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20세기 위대한 과학자로 칭송되는 아인슈타인의 삶과 업적을 담은『아인슈타인의 우주』. 이 책은 천재 과학 저술가로 알려진 저자가 아인슈타인에 대한 오해와 진실을 다양한 에피소드와 함께 흥미롭게 풀어낸다.

《아인슈타인의 우주》는 아인슈타인 이전의 물리학과 상대성 이론, 통일장 이론 등을 통해 아인슈타인이 남긴 업적과 그가 현대 과학에 끼친 영향 등에 대해서도 설명한다.

◉과학의 모든 길은 아인슈타인으로 통한다

이 책을 읽지 않고 아인슈타인을 안다고 말하지 말라
100여 년이 지난 지금까지 아인슈타인에게 주목할 수밖에 없는 이유
현대 과학의 모든 수수께끼의 열쇠는 아인슈타인이 쥐고 있다


아인슈타인(1879~1955)은 모든 시대를 통틀어 가장 위대한 과학자들 가운데 한 사람으로, 과학에 대한 심대한 기여를 통해 아이작 뉴턴과 쌍벽을 이룰 정도로 우뚝 솟아 있다. <타임>지가 세기의 인물로 그를 뽑은 것은 놀랄 일이 아니며, 많은 역사가들은 지난 천 년 동안 가장 큰 영향력을 발휘한 100명 안에 그를 포함시켰다.
이러한 그의 역사적 지위를 생각해 보면 그의 삶을 재조명해 보려는 데 대한 몇 가지 이유를 찾을 수 있다. 첫째 그의 이론은 심오하며 몇십 년 전에 예견한 것들이 아직도 뉴스의 헤드라인을 장식한다. 따라서 이런 이론들의 뿌리를 이해하려는 노력은 매우 중요하다. 1920년대에는 꿈도 꾸지 못했던 새 세대의 장비를 이용하여(인공위성, 레이저, 슈퍼컴퓨터, 나노기술, 중력파검출기 등) 원자의 내부로부터 우주의 끝자락까지 탐사할 수 있게 됨에 따라 다른 과학자들이 아인슈타인의 예측들로 노벨상을 타고 있다. 심지어 그가 식탁에 흘린 부스러기들조차 과학의 새 지평을 열고 있다. 예를 들어 1993년의 노벨상은 인접한 두 중성자별의 운동을 분석하여 아인슈타인이 1916년에 예언한 중력파를 간접적으로 확인한 두 물리학자들에게 주어졌다. 또한 2001년의 노벨상은 보스-아인슈타인응축상의 존재를 확인한 세 물리학자들에게 주어졌는데. 이는 절대영도 부근에서 물질들이 보여 주는 새로운 상태로, 아인슈타인이 1924년에 예언했다.
다른 예측들에 대한 입증도 진행 중이다. 블랙홀은 한때 아인슈타인의 괴이한 귀결의 하나로 여겨졌지만 지금은 허블우주망원경과 광대열전파망원경을 통해 확인되었을 뿐 아니라 천문학자들이 외계의 보이지 않는 물체를 측정하는 핵심적 방법이 되었다.
나아가 아인슈타인의 ‘실수’까지도 우주에 대한 우리의 지식에 심오한 기여를 한 것으로 인식되고 있다. 2001년에 천문학자들은 아인슈타인의 최대 실수로 여겨졌던 ‘우주상수’가 실제로는 우주에서 가장 많은 에너지를 품고 있으며 궁극적으로 우주 자신의 운명을 결정지을 것이라는 데 대한 믿을 만한 증거를 찾아냈다. 따라서 실험적 측면에서 보자면 아인슈타인의 예측을 입증하는 증거들이 쌓여 감에 따라 그가 남긴 유산의 르네상스가 펼쳐지고 있는 셈이다.



