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물리학 거장, 킵 손 교수가 펼쳐보이는 블랙홀과 우주 원리!

『블랙홀과 시간여행』은 우주에서 가장 신비스러운 대상인 블랙홀을 이해하려는 노력과 성공에 가장 가깝게 있었던 물리학의 거장이자, 2017 노벨물리학상 수상자인 킵 손 교수가 써내려간 흥미로운 여정이다. 저자는 30년간 아인슈타인이 후세에 남긴 상대성 원리와 우주에 대한 상대성 원리 예측을 이해하는 탐구를 진행해왔다. 그 탐구는 블랙홀과 백색왜성, 중성자별, 특이점, 중력파, 웜홀, 시간 뒤틀림 등으로 그를 안내했으며 이 책을 통해 중력파 천문학의 시대를 펼쳐 보인다.

이 책은 먼저 SF로 쓰인 프롤로그로 시작한다. 전문적인 내용을 담은 열네 개의 장으로 구성되어 각 장에서는 역사적, 정치적 측면은 물론 관련된 인물과 에피소드에 이르기까지 100년에 걸친 장엄한 우주 오디세이를 자세히 서술한다. 어려운 물리학 용어 뿐 아니라 저자의 살이 있는 경험담과 그 뒷이야기까지 담겨 있어 우주 과학에 대한 또 다른 재미를 선사한다. 특히 프롤로그의 '블랙홀로의 항해' 부분에서는 블랙홀에 관한 상당한 정보를 제공하고 있어 책을 다 읽은 후 다시 한 번 읽는다면 저자의 의도를 보다 더 정확하게 파악할 수 있다.

물리학의 거장, 킵 손 교수가 펼쳐 보이는 블랙홀과 우주의 원리!
중력파를 예견한 바로 그 책을 새롭게 다시 만난다!

★아태이론물리센터 선정 과학고전 50선★
★미국물리협회(API) 과학도서상★
★파이 베타 카파 과학도서상★
★러시아 프리로다 독자상★
★전 세계 10개 언어로 번역된 물리학의 바이블★

▼ 100년 만에 증명된 아인슈타인의 예언!
스티븐 호킹의 말을 빌려 설명하면, 이 책은 시간과 공간에 대한 우리 사고의 혁명과 그 혁명이 일으킨 변화에 관한 것으로, 우주에서 가장 신비스러운 대상인 블랙홀을 이해하려는 노력과 그 성공에 가장 가깝게 있었던 저자가 써내려간 흥미로운 여정이다.

1915년 아인슈타인은 시간과 공간을 통합해 시공간이라 부르는 이론을 제시하며, 시공간이 평평하지 않다고 주장했다. 시공간은 물질과 에너지에 의해서 휘어지고 뒤틀려 있다는 것이다. 우리 주변의 시공간은 거의 평평하기 때문에, 보통 상황에서 이 휘어짐은 별개 아닐 수 있다. 그러나 아인슈타인의 이론은 드넓은 우주에서 훨씬 놀라운 것을 말해준다. 그중 하나가 별들이 자신의 중력에 의해 한없이 붕괴해 우주 밖으로 떨어질 정도로 별 주변의 공간이 휘어질 수 있다는 것이다. 이런 붕괴의 가능성은 아인슈타인조차 믿지 않았다. 하지만 그의 이론은 필연적인 결과를 낳았다.

이런 블랙홀에 대한 모든 것을 어떻게 발견했는가가 바로 이 책의 주제이다. 블랙홀에 대한 연구는 실험적 결과를 바탕으로 하지 않는다. 관찰에 의한 결과가 아닌, 인간의 사고만으로 촉발된 과학의 역사에서 유례가 없는 이론이다. 이 책은 그 과학 발견의 역사 한가운데 있던 과학자가 쓴 것이다.
우리는 여전히 블랙홀에 관해서 많이 모른다. 아직 블랙홀에 떨어진 물체와 정보에 어떤 일이 발생하는지 이해하지 못한다. 블랙홀로 떨어진 물체와 정보들이 우리의 우주 어딘가에서 다시 나타날지, 아니면 다른 우주에서 나타날지 또 시간을 거슬러 오르기 위해서 시간과 공간을 뒤틀 수 있는지… 이런 질문들은 우주를 이해하려면 반드시 넘어야 할 산이다.

