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『우주가 정말 하나뿐일까?』는 일본 대중이 사랑하는 이론물리학자 무라야마 히토시가 들려주는 암흑물질, 암흑에너지, 여분의 차원, 다원 우주에 대한 이야기다. 우선 너무나도 큰 우주의 크기를 조금이라도 실감할 수 있도록 지구에서 시작해 태양계, 은하, 은하단으로 그 범위를 조금씩 확대해 나간다.

『우주가 정말 하나뿐일까?-최신 우주론 입문』 내용
대우휴먼사이언스 시리즈 9권. 일본 대중이 사랑하는 이론물리학자 무라야마 히토시가 들려주는 암흑물질, 암흑에너지, 여분의 차원, 다원 우주에 대한 이야기.
우주는 알면 알수록 더 큰 수수께끼를 품고 있다. 이 책에서는 우선 너무나도 큰 우주의 크기를 조금이라도 실감할 수 있도록 지구에서 시작해 태양계, 은하, 은하단으로 그 범위를 조금씩 확대해 나간다. 그리고 우리가 가장 먼저 만나는 것은 암흑물질. 이 암흑물질이 없었다면 별도 은하도 우리도 태어나지 못했을 것이다. 더 먼 곳으로, 즉 과거로 거슬러 올라가면 우주의 팽창이 가속화되어 찢긴 상태에 있는 암흑에너지를 만날 수 있는데 이것이 우주의 운명을 쥐고 있다.
그리고 암흑물질을 설명하기 위해 진지하게 논의되고 있는 여분의 차원과 암흑에너지를 설명하기 위한 다원 우주. 우주에는 눈에 보이는 3차원 공간 외에 여분의 차원의 공간들이 존재하고, 엄청나게 많은 우주가 시행착오로 인해 생성되어 있을지도 모른다.

·암흑물질은 지금 이 순간에도 우리 몸을 통과하고 있다?
·암흑물질은 여분의 차원에서 온 메신저일지도 모른다?
·여분의 차원은 우리 바로 옆에 있다?
·중력이 약한 이유는 여분의 차원으로 빠져나가기 때문이다?
·이대로 우주가 가속팽창하면 우주는 찢어진다?
·엄청나게 많은 우주가 시행착오로 만들어졌다?
·그중에서 어쩌다 잘 만들어진 우주에 우리들이 살고 있는 것이다?

* 책속으로 추가
p.147 여분의 차원은 바로 우리 옆에 있다
우리가 살고 있는 우주에 3차원 공간과는 다른 방향이 있다면 왜 지금까지 몰랐을까요? 가장 유력한 이유는 3차원 이외의 차원은 굉장히 작다는 것입니다. 예를 들어 줄타기를 하고 있는 사람이 있다고 가정해 봅시다. 그 사람 입장에서 보면 움직일 수 있는 방향은 밧줄이 놓인 방향밖에 없습니다. 즉 밧줄을 따라 전진하느냐, 후진하느냐밖에 없는 것입니다. 이 경우, ‘밧줄 끝에서 20미터 앞’이라는 숫자를 하나 정하면 장소가 결정됩니다. 밧줄타기를 하는 사람에게 공간적 차원은 하나뿐입니다. 즉 이 사람은 1차원의 세계에 있는 것입니다.
그렇다면 밧줄 위는 정말로 1차원일까요? 만약, 이 밧줄 위에 개미가 있다면 어떨까요? 개미는 몸집이 작기 때문에 밧줄을 따라 움직일 뿐만 아니라 밧줄 지름 방향으로 뱅글뱅글 돌 수도 있습니다. 따라서 개미 입장에서 보면 밧줄 위는 2차원 공간이 되는 것입니다. 사람에게 밧줄의 두께는 너무 가늘어 그 방향으로 움직일 수 있는 차원이 있다는 걸 느낄 수 없지만, 개미는 2차원이라고 느낄 수 있습니다.
즉 사람의 눈에는 어느 정도 큰 것만 보이므로 3차원 공간밖에 보이지 않는 것입니다. 현미경 같은 미시적 시점에서 보면 다른 차원이 보일지도 모른다는 게 기본적인 생각입니다.