◉빛줄기와 함께 달리기

우리가 어디에 있는지,
아인슈타인이 우리를 위해 어떤 일을 했는지,
그리고 우리가 어디로 가고 있는지를 말해 줄 아인슈타인에 대한 최고의 책

“물리학의 모든 이론은 …어린이도 알 수 있을 정도로 간명하게 제시되어야 한다.”
-알베르트 아인슈타인


아인슈타인의 이론에 담긴 의미는 방대하지만, 아인슈타인은 달리는 기차, 떨어지는 엘리베이터, 로켓, 움직이는 시계 등의 단순한 그림을 통해 이를 생각해 냈다. 실제로 우주를 뒤흔드는 상대론의 암시는 이와 같은 두 가지의 단순한 그림에서 나왔다. 첫 그림은 “빛과 나란히 달리면서 이를 쳐다보면 어찌 보일까?”라는 것으로 16살 때부터 그의 생각을 붙들었다. 정지한 빛의 파동에 담긴 역설은 마침내 상대론과 함께 별들의 비밀을 파헤친 유명한 식 E=mc²을 이끌어 냈다.
만일 이대로 마냥 떨어진다면 어떻게 될까? 아인슈타인은 베른특허국의 의자에 기대앉은 자신의 모습으로부터 두 번째 그림을 얻어 냈다. 언뜻 우스꽝스러운 이 이미지로부터 그는 뉴턴의 미스터리와 같은 ‘중력’을 극복하며 시간과 공간이 휘어져 있다는 아이디어를 끌어 냈다. 나아가 이 그림은 우리를 블랙홀과 빅뱅까지 안내한다.


●휘어진 시공간

제2부에서는 다른 그림을 소개한다. 아인슈타인은 행성이 태양을 중심으로 그 주변에 휘어져서 펼쳐져 있는 공간면 위를 굴러다닌다고 상상했으며, 이것은 중력이 공간과 시간의 만곡에서 유래한다는 아이디어의 시각화였다. 뉴턴의 힘을 부드러운 면의 만곡으로 대체함으로써 아인슈타인은 중력에 대해 완전히 새롭고도 혁신적인 그림을 내놓았다. 이 틀 안에서 뉴턴의 ‘힘’이란 것은 공간 자체의 만곡에서 유래하는 환영에 지나지 않는다. 이 단순한 그림의 귀결로 우리는 블랙홀과 빅뱅은 물론 우주 자체의 궁극적 운명까지도 생각해 볼 수 있게 되었다.


●아인슈타인은 일반상대성이론의 창설자,
양자론의 대부, 그리고 이 둘을 통합하는 데도 기여

제3부에서는 그가 ‘통일장이론’을 낳게 할 그림을 얻지 못한 것에 대한 이야기가 나온다. 만일 이런 그림을 얻었다면 아인슈타인은 물질과 에너지에 관한 2천 년에 이르는 탐사에 찬란한 성과를 올려놓을 수 있었을 것이다. 하지만 이쯤에서 아인슈타인의 직관은 비틀거리기 시작했는데, 당시에는 원자핵과 아원자입자들을 지배하는 힘들에 대해 알려진 게 거의 없었기 때문이었다.
이 통일장이론과 그의 30년에 걸친 ‘만물의 이론’은 비록 최근에야 알려지게 되었지만, 결코 완전한 실패는 아니었다. 그때 다른 사람들은 이를 바보짓이라고 여겼다.
그러나 지난 십여 년 사이, ‘초끈이론’이나 ‘M-이론’이란 불리는 것들이 나타나 통일장이론이 물리학계의 중심 무대를 차지하게 됨에 따라 물리학자들은 아인슈타인이 만년에 했던 연구와 그의 유산들을 재평가하기 시작했다. 이제 만물의 이론을 얻기 위한 경주는 젊고 야망에 찬 과학자들 세대 모두의 궁극적인 목표가 되었다. 한때 나이 든 물리학자들이 마지막에 묻힐 곳으로 여겨졌던 ‘통합’이 지금은 이론물리학의 지배적 주제이다.

