 눈에는 보이지 않는 미시세계에서부터 거시세계까지를 ‘대칭’이라는 하나의 키워드로 설명해내는 도전적인 교양 과학도서다. 우주의 대칭성이 무엇을 의미하는지, 일부 대칭이 깨졌을 때에는 무슨 일이 일어나는지, 우리를 포함한 만물이 왜 존재하는지 등에 대해 현대 물리학이 어떤 대답을 내놓는지를 최대한 알기 쉽게 소개해주는 것이 특징이다. 특히 그간 잘 알려지지 않았던 천재 여성 수학자 에미 뇌터에 대해 대칭을 중심으로 풀어내는 물리학 맥락에서 그녀의 삶과 업적을 그려냄으로써, 왜 ‘뇌터의 정리’가 현대 물리학의 기초가 되는지도 일깨워준다. 재기발랄한 입담으로 무거운 물리학적 주제들을 능수능란하게 다루는 저자의 현란한 글 솜씨는 감탄을 자아내기까지 한다. 아마도, 이토록 유머러스하면서도 격조 높고, 쉽지 않은 내용인데도 결코 지루하지 않은 물리학 책을 다시 만나기 힘들 것이다.

파인만 씨 뺨치게 농담도 잘하는 과학계의 새로운 입담꾼
“한 번 손에 잡으면 놓을 수 없다.” -리처드 고트 프린스턴대학 천체물리학과 교수

저자는 시공간에 놓인 모든 것들이 숨은 대칭에 의해 형성되었음을 보여주기 위해 거울에 비친 세계로 우리를 안내한다. 전자의 전하가 -가 아닌 +를 띠고, 심장이 가슴의 왼쪽이 아닌 오른쪽에서 뛰며, 시간이 거꾸로 흐르는 백미러 속의 우주는 경이롭고 매혹적이다. 물질은 반물질로 뒤바꾸고, 좌우는 반전시키고, 시간은 반대로 비추는 백미러 속의 우주는 실제 우주와 명백히 다르지만 한편으론 완벽한 대칭을 이루고 있어 보기보다 가까이에 있다.
대칭적인 우주는 아름답다. 그러나 우리의 우주는 그 대칭의 일부가 깨져 있어서 더욱 아름답고 흥미롭다. 저자는 우주에 존재하는 또는 존재했던 대칭과 대칭이 붕괴되어 현재에 이르는 과정을 쉬운 비유와 간결한 논리로 설명하고 있다. 물리 법칙의 통일을 주제로 한 교양 과학도서는 많이 있지만, 이 책은 통일보다 한 단계 더 들어가서 근본적인 대칭에 초점을 맞췄기 때문에 우주의 아름다움이 한층 극명하게 드러난다. 게다가 저자는 삐딱한 재치가 돋보이는 특유의 활달한 수다로 무한한 은하계부터 공허한 입자계까지 종횡무진 내달리고 있어 독자들에게 지루할 틈을 주지 않는다. 저자의 유머러스하면서도 깊이 있는 통찰력, 전염성 있는 열의, 빠르고 신나는 템포는 누구나 물리학을 즐기게 한다.

