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-양자와 시공간, 생명의 기원까지
모든 것의 우주적 의미에 관하여

〈추천사〉
“션 캐럴의 《빅 픽쳐》는 단순한 대중 과학서가 아니다. 생각하고 싶어 하는 일반인들을 위한 과학철학, 정신철학 및 윤리학의 입문서로도 손색이 없다. 여러 분야 첨단과학의 내용을 재미있고 쉽게 설명할 뿐 아니라 저자의 폭넓은 역사적, 철학적 식견을 바탕으로 수많은 깊은 질문들을 던져주는 아주 풍성한 책이다. 캐럴이 주장하는 “시적 자연주의”는 과학적 세계관 속에서 인생의 의미를 찾아보려는 노력이다. 과학은 인간이 여러 가지 방식으로 자연을 이해하려는 엄격하면서도 창의적인 노력이며, 잘 검증된 과학이론도 절대적 진리가 아니라는 점을 강조하고 있다. 현대과학 지식에 대한 자신감과 인간적 겸허함을 겸비한 수준 높은 지혜를 보여준다. 정말 보기 드문 걸작이다.”
- 장하석 케임브리지 대학교 석좌교수

인간 삶의 목적이나 의미가 과학적 세계관과 어우러질 수 있는가?

현대과학이 던지는 도전적 과제들을 명쾌하게 풀어헤쳐 온 션 캐럴을 세계 과학계가 주목하고 있다. 이 시대에 촉망받는 과학사상가로 떠오른 션 캐럴은 힉스 보손과 같은 현대물리학의 난제뿐만 아니라 과학이 답하기 어려운 철학적 질문까지 끌어안고자 한다. 우리는 어디에 있는가? 우리는 누구인가? 광막한 우주 공간 속에서 우리의 감정, 신념, 희망과 꿈은 궁극적으로 어떤 의미가 있는가?

50개의 장으로 이루어진 《빅 픽쳐》는 흥미로운 과학의 역사 속 이야기들로 가득하다. 여기에 션 캐럴의 명쾌한 해설이 더해져 독자에게 이해와 즐거움을 선사한다. 양자 수준에서, 우주 수준에서 그리고 인간적 수준에서 우리 세계가 어떻게 작동하는가? 그리고 각 수준의 세계는 어떻게 연결되어 있는가? 다윈과 아인슈타인에서 생명의 기원과 인간의 의식 그리고 우주에 이르기까지 션 캐럴의 해석은 전례를 찾아보기 어려울 만큼 독창적이다.

지난 몇 세기 동안 이루어진 엄청난 과학적 발견들이 우리의 세계관을 어떻게 바꿔왔는지를 보여주며 또 그 변화가 우리에게 어떤 의미인지 일깨워준다. 광대한 시공간 앞에서 우리 인생은 더없이 초라해지지만 우리는 그런 우주를 이해하고 의미를 부여할 줄 아는 능력을 지녔기에 우리 삶이 결코 허망하지 않음을 안다.

《빅 픽쳐》는 전례 없이 훌륭한 과학적 세계관을 독자에게 선사한다. 스티븐 호킹, 칼 세이건, 대니얼 데닛의 저서와 어깨를 나란히 할 이 시대의 걸작이다.

장하석(케임브리지 대학교 석좌교수)
“션 캐럴의 《빅 픽쳐》는 단순한 대중 과학서가 아니다. 생각하고 싶어 하는 일반인들을 위한 과학철학, 정신철학 및 윤리학의 입문서로도 손색이 없다. 여러 분야 첨단과학의 내용을 재미있고 쉽게 설명할 뿐 아니라 저자의 폭넓은 역사적, 철학적 식견을 바탕으로 수많은 깊은 질문들을 던져주는 아주 풍성한 책이다. 캐럴이 주장하는 “시적 자연주의”는 과학적 세계관 속에서 인생의 의미를 찾아보려는 노력이다. 과학은 인간이 여러 가지 방식으로 자연을 이해하려는 엄격하면서도 창의적인 노력이며, 잘 검증된 과학이론도 절대적 진리가 아니라는 점을 강조하고 있다. 현대과학 지식에 대한 자신감과 인간적 겸허함을 겸비한 수준 높은 지혜를 보여준다. 정말 보기 드문 걸작이다.”

닐 디그래스 타이슨(《날마다 천체 물리》 저자)
《브레인 피킹스》 선정 “2016 가장 위대한 책”
《NPR 사이언스 프라이데이》 선정 “2016 최고의 책”

션 캐럴이 천문학, 물리학, 화학, 생물학 그리고 철학을 씨줄과 날줄 삼아 풍성한 이야기로 양탄자를 자아냈다. 우주에 관한 그의 탁월하고 깊이 있는 해석에 우리는 전율한다. 무엇보다도 그가 말하는 모든 것에 관해 마음속으로부터 호기심이 용솟음친다.