머리말: 알베르트 아인슈타인의 유산에 대한 새 시각
감사의 글

제1부 첫째 그림: 빛줄기와 함께 달리기
제1장 아인슈타인 이전의 물리학
제2장 어린 시절
제3장 특수상대성이론과 ‘기적의 해’

제2부 둘째 그림: 휘어진 시공간
제4장 일반상대성이론과 ‘평생 가장 행복한 생각’
제5장 새 코페르니쿠스
제6장 빅뱅과 블랙홀

제3부 합친 그림: 통일장이론
제7장 통일과 양자 문제
제8장 전쟁과 평화와 E=mc²
제9장 아인슈타인의 예언적 유산

근거 자료
참고 자료
옮긴이의 글
찾아보기

맥스웰방정식을 완전히 이해한 뒤 그는 오래 품어 왔던 의문에 답할 수 있게 되었다. 그가 예상했던 대로 맥스웰방정식의 해 가운데는 빛이 얼어붙는 것을 보여 주는 것은 없었다. 나아가 그는 이 이상을 것을 발견했다. 놀랍게도 맥스웰의 이론에 따르면 빛은 우리가 어떤 속도로 움직이면서 보든 상관없이 언제나 일정한 속도로 달린다. 이제 수수께끼에 대한 최종 답이 나왔다. 우리는 빛을 결코 따라잡을 수 없는데, 왜냐하면 빛은 우리가 어떤 속도로 달리든 언제나 똑같은 속도로 우리로부터 멀어져 가기 때문이다. 그러나 바꿔 말하면 이는 그동안 품어 왔던 상식과 정면으로 충돌한다는 뜻이다. 그리고 이 모순을 해소하는 데에는 다시 몇 년의 세월이 더 지나야 했다. 제2장 어린 시절 중에서

아인슈타인에 의하여 우리는 중력의 원인이 시공간의 만곡임을 알게 되었다. 이때 ‘힘’은 환상이며, 기하학적 구조의 부산물에 지나지 않는다. 이 그림에서 우리가 지구 표면 위에 서 있는 것은 지구가 우리를 잡아끌기 때문이 아니다. 아인슈타인에 따르면 중력에 의한 끌림이란 것은 없다. 지구는 우리 몸을 둘러싼 시공간연속체를 휘게 만들며, 이렇게 휜 시공간 자체가 우리를 바닥으로 밀고 있는 것이다. 우리로 하여금 이웃한 물체들이 중력이란 힘으로 끌고 있다는 환상을 심어 주는 것은 물체의 존재에 의한 공간의 만곡이다. 제4장 일반상대성이론과 ‘평생 가장 행복한 생각’ 중에서

나아가 아인슈타인의 방정식은 허블법칙을 가장 간단하게 유도해 내는 것으로 보였다. 우주가 팽창하고 있는 풍선이라고 생각해 보자. 이 풍선 위에 많은 점들을 찍으면 이것들은 서로 멀어져 가는 은하를 나타내게 된다. 그 점 가운데 하나에 앉아 있는 개미의 입장에서 보면 다른 모든 점들이 그로부터 멀어져 간다. 더욱이 허블법칙이 말하는 것처럼 개미로부터 멀리 떨어진 점일수록 더 빠르게 멀어져 간다. 이 상황에서 아인슈타인의 방정식은 고대로부터 내려오는 의문들에 새로운 통찰을 줄 수 있다. 과연 우주에 끝은 있는가? 우주의 끝에 벽이 있다면 그 벽 너머에는 또 무엇이 있을까? 제6장 빅뱅과 블랙홀 중에서

통일장이론에 대한 아인슈타인의 꿈이 불가능해 보였던 이유는 오늘날의 세계에서 이 초힘이 네 조각으로 너무나 처참하게 부서져 있기 때문일 따름이다. 하지만 시간을 거꾸로 돌려 137억 년 전의 빅뱅으로 가 보면 아인슈타인이 상상했던 것처럼 우주의 심원한 대칭성들이 하나로 뭉쳐 찬란히 불타고 있음을 목격하게 될 것이다. 제9장 아인슈타인의 예언적 유산 중에서

…아인슈타인의 유산을 어떻게 재평가해야 할까? 1925년 이후에는 차라리 낚시나 하는 게 좋았을 것이라고 말하는 대신 다음과 같은 헌사를 드리는 게 더 타당할 것이다: “물리학의 모든 지식은 일반상대성이론과 양자론의 양대 기둥에 근거한다. 아인슈타인은 전자의 창설자였고 후자의 대부였으며, 이 둘의 통합에 이를 수도 있는 길을 닦았다.” 제9장 아인슈타인의 예언적 유산 중에서