왜 대칭이 중요한가?
빅뱅에서 힉스입자까지 우주를 이해하기 위한 핵심은 대칭과 대칭이 붕괴되는 지점이다. 저자는 이 책에서 시종일관 대칭의 중요성을 내세운다. 사실 우주의 시작부터가 대칭과 대칭의 붕괴였다. 우주 탄생 초기의 엄청나게 뜨거운 에너지는 수많은 입자와 반입자 쌍을 만들어냈고(에너지를 광속의 제곱으로 나눈 것만큼 질량을 가진 입자와 반입자를 생성), 서로 전하가 반대인 입자와 반입자 쌍은 그대로 소멸했다. 대칭적으로 시작했지만, 이내(빅뱅이 일어나고 10-35초 만에) 털끝보다 작은 오차로 대칭이 붕괴되고선 입자를 기본 단위로 하는 은하, 별, 행성, 그리고 인간이 우주에 존재할 수 있게 되었다. 궁극의 질문이라 할 수 있는, 이 세상은 무엇으로 이루어져 있는가에 대하여 답을 내놓은 표준모형에서 마지막으로 발견된 힉스입자 역시 대칭과 대칭 붕괴의 산물이다. 초기 우주에서 대칭형이었던 힉스장은 시간이 흘러 우주가 급속히 식어버리자 붕괴되면서 다른 입자들(특히 현재 약력의 매개입자인 W입자와 Z0입자)에 질량을 부여하고 힉스입자는 의미를 갖게 되었다.
우주는 137억 년 동안 무작위의 지배를 받으면서 대칭이 붕괴되어왔지만, 근본적인 질서는 여전히 유지되고 있다. 에너지 보존법칙 같은 물리 법칙은 시간이 흘러도 변하지 않으며 우주 전역에서 동일하게 작용하고, 태양과 행성 사이에 작용하는 중력은 모든 방향으로 똑같이 작용하고, 모든 것을 집어삼키는 블랙홀도 결국은 복사에너지를 토해내고 완전히 사라져버리고, 한쪽 방향으로만 흐르는 시간은 원인과 결과의 관계를 성립시키고, 유전물질 DNA는 서로 맞물려 돌아가는 듯한 두 개의 나선으로 이루어져 있어서 부모의 형질을 고스란히 자손에게 전해준다. 이렇듯 자연의 법칙은 대칭적이지만, 양자역학적 우주에 살고 있는 우리 눈에는 대칭성이 무작위성에 가려 잘 보이지 않는다.

아인슈타인이 인정한 수학자, 에미 뇌터
이 책은 물리학사에 커다란 족적을 남긴 거인들을 빠짐없이 다루는데, 그중에서도 에미 뇌터를 공들여 소개하고 있다. 자연의 질서를 설명하는 물리 법칙에 대칭이 개입되어 있는 이유는 무엇이며, 대칭은 물리학에서 어떤 의미를 갖는가? 뇌터는 대칭과 보존량 사이의 관계를 수학적으로 규명하여 이 심오한 질문에 명쾌한 답을 제시했다. ‘뇌터의 정리’는 “어떤 물체도 빛보다 빠르게 움직일 수 없다”는 특수상대성이론의 제1계명만큼이나 현대 물리학의 중요한 토대가 된다. ‘뇌터의 정리’를 발견한 뇌터는 제2의 아인슈타인이라고 불릴 만하지만, 지금껏 제대로 평가되지 못하고 무명으로 잊혔다. 실제로 아인슈타인은 그녀를 “여성에게 고등교육이 허용된 이래 가장 뛰어난 수학 천재”라고 평가했다.
이 책은 비운의 천재 여성 수학자 에미 뇌터의 삶과 업적을 재평가하는 내용들로 채워져 있다는 점에서도 주목할 만하다. 아인슈타인과 비슷한 시기에 독일의 유태인 가정에서 태어나 어린 시절부터 수학자의 꿈을 키웠으나, 여성에게 지독하게도 배타적이었던 당시 대학문화에 가로막혀 불운한 삶을 살았다. ‘힐베르트의 난제’로 유명한 독일의 수학자 다비트 힐베르트는 대칭 분야를 더욱 깊이 연구하기 위해 에미 뇌터를 괴팅겐대학으로 초청했으나 대학 측에서 그녀를 제대로 대우하지 않자, 대학을 남녀가 구분되어 입장해야 하는 목욕탕에 비유하며 격분하기도 했다. 뇌터는 여자라는 이유만으로 최고의 학자에게 주어지는 어떠한 영예도 누려보지 못했지만, 학문에 대한 순수한 열정으로 대칭을 끈질기게 파고든 끝에 “모든 대칭에는 그에 대응되는 불변량이 존재한다”는 ‘뇌터의 정리’를 발견했다. 이 한마디로 모래알처럼 흩어져 있던 물리학 개념들이 수학적으로 정리되면서 현대 물리학은 ‘통일’이라는 원대한 여정을 떠날 수 있게 된 것이다.
대칭은 흔히 떠올리는 데칼코마니나 원처럼 축을 중심으로 좌우가 같은 것을 뜻하는 일치나 반전의 의미를 넘어선다. 수학과 과학에서는 어떤 대상을 변환시켰을 때 그 변환 전후로 모습이 같다면 대칭성이 있다고 말한다. 노벨 물리학상을 수상한 필 앤더슨은 다음과 같이 말했다. “조금, 아주 조금 과장해서 말하자면 물리학은 대칭을 연구하는 학문이다. 더 이상의 잔소리는 필요 없다.”