코페르니쿠스가 우주의 중심이 지구가 아니라는 것을 알아내어 인류 지성사에 커다란 전환점을 만들어 낸 것처럼, 지금 물질의 중심이 우리가 잘 알고 있던 원자가 아니라 새로운 성분이라는 것이 밝혀지고 있습니다. 마치 꼬리에 꼬리를 물듯 발견은 새로운 발견의 토대가 되고, 또 새로운 발견은 더 큰 의문을 불러일으켜 우리의 지식의 지평선이 넓어지는 것을 목격합니다.
무라야마 히토시는 이 책에서 우주에 대한 물리학 연구의 최근의 성과를 친절한 비유와 설명을 통해 소개합니다. 특히 실험과 관측 결과는 물론이고 여분 차원 이론과 초끈이론, 인류원리와 다중 우주 등 이론적으로 논의되고 있는 물리학의 새로운 소식까지 과학적으로 정확하고, 권위 있으면서도 쉽게 읽히는 특유의 명쾌한 스타일로 잘 풀어내고 있습니다. 우주에 대해 과학자들이 알아낸 흥미로운 소식을 접하고 싶은 분들이라면 읽어보실 것을 권합니다.

추천의 글 5
시작하며 9

1장 우리가 알고 있는 우주 17
태양계는 우주의 일부·19 | 자세히 본 태양계·22 |
생각보다 빠른 공전 속도·26 | 별은 무엇으로 만들어져 있을까?·27 |
중성미자의 선물·31 | 중성미자 관측의 어려움·33 |
별의 내부는 어떻게 생겼을까?·36 | 은하수를 자세히 살펴보자·37 |
은하계에도 블랙홀이·41 | 기묘한 은하의 회전·42 |
눈에 보이지 않는 물질·44 |
은하의 내부가 암흑물질로 가득하다고?!·45 |
은하가 회전한다는 사실을 어떻게 알지?·47 |
아무것도 보고 있지 않은 것이나 마찬가지·49

2장 암흑물질로 가득 찬 우주 53
은하단도 암흑물질로 가득하다·55 | 중력렌즈에 대해·58 |
스바루 망원경의 활약·60 | 은하단과 은하단의 충돌 현장·63 |
Q&A·67

3장 우주의 대규모 구조 71
우주의 농담濃淡·73 | 빅뱅 이후 남은 빛·75 |
우주는 팽창하고 있다·78 | 우주의 구성 요소·79 |
암흑물질과 우주의 시작·81 |
Q&A·82
칼럼 만물을 만드는 소립자·83

4장 암흑물질의 정체를 찾아서 87
암흑물질의 후보·89 | 첫 번째 후보는 겁쟁이·94 |
윔프WIMP의 정체·96 | 다른 차원에서 왔다고?!·98 |
암흑물질의 소리를 찾아서·100 | 암흑물질 탐색의 과열 양상·104 |
빅뱅의 재현·106 | 우주 게놈 계획·108 |
Q&A·112
칼럼 우주의 나이·113

5장 우주의 운명 117
우주의 운명·119 | 암흑에너지·120 |
초신성으로 팽창 속도 구하기·121 | 계속 팽창하는 에너지·125 |
우주가 찢어진다고?·127 | 암흑에너지 효과의 생성 속도·129 |
초끈이론이 예측하는 우주의 종말·130 |
Q&A·131

6장 다차원 우주 137
우주는 하나가 아니다·139 | 휘어진 차원을 평평하게·141 |
5차원 시공·143 | 눈에 보이지 않는 차원·145 |
여분의 차원은 바로 우리 옆에 있다·147 | 힘의 통일을 향해·149 |
중력은 약한 힘·151 | 중력은 상호 소멸하지 않는다·152
중력은 왜 약한 걸까?·154 |
여분의 차원으로 전달되는 중력이 있을까?·157

7장 여분의 차원의 존재 161
여분의 차원으로 빠져나가는 중력·163 |
블랙홀은 여분의 차원의 증거·165 |
(국제)선형가속기 실험·167 | 휘어진 우주·169 |
불확정적인 여분 차원의 공간·171 | 존재 이유-불확정성·173 |
여분의 차원 내부의 암흑물질·175
Q&A·178

8장 우주가 정말 하나뿐일까? 183
3차원 샌드위치·185 | 우주의 가지 뻗기·186 |
팽창을 가속화하는 에너지·187 | 이론물리학 최악의 예언·189 |
초끈이론과 블랙홀·193 | 접혀 있는 6차원 공간·196 |
우주가 수없이 많다고?·198 |
Q&A·203
마치며 205
찾아보기 208

p.41 은하계에도 블랙홀이
은하계 중심부의 별을 보면 어느 지점에서 별의 궤도가 급속히 휘어지는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 주변에 커다란 중력이 있다는 증거입니다. 큰 중력 옆을 지났기 때문에 그 중력에 끌려 별의 궤도가 크게 휘어진 것입니다. 즉 블랙홀 자체는 보이지 않지만 주변 별의 움직임을 조사하면 그 별이 어느 정도 크기의 중력에 이끌리고 있는지 알 수 있습니다. 그 정보를 수집해 가면 간접적이기는 하지만 블랙홀이 어디에 있는지 알 수 있습니다.