하지만 2016년 2월 11일, 인류는 중력파 검출이라는 인류 물리학사에 한 획을 그은 성과를 이뤄내며 블랙홀의 비밀에 한 발 다가섰다. 아인슈타인이 1916년 중력파의 존재를 예측한 지 꼭 100년 만에 이뤄진 놀라운 성과가 아닐 수 없다. 이로써 일반상대론이 예측한 현상 가운데 마지막까지 남아 있던 숙제가 풀렸다. 전 세계 언론이 흥분한 가운데, 새롭게 주목받고 있는 사람이 바로 이 책의 저자인 킵 손이다.

▼ 아인슈타인의 유산을 해석하기 위한 투쟁의 역사
1915년 11월 세상에 등장한 아인슈타인의 일반상대성이론은, 등장 직후인 1920년대 초 뉴턴의 중력이론과 어긋났던 수성의 운동을 설명했고, 윌슨 관측소에 있는 허블망원경으로 멀리 떨어진 성운에서 오는 빛의 적색 이동을 관측하면서 확증되었다. 이후 다소 잠잠한 시기를 보냈다.

이후 블랙홀의 개념이 추측의 형태로 제시되었으며, 점차 상대성 원리에도 블랙홀의 자리가 있다는 것이 밝혀졌다. 당시 아인슈타인은 이런 적용을 마음에 들어 하지 않았지만 과학자들은 점차 블랙홀을 인정할 수밖에 없는 결과들을 쌓아가게 되었다. 제2차 세계대전은 과학적 연구를 중단시켰지만 전쟁이 끝난 후에는 놀라운 기술이 접목되면서 새롭게 발전하는 계기가 되었다.

아인슈타인은 물체의 가속운동에 의해 빛이 이동하는 공간이 휘어지고, 시간도 느려진다고 생각했다. 여기서 가속운동은 중력에 의한 운동이며, 이런 중력은 주변의 시공간에 영향을 미친다. 이 영향력이 거리에 따라 물체에 미치는 세기가 달라진다. 이 원리를 바탕으로 아인슈타인은 수성의 근일점이 움직이는 이유를 설명했다. 또 태양 정도의 질량은 그 중력으로 시공간을 구부려서 빛의 경로를 휘게 만들 수 있다는 것도 밝혔다. 실제로 중력이 시공간에 변화를 미치는지는 지금까지 확인되지 않았다. 하지만 별이 폭발하는 경우 질량이 급변하는 상황에서는 중력이 요동치며, 질량의 분포가 시간에 따라 변하면서 시공간이 휘고, 그 변화가 공간을 따라 퍼진다. 마치 고요한 수면 위에 돌을 던졌을 때처럼 주변 시공간을 뒤흔들며 중력의 변화(에너지)가 전파된다. 이것이 아인슈타인이 1916년 예측한 현상이며, 지난 100년간 발견되지 않았던, 바로 중력파였다.

▼ 전 세계 10개 언어로 번역된 물리학의 바이블!
저자는 30년간 아인슈타인이 후세에게 남긴 상대성 원리와 우주에 대한 상대성 원리의 예측을 이해하는 탐구를 진행했다. 그 탐구는 블랙홀과 백색왜성, 중성자별, 특이점, 중력파, 웜홀, 시간 뒤틀림, 타임머신 같은 것들로 그를 안내했으며, 이를 더 많은 사람들과 공유하려는 염원에서 이 책을 쓰게 되었다고 밝혔다.
책은 일종의 SF로 쓰인 프롤로그에서부터 시작된다. 그리고 전문적인 내용을 담은 열네 개의 장이 이어진다. 각 장에서는 세부 주제들의 역사적, 정치적인 측면은 물론 관련된 인물과 에피소드에 이르기까지 100년에 걸친 장엄한 우주 오디세이를 자세하고 정확하게 서술해낸다. 어려운 물리학 용어만 가득한 전문서적이 아닌, 블랙홀 역사의 흐름에 한 줄기를 담당했던 저자의 살아 있는 경험담과 그 뒷이야기들이 담겨 있어 다른 과학책과는 다른 재미를 발견할 수 있다.
특히 프롤로그 ‘블랙홀로의 항해’만으로도 독자는 블랙홀에 관한 상당한 정보를 얻을 수 있는데, 독자들은 먼저 가볍게 이 부분을 읽고, 책을 다 읽은 후 다시 한 번 읽는다면 저자의 의도를 보다 정확하게 파악할 수 있을 것이다.