『백미러 속의 우주』에 쏟아진 찬사

대칭이 이토록 재미있을 줄 누가 알았겠는가? 데이브 골드버그는 위대한 대칭 세계의 깊숙한 끝자락으로 독자들을 곧장 밀어넣지만, 독자들이 지치지 않게 교묘한 위트도 충분히 불어넣었다. -<네이처Nature>

대부분의 물리학 책들은 전혀 흥겹지 않다. 왜냐고? 데이브 골드버그가 쓰지 않았기 때문이다. 이 책은 재미있고 불손하고 유쾌하면서 물리학의 핵심을 정확하게 찌르고 있다. 당신 주변에 물리학을 떠받드는 친구가 있다면 이 책을 선물해보라. 특히 그 당사자가 본인이라면 지금 당장 읽어야 할 책이다.
-숀 캐럴Sean Carroll 캘리포니아공과대학(칼텍) 물리학과 연구교수, 『우주의 끝에 존재하는 입자Particle at the End of the Universe』의 저자

한 번 읽기 시작하면 손에서 놓을 수가 없다! 정말이지 너무나 재미있다! 학교에서 데이브 골드버그처럼 물리학을 가르쳤다면 과학의 저변은 지금보다 훨씬 넓어졌을 것이다.
-프리얌바다 나타라잔Priyamvada Natarajan 예일대학 물리학과 및 천문학과 교수

『백미러 속의 우주』에 담긴 내용은 물리적 우주만큼이나 방대하다. 특히 학계에서 거의 인정받지 못했던 여성 수학자 에미 뇌터의 삶과 업적을 자세히 조명하고 있다는 점은 주목할 만하다. “모든 대칭에는 그에 대응되는 보존량이 존재한다”는 뇌터의 정리는 통일장이론의 이론적 기틀을 제공했다. 그 연결고리가 궁금하다면 읽어볼 것을 권한다.
-존 앨런 파울로스John Allen Paulos 템플대학 수학과 교수, 『숫자에 약한 사람들을 위한 우아한 생존 매뉴얼Innumeracy』의 저자

대칭은 우주의 운명을 어떻게 결정했는가? 데이브 골드버그의 설명이 굉장히 명쾌하고 흥미로워서 읽는 내내 즐거웠다. 케이온과 개미의 세계, 그리고 힉스입자에 이르기까지, 우주의 모든 비밀이 적나라하게 공개된다. 한 번 손에 잡으면 놓을 수 없고, 다 읽은 후에는 우주가 새로운 모습으로 다가올 것이다.
-리처드 고트Richard Gott 프린스턴대학 천체물리학과 교수, 『아인슈타인 우주로의 시간 여행Time travel in Einstein's universe』의 저자

데이브 골드버그가 독자들을 환상의 대칭 세계로 초대한다. 그 안은 온갖 신기한 현상들과 역설, 그리고 재기 넘치는 유머로 가득 차 있다… 그는 물리학과 천문학, 그리고 수학의 기본을 이루는 ‘대칭’ 하나로 이 모든 것을 설명한다. 강력한 반전(대칭)에 대한 강력한 성찰이 아닐 수 없다!
-폴 핼펀Paul Halpern, 『우주의 끝Edeg of the Universe』의 저자

이 책은 물리학의 핵심 개념을 설명하는 흥미진진한 책이자 대칭의 중요성을 만천하에 알린 에미 뇌터를 재조명하는 책이기도 하다. 그동안 수많은 물리학자들이 거인의 어깨 위에 서서 먼 곳을 바라보았고, 그 거인들은 대부분 세계적인 유명세를 누렸다. 그러나 에미 뇌터는 가장 큰 거인이었음에도 불구하고 아무런 명성도 누리지 못했다. 그녀의 업적을 다시 상기하는 것만으로도 이 책을 읽을 가치는 충분하다고 본다.
-다니카 맥켈라Danica McKellar, 『수학은 따분하지 않다Math Doesn't Suck』의 저자