카를로 로벨리
심오한 지식에서 우러나오는, 명쾌하지만 꾸밈없는 언어로 현대과학이 제시하는 세계관을 아름답게 전하고 있다. 자유의지, 시간의 방향성, 도덕의 근원 같은 첨예한 문제들을 세련된 통찰로 파헤친다. 《빅 픽쳐》는 과학적 세계관이 우주와 나에 대한 이해를 얼마나 풍성하게 가꿔줄 수 있는지를 보여주는 책이다. 우주에 관한 믿을 만한 해석이자 삶의 의미를 향한 차분한 명상이기도 하다. 모든 이가 읽어야 할 책으로 추천한다.
- 《보이는 세상은 실재가 아니다》 저자

뉴욕타임스 북 리뷰
생생하고 감명 깊고 웅대한 지식을 품은 책이다.

월 스트리트 저널
션 캐럴은 다른 의견에 대해 항상 관대하며 거만하지 않은 겸손한 태도를 견지한다. 그러면서도 매혹적인 우주의 그림과 그 궁극적인 법칙을 선명하게 보여준다. 션 캐럴은 광범위한 학문 영역을 넘나들며 우리에게 지적 여행의 기쁨을 선사하고 있다. 비록 그의 말에 100% 동의하지 않는 독자들이라 할지라도 그의 폭넓은 식견과 세련된 화법에 매료될 것이 분명하다.

살롱
《빅 픽쳐》는 무한하고 낯선 우주에 관해 우리 인간이 밝혀낸 모든 것을 스냅 사진처럼 알기 쉽게 보여주는 걸작 중의 걸작이다. 션 캐럴은 난해한 현대과학의 이슈들을 비전문가들도 이해할 수 있는 쉬운 언어와 매혹적인 스토리텔링으로 담아냈다.

더 타임즈
과학과 인류에 관한 션 캐럴의 총체적 통찰력이 고스란히 담긴 걸작이다. 이 책을 통해 독자들은 과학과 종교, 윤리 사이의 복잡하게 얽힌 문제들에 관한 자체의 식견을 얻게 될 것이다.

파이낸셜 타임스
《빅 픽쳐》는 실로 감동적인 책이다. 션 캐럴은 생동감 넘치는 동시에 독자와 소통할 줄 아는 저자다. 자신의 고유 영역인 물리학 못지않게 생물학 그리고 철학의 문제들을 자유자재로 넘나든다.

커커스 리뷰
션 캐럴은 불가사의로 가득한 ‘우주 발견 여행’의 완벽한 안내자다. 비전문가들도 쉽게 알아들을 수 있는 언어로 과학과 철학의 심오한 문제들을 명쾌하게 설명해준다.

퍼블리셔스 위클리
션 캐럴은 독자들이 자신과 우주 그리고 의미 있는 삶의 그림을 그려낼 수 있도록 지적 도구를 선사하고 있다.

사이언티픽 아메리칸
수 세기 동안 과학이 발견해 낸 것들로 우리를 안내하며 자연에 관한 우리의 이해가 어떻게 형성되어 왔는지를 보여준다. 또한 자연법칙이 삶과 죽음 그리고 우주 속 인간이 처한 위치와 같은 가장 근본적인 물음과 어떻게 연관되어 있는지를 밝혀준다. 통찰로 가득한 책이다.

피직스 투데이
《빅 픽쳐》는 삶의 의미에 관한 물리학적 통찰로 가득하다. 이 책은 시집(詩集)이다.

사이언스
캐럴은 생각과 선택, 의식과 가치 따위의 철학적 현상이 지난 100여년 동안 발전해 온 과학적 지식체계로 어떻게 설명될 수 있는지를 보여주고자 한다. 철학과 과학의 전문 용어를 끌어들이지 않고도 철학과 과학 두 분야에 걸친 장대한 담론을 성공적으로 이끌었다.

북 리스트
책 제목에 걸맞게 웅대한 책이다. ‘큰 질문’을 즐기는 독자라면 누구나 얻을 것이 많은 책이다.

엘리자베스 콜버트(《여섯 번째 대멸종》 작가)
언어철학, 양자물리학, 일반상대성이론…. 모든 것이 《빅 픽쳐》 안에 있다. 션 캐럴은 놀라우리만치 해박하고 재미있는 작가다.