▼ 물리학의 거장 킵 손 교수가 펼쳐 보이는 중력파 천문학의 시대!
과학과 대중의 거리를 좁히는 데 노력해온 킵 손 교수는 스티븐 호킹, 칼 세이건 등 물리학 거성들과 어깨를 나란히 하며 당대 최고의 이론 물리학자 가운데 한 사람으로 평가받고 있다. 우주를 담은 영화 《인터스텔라》의 과학고문을 맡기 위해 칼텍 파인만 석좌 교수에서 물러났다는 일화는 유명하다. 그 정도로 그는 우주의 원리를 대중에게 쉽게 알리는 데 공헌을 해왔다.

킵 손만큼 학술적 역량과 그걸 쉽게 풀어내는 능력이 동시에 뛰어난 인물은 흔치 않다. 그는 《인터스텔라》의 과학적 원리를 설명하고자 한국을 방문했을 때, "늦어도 2019년이면 최초의 중력파 측정이 가능할 것"이라며, '라이고'(LIGO) 프로젝트를 소개한 바 있다. 그리고 2016년 그는 그 약속을 3년이나 앞당겨 실현했다. 중력파의 감도가 더 좋아져 초기 우주 대폭발 당시에 나왔던 중력파를 볼 수 있다면 초기 우주에 관한 정보도 알 수 있게 될 것이다.

물리학의 거장으로 불리는 킵손은 1960년대 초반부터 이 책이 출판되던 1994년은 물론 현재까지도 이 분야에서 가장 중심에 서 있는 과학자이다. 그는 이 책을 통해 “독자들이 배웠으면 하는 가장 중요한 한 가지는 무엇입니까?”라고 스스로에게 묻고 이렇게 답했다.

“우리 우주의 복잡성을 해명하고, 궁극적 간결성과 우아함 그리고 그것을 지배하는
근본 법칙의 영광스러운 아름다움을 드러내는 인간 정신의 놀라운 능력. 연구를 준비하고
시작한 이래 막다른 골목에 부딪히더라도 뛰어난 통찰로 난관을 뛰어넘는
인간 정신의 놀라운 능력. 바로 독자들이 이것을 배우기 바란다.”

이번 출간은 킵 손 교수와 오랜 인연을 맺어온 오정근 교수의 감수로, 1997년에 출간되었던 초판본에서 아쉬웠던 점을 수정해 재출간되었다.

칼 세이건(천문학자, 작가)
“너무나 훌륭하다. 과학책은 이렇게 써야 한다. 그 자체로 강력한 영향력을 전할 책이다.”

뉴욕 타임스
“이 시대 최고의 과학책.”

앨런 라이트먼(소설가, 이론물리학자)
“이 책은 다른 책에서는 볼 수 없던 과학적 기획을 담고 있다. 역사와 현대 물리학, 새로운 발견의 짜릿함 그리고 과학적 직관이 유려하게 담겨 있다.”