책속으로 추가

앞으로 별과 행성, 그리고 우주먼지들은 나선을 그리며 블랙홀로 빨려 들어가고, 1000조 년이 지나면 블랙홀마저 모두 증발되어 사라질 것이다. 그 사이에 우주는 계속 팽창하여 차가운 기체구름들은 완전히 고립된다. 결국 우리의 우주는 아무것도 없이 엔트로피만 존재하는 차가운 공간으로 남게 될 것이다. 이것은 시간이 오직 미래로만 흐르는 우주에서 어쩔 수 없이 치러야 할 대가이다. 대칭은 우주의 시작뿐 아니라 최후까지 좌우하는 기본 원리인 것이다. --- p. 308~309

우리가 어떻게 생각하건, 우리 몸을 이루고 있는 분자는 우리 것이 아니다. 당신 몸의 98%는 매년 새 것으로 교체되고 있다. 그래서 코미디언 스티븐 라이트는 다음과 같은 농담을 던지기도 했다. “어느 날 아침 침대에서 일어나 보니 누군가가 내 몸뚱이를 훔쳐가고 다른 걸로 바꿔치기 해놨더군요.” 라이트의 농담은 허황된 이야기가 아니라 실제를 조금 과장한 것뿐이다. 같은 종류의 원자들은 물리적으로 모두 동일하기 때문에, 몸에 있는 탄소원자를 다른 것으로 바꿔치기해도 당신은 여전히 당신으로 남는다. 이것이 바로 우주에 존재하는 근본적 대칭이다. --- p. 314~315

탄생 초기의 우주는 아주 뜨거웠다. 비유하자면 무수히 많은 사람들이 ‘힉스 트램펄린’ 위에서 정신없이 뛰고 있는 상황과 비슷하다. 또는 무한 반복 중노동에 시달리던 시시포스가 갑자기 정신을 놓고 바위를 아무 방향으로나 닥치는 대로 밀고 있는 상황과 비슷하다. 우주가 너무나 뜨거웠기에, 힉스바위는 봉우리 아래로 멀리 굴러떨어질 수 없었다. 그러나 흐르는 시간과 함께 우주가 빠르게 식으면서 시시포스는 평정심을 되찾았고, 바위는 깊은 계곡으로 굴러떨어졌다. 초기의 아름다웠던 대칭이 깨진 것이다. 처음에 바위는 어떤 방향으로도 구를 수 있었지만 일단 구르기 시작하면서 하나의 방향이 선택되었고, 그때부터 이 방향은 특별한 의미를 갖게 되었다. --- p. 410~411

머리말 ----- 009

1. 반물질 ----- 025
- 우주는 왜 텅 비어 있지 않고 무언가가 존재하게 되었는가?
2. 엔트로피 ----- 079
- 시간은 어디서 왔는가? 시간의 진정한 실체는 무엇인가?
3. 우주원리 ----- 127
- 밤이 되면 왜 어두워지는가?
4. 에미 뇌터 ----- 181
- 대칭의 심오한 의미를 알아낸 사람
5. 상대성이론 ----- 219
- 은하들 사이에서 실시간 통신이 불가능한 이유는 무엇인가?
6. 중력 ----- 261
- 블랙홀은 왜 영원히 존재할 수 없는가?
7. 입자 맞바꾸기 ----- 311
- 공간이동장치의 원리
8. 스핀 ----- 337
- 나는 왜 ‘의식을 가진 헬륨가스’가 아닌가?
중성자별 한 조각은 나에게 어떤 영향을 미치는가?
9. 힉스입자 ----- 375
- 질량의 기원, 그리고 물리학이 우표수집과 다른 이유
10. 숨은 대칭 ----- 423
- 거울에 비친 사물은 왜 겉보기보다 가까이 있는가?