p.44 눈에 보이지 않는 물질
지금 필자가 이야기한 중력의 원천이 되는 물질은 눈으로 볼 수가 없습니다. 은하 내에는 이런 것들이 아주 많습니다. 그리고 그 눈으로 볼 수 없는 물질은 ‘암흑물질’이라는 이름으로 불립니다. 눈에도 보이지 않고 정체가 불분명한 무엇인가이기 때문에 암흑이라는 단어가 붙었습니다. 하지만 무게가 있고 중력의 원천이 되므로 이것이 물질이라는 사실만큼은 알 수 있습니다. 이 눈에 보이지 않는 암흑물질이 우리 은하 내에 많이 존재하므로 우리 태양계도 은하계 내에서 무사히 돌고 있는 것입니다. 만약 암흑물질이 없어진다면 태양계는 당장이라도 우리 은하에서 어딘가 먼 곳으로 튕겨나가고 말겠지요.

p.49 아무것도 보고 있지 않은 것이나 마찬가지
물론 은하 중에서도 별이 많은 부분은 잘 보이기 때문에 쉽게 크기를 알 수 있습니다. 우리 은하의 경우는 지름이 약 10만 광년 정도입니다. 하지만 암흑물질까지 포함하면 은하의 크기는 알 수가 없습니다. 암흑물질은 눈에 보이지 않기 때문에 어디까지, 어떤 형태로 펼쳐져 있는지 알 수가 없는 것입니다. 암흑물질은 끝없이 펼쳐져 있을 수도 있지만 지금으로서는 정확히 측정 가능한 방법이 발견되지 않은 상태입니다.
지금, 우리 눈에는 은하계의 아름다운 원반 부분밖에 보이지 않습니다. 하지만 그 주변에는 많은 암흑물질이 있습니다. 그 암흑물질의 중력 덕분에 원반이 아름다운 소용돌이 모양으로 돌 수 있는 것입니다.

p.73 우주의 농담濃淡
시뮬레이션이므로 암흑물질이 있는 우주와 없는 우주를 만들어 비교할 수 있습니다. 암흑물질이 있는 경우는 암흑물질이 중력으로 서로를 끌어당겨 모이므로 점점 농도의 차, 즉 농담이 생깁니다. 암흑물질이 많이 모인 곳은 중력이 강하기 때문에 거기에 보통의 원자로 된 물질이 흡입되어 은하가 생성되고 대규모 구조도 형성됩니다. 하지만 암흑물질이 없는 경우는 암흑물질의 농담도 생기지 않고 아무리 멀리 가도 똑같아 구별되지 않는 우주가 계속됩니다. 물론 별이나 은하도 생성되지 않습니다.
즉 암흑물질이 없으면 별이나 은하가 생기지 않고, 우리도 태어나지 않았을 거라는 얘기입니다. 그러므로 우주에 어째서 우리가 존재하는가라는 의문에 대한 답은 사실 암흑물질이 쥐고 있습니다.

p.98 다른 차원에서 왔다고?!
암흑물질이 다른 차원에서 왔다는 설은 이런 의문을 해소시킬 수 있습니다. 사실 이 무거운 입자는 우리 눈에는 보이지 않는 차원을 날아다니고 있다고 예상하는 것입니다. 우리 눈에 그 차원은 보이지 않기 때문에 움직인다고는 생각하지 못하고 멈춰 있는 것처럼 보입니다. 하지만 3차원보다 높은 차원에서 보면 그 소립자는 날아다니고 있는 것입니다. 날아다닌다는 것은 운동 에너지를 가지고 있으므로 에너지가 높습니다. 이렇게 생각하면 ‘멈춰 있는데 에너지가 높은’ 이상한 현상을 설명할 수 있습니다. 그러므로 여분의 차원에 있는 것이나 여분의 차원에서 온 생물(만약 있다면) 등은 암흑물질이 됩니다.

p.120 암흑에너지
암흑에너지는 우주를 형성하는 것들 가운데 암흑물질과 더불어 정체가 밝혀지지 않은 존재입니다. 미지의, 정체불명의 에너지이기 때문에 암흑에너지라고 부릅니다. 암흑물질은 10년 이내에는 정체가 밝혀질 것으로 기대되고 있지만, 우주 전체 에너지의 73%를 차지하는 것으로 추측되는 암흑에너지의 정체는 아직 아무런 실마리도 잡지 못한 상황입니다.