서문 / 스티븐 호킹
출간에 부쳐 / 프레더릭 사이츠
감수의 글 / 오정근
머리말 / 이 책은 무엇에 대한 것이며, 어떻게 읽어야 하나
프롤로그 : 블랙홀로의 항해
1. 시간과 공간의 상대성
2. 시간과 공간의 뒤틀림
3. 블랙홀의 발견과 부정
4. 백색왜성의 신비
5. 피할 수 없는 내폭파
6. 내폭파 이후
7. 황금시대
8. 탐색
9. 뜻밖의 발견
10. 곡률의 잔물결
11. 실재란 무엇인가?
12. 블랙홀의 증발
13. 블랙홀의 안쪽
14. 웜홀과 타임머신
에필로그: 아인슈타인의 유산, 과거와 미래, 몇몇 중요 인물들

우리는 여전히 블랙홀에 관해 잘 알지 못한다. 아직 블랙홀에 떨어진 물체와 정보에 어떤 일이 발생하는지 이해하지 못한다. 블랙홀로 떨어진 물체와 정보가 우리의 우주 어딘가에서 다시 나타나는가? 아니면 다른 우주에서 나타나는가? 시간을 거슬러 오르기 위해 시간과 공간을 뒤틀 수 있는가? 이런 질문들은 우주를 이해하려면 반드시 넘어야 할 산이다. 혹시 우리 미래에서 누군가가 시간을 거슬러 올라와 우리에게 답을 가르쳐 줄지도 모를 일이다. -10쪽

유니콘에서 여러 괴물에 이르기까지, 인간 정신의 모든 산물 가운데 가장 환상적인 것은 아마 블랙홀일 것이다. -23쪽

이런 황금시대 이래 등장한 가장 놀랄 만한 것은 블랙홀의 모든 속성이 엄밀하게 세 가지 숫자로 예측 가능하다는 일반상대론의 주장이었다. 이 세 가지 숫자는 바로 블랙홀의 질량, 회전률, 전하이다. 만약 충분한 수학적 재능만 가지고 있다면 이 세 가지 숫자로부터, 예를 들면 우리는 블랙홀의 지평면, 중력에 의한 인력의 강도, 블랙홀 주변의 시공간 소용돌이, 맥동의 진동수를 계산할 수 있다. 이런 많은 것이 1975년에 다 밝혀졌다. 그러나 이것이 전부는 아니다. 블랙홀이 가진 나머지 모든 속성을 계산하고 밝혀내는 것은 어려운 도전이었다. 그리고 이런 도전을 찬드라세카르는 너무 좋아했다. 1975년 그는 개인적으로 이 연구에 착수했다. -356쪽

만약 인간이 정말 똑똑하다면, 이 잔물결이 우리를 통과할 때 측정할수 있을 것이다. 우리의 컴퓨터는 곡률의 잔물결을 소리의 잔물결로 바꿀 수 있을 것이다. 그렇다면 우리는 블랙홀의 교향곡을 들을 수 있다.블랙홀들이 서로에 대해서 나선운동을 한 후, 거칠게 서로 합쳐져 변형된 블랙홀을 만들게 될 때 음조와 세기가 점점 증가하다가, 그 블랙홀의 돌기가 점차 수축해 사라질 때는 부드러운 음조로 천천히 조용해지는 교향곡을 들을 수 있다. -493쪽

블랙홀의 특이점이 ‘새로운 우주’를 낳을 확률은 얼마나 될까? 우리는 모른다. 그것은 아마 일어나지 않았을지도, 또는 매우 비일비재할 수도 있다. 혹은 특이점이 양자폼으로 이루어져 있다는 우리의 믿음이 완전히 잘못되었을 수도 있다. -650쪽
봄 내내 무언가가 나를 자극하고 있었다. 그리고 나는 그것을 애써 무시하려고 했다. 좀 잠잠해져 곰곰이 생각해볼 수 있기를 기다렸던 것이다. 고독에 빠져들자 드디어 그것이 나를 찾아왔다. 고독에 파묻혀, 나를 자극하고 있던 것이 무의식에서 떠오르기를 기다렸다. 그리고 난 이것을 시험해보기로 했다. “웜홀을 통해서 시간이 서로 어떻게 연결되는가?” 이것이 바로 핵심이었다. -679쪽