부록 1. 입자동물원 입주자 명단 ----- 464
부록 2. 간략한 대칭 사전 ----- 466
더 읽을거리 ----- 470
참고문헌 ----- 472
감사의 말 ----- 489
옮긴이의 말 ----- 493
찾아보기 ----- 497

과거를 돌아보면 물리학은 완전히 다르게 보였던 현상들이 동일한 원인의 결과임을 깨달을 때마다 커다란 도약을 이루어왔다. 그리고 공통점의 기원을 추적할 때마다 항상 ‘대칭’이라는 개념에 도달하곤 했다. --- p. 10

“페르시아의 양탄자는 완전하게 불완전하며, 정확하게 부정확하다.” 전문가들의 주장에 의하면 전통적인 페르시아 양탄자는 부분적으로 대칭이 깨져 있어서 한층 더 아름답게 보인다고 한다. 이런 점에서 볼 때 우리의 우주가 비대칭적인 것은 다행스런 일이다. 완벽한 대칭 구조였다면 참으로 무미건조하고 따분한 우주가 되었을 것이다. --- p. 23

우주의 탄생 초기에 정확하게 무슨 일이 일어났는가? 답을 아는 사람은 아무도 없다. 우리가 아는 것이라곤 우주 탄생 직후에 모종의 대칭 붕괴가 일어나서 우리가 존재하게 되었다는 사실뿐이다. 우주 초기에는 온도가 터무니없이 높았으므로, 아마도 대칭 붕괴는 온도와 관련되어 있을 것이다. (…) 이렇게 턱없이 높은 온도에서도 물질과 반물질 사이의 비대칭은 극히 미미했다. 반입자 10억 개가 생성될 때마다 입자 10억 1개가 생성되었을 정도다. 둘 사이의 차이라곤 10억 개당 하나, 단 하나에 불과했다. (…) 결국 대부분의 입자와 반입자는 서로 만나서 소멸되고, 10억 분의 1에 해당하는 초과분이 남아서 지금 존재하는 모든 물질을 형성하게 되었다. --- p. 75~77

겉보기에 시간과 공간은 많이 다른 것 같다. 공간에서는 내 마음대로 아무 방향으로나 움직일 수 있고 마음만 먹으면 한 장소에서 복지부동할 수도 있지만, 시간에서는 어림도 없는 소리다. 부유하건 가난하건, 똑똑하건 멍청하건 간에, 누구나 가차 없이 미래로 이동당하고 있다. 그러나 사실 시간과 공간은 공통점이 매우 많아서, 아인슈타인의 특수상대성이론에 의해 ‘한 가족’으로 통합되었다. 빛의 속도 c는 물질과 에너지의 환율을 결정하는 상수이면서(E=mc2), 그와 동시에 시간과 공간을 연결시켜주는 상수이기도 하다. --- p. 83

우주의 과거로부터 미래를 예측할 수 있다면, 과거의 물리 법칙으로부터 미래의 물리 법칙을 예측할 수 있을까? (…) 그동안 자연의 법칙이 시간에 무관하다는 것을 보여주는 몇 가지 자연현상이 발견되었는데, 그중 가장 놀라운 현상이 1971년에 아프리카 가봉의 오클로라는 마을에서 발견된 우라늄 광산이다. (…) 오클로의 우라늄 광산에서는 과거 한때 수백만 년 동안 천연 핵반응기가 작동했던 것으로 확인되었다. 이런 지역이 존재한다는 것만도 신기한데, 더욱 놀라운 사실은 핵분열의 부산물인 ‘핵폐기물’의 생성 비율이 요즘 사용되는 핵반응기의 폐기물 생성 비율과 정확하게 일치한다는 점이다. (…) 물리학의 모든 법칙은 다른 시간대에서도 똑같이 적용된다는 시간이동대칭은 에너지 보존법칙의 또 다른 표현으로, 겉으로 드러나진 않지만 엄청나게 중요한 역할을 하고 있다. --- p. 96~99

균질성과 등방성을 합친 것이 소위 말하는 ‘우주원리’이다. 이 원리에 의하면 우주는 방향과 장소에 상관없이 거의 똑같은 형태를 유지하고 있다. --- p. 143

대칭은 그 자체로 아름답고 우아하지만, 미적인 특성은 빙산의 일각일 뿐이다. 우리는 대칭이 존재한다는 사실로부터 새로운 물리 법칙을 찾아낼 수 있다! 에미 뇌터는 대칭에 규칙을 부여하여 이론물리학의 탄탄한 토대를 쌓았지만, 아무런 대가나 영예를 누리지 못한 채 조용히 우리 곁을 떠나갔다. --- p. 217