프롤로그

1부?코스모스
1.?현실의 기본 성질
2.?시적 자연주의
3.?스스로 돌아가는 세상
4.?무엇이 미래를 결정하는가
5.?왜
6.?우리 우주
7.?시간의 화살
8.?기억과 원인

2부?이해하다
9.?있음 직한 세상, 믿음직한 세상
10.?믿음 업데이트하기
11.?모든 것을 의심하기
12.?현실의 창발
13.?무엇이 실재이고 무엇이 환상일까
14.?믿음의 행성
15.?불확실성을 인정하기
16.?관찰하지 않고도 세상을 알 수 있을까
17. ?나는 누구인가
18.?신을 귀추하다

3부?존재의 정수
19.?우리는 얼마나 아는가
20.?양자의 세계
21.?양자역학을 해석하는 여러 가지 방법
22.?코어 이론
23.?나를 만드는 모든 것
24.?일상적 세상의 유효 이론
25.?우주는 왜 존재할까
26.?육체와 영혼
27.?죽음은 끝이다

4부?복잡도
28.?커피잔 속의 우주
29.?빛과 생명
30.?생물의 에너지 융통
31.?생명의 자기 조직화
32.?생명은 어떻게 생겨났을까
33.?진화의 자동실행 기능
34.?풍경에서 답을 찾다
35.?창발한 목적
36.?우리는 중요할까

5부?생각하다
37.?의식의 부상
38.?뇌의 옹알이
39.?생각할 자격
40.?어려운 문제
41.?좀비와 의식
42.?광자에도 의식이 있을까
43.?화법의 우선순위
44.?선택할 자유

6부?마음 쓰다
45.?30억 심장박동
46.?그런 것과 그래야 하는 것
47.?규칙이 우선인가 결과가 우선인가
48.?도덕을 구축한다는 것
49.?세상이 우리에게 전하는 열 가지 당부
50.?실존치료

부록: 나와 너를 해설하는 방정식
참고문헌
더 읽을거리
감사의 글
옮긴이의 말
찾아보기

이 책의 목표는 두 가지다. 첫째는 우주의 얘기를 들려주고 현재 우리가 배우는 우주학 개론이 진실이라는 근거를 설명하는 것이다. 이것은 흥미진진한 이야기가 될 것이다. 우리 인간은 자연계의 무심한 섭리를 통해 빚어졌지만, 사유하고 번영하며 무서울 정도로 복잡한 세상과 어울려 살아갈 줄 아는 멋진 진흙 덩어리들이다. 이런 우리 자신을 이해하기 위해서는 우리를 구성하는 재료들을 제대로 알아야 한다. 그 말은 입자와 힘과 양자역학의 영역을 좀 더 깊이 파고들어야 한다는 뜻이다. 특수 현미경을 들이대야만 보이는 초미세 조각들이 한데 모여 감정과 생각을 지닌 유기체가 되는 마법 같은 과정을 짚어보는 것은 기본이고 말이다.
둘째는 실존적 치유법을 마련하는 것이다. 인간은 초인간적인 자연법칙에 따라 구동되는 우주의 일개 구성요소이지만 그럼에도 우리는 {중요한 존재}라고 나는 감히 주장한다. 이것은 실험으로 데이터를 수집해서 증명하거나 기각할 수 있는 성격의 과학적 명제가 아니다. 그보다는 철학적 문제라고 하는 게 옳을 것이다. 이제는 옛날 사고방식을 과감하게 버릴 때가 되었다. 수천 년 동안 인간의 삶과 그 의미를 해석하는 바탕이 되었던 옛날 사고방식대로라면 인간은 단순히 원자들이 물리학 법칙에 따라 집결한 덩어리에 불과하다. 그런 인간은 감히 중요해질 수 없다. 인간이 그런 덩어리가 아니라는 소리가 아니다. 하지만 우리의 존재에는 {그 이상}의 의미가 들어 있다. 우리는 무형의 영혼이나 정신력과는 독립적으로 작동하는 원자들의 집합인 {동시에} 생각하고 느끼는 사람이다. 개개인이 살아가는 방식을 통해 의미를 체현하는 존재인 것이다.
-3~4p

이 얘기는 개연성이 거의 없는 상황을 두고 철학자들이 만든 심심풀이 말장난일지도 모른다. 적어도 현재 과학기술을 생각하면 그런 지적을 부정할 수 없다. 그렇다면 이건 어떤가. 복제인간 문제와 똑같은 주제를 담고 있는 ‘테세우스의 배’라는 오래된 사고실험이 있다. 아테네의 영웅 테세우스에게는 수많은 전투에서 생사고락을 함께한 배가 한 척 있었다. 그에 대한 존경심을 표하기 위해 아테네 시민들은 이 배를 항구에 영구정박시키기로 결정했다. 외관을 보존하기 위해서는 때때로 보수작업이 필요했을 것이다. 그러다 보면 부식이 너무 심해 널빤지나 돛대를 완전히 새것으로 갈아야 하는 날도 올 것이다. 바로 이때 정체성 문제가 부상한다. 널빤지 한두 장을 새로 댄 배는 예전의 배와 같은 것일까? 만약 그렇다면, 선체의 널빤지를 {전부} 교체한 후에는 어떻게 되는가? 또, 토머스 홉스가 물었던 것처럼 이 배에서 뜯어낸 널빤지들로 배를 새로 한 척 건조하면 새 배를 테세우스의 배라고 부를 수 있을까?
-21p

물리학적 결정론 개념은 미묘하지만, 핵심적인 면에서 운명이나 숙명과 다르다. 라플라스의 악마는 실존하지 않는다. 따라서 미래는 현재에 의해 결정되겠지만 그것이 구체적으로 어떤 미래일지는 아무도 모른다. 운명이라고 하면 우리는 그리스 운명의 세 여신이나 셰익스피어의 《맥베스》에 나오는 세 마녀와 같은 존재를 떠올린다. 혹은 수수께끼 같은 말로 미래를 알려주는 척하면서 너희가 아무리 발버둥 쳐도 벗어날 수 없다고 비웃는 신탁을 생각하기도 한다. 그러나 현실의 우주는 전혀 이렇지 않다. 그보다는 짜증 나는 꼬마에 더 가깝다. 꼬마는 사람들에게 다가가 “저는 당신에게 곧 벌어질 일을 알아요!”라고 말한다. 그게 뭐냐고 물으면 꼬마는 이렇게 대답한다. “그건 말할 수 없어요.” 그러고는 그 일이 일어나고 나서 지껄인다. “봤죠? 내가 그럴 거라고 했잖아요!” 이것이 우주다.
-47~48p

우주의 팽창이 사실로 확인된 이래로 모든 우주학자의 심중을 괴롭히는 의문이 하나 있다. 바로, 앞으로 우주는 어떻게 될 것인가다. 우주는 영원히 팽창할까 아니면 어느 순간 후진하기 시작해 쪼그라들어 결국 빅크런치(Big Crunch)라는 종말을 맞이하게 될까.
그 답을 알려주는 단서는 20세기가 끝나가는 무렵에야 나왔다. 멀리 떨어진 한 은하를 골라서 속도를 측정한 다음에 수백만 년 혹은 수십억 년 뒤에 같은 은하의 속도를 측정해 두 수치를 비교하면 은하의 이동 속도가 빨라졌는지 아닌지를 알 수 있다. 이 원리를 이용해 1998년에 두 천문연구팀이 우주는 팽창하고 있을 뿐 아니라 점점 가속하고 있다는 분석 결과를 공식 발표했다(물론 천문학자들이 이 방법을 그대로 사용한 것은 아니다. 그들은 거리가 서로 다른 은하들의 속도를 측정해 비교했다). 만약 이 움직임이 영원히 지속한다면 사실 그럴 가망이 상당히 높아 보이는데 우주는 끝없이 팽창하면서 계속 희석될 것이다.
그런데 두 은하가 중력으로 서로를 끌어당기면 우주의 팽창이 느려지지 않을까? 그럼에도 가속하는 것처럼 보이는 것은 물질 말고 다른 무언가가 있기 때문이고 말이다. 유력한 용의자는 바로 {진공 에너지}다. 주창자인 아인슈타인은 이것을 {우주 상수}라고 불렀는데, 진공 에너지는 우주가 팽창할 때도 일정한 밀도(1세제곱센티미터당 에너지의 양)를 갖는 우주 공간 본연의 성질이다. 일반 상대성 원리에 따른 에너지와 시공간의 상호작용 덕분에 진공 에너지는 고갈되지도 약해지지도 않고 계속 우주를 밀어낸다.
하지만 진공 에너지의 활약이 영원할지는 확신할 수 없다. 논리적 이해를 바탕으로 앞날을 미루어 짐작할 뿐이다. 그렇긴 해도 우주 팽창이 계속 가속하면서 끝없이 지속되는 일이 전혀 불가능하지는 않다. 게다가 어쩌면 매우 단순한 원리로 그것이 가능할 수도 있다.
이 시나리오가 사실이라면 우주의 미래는 매우 외로울 것이다. 우리는 밤하늘을 수놓은 빛나는 별들과 은하를 감상한다. 하지만 이런 장관은 영원하지 않다. 연료가 바닥난 별들은 결국 암흑에 묻힐 것이다. 학계는 지금으로부터 대략 1000조(1015) 년 뒤면 흐릿한 마지막 별이 점멸을 멈출 거라고 내다본다. 그때쯤이면 다른 은하들은 저 멀리 달아나 보이지 않게 된 지 오래고 우리 국부은하단은 행성들과 죽은 별들과 블랙홀들로 가득하게 될 것이다. 그나마 이런 행성과 별들도 결국 블랙홀에 먹히면 하나의 거대 블랙홀이 만들어진다. 그러다 결국, 스티븐 호킹이 예견했던 대로, 블랙홀조차도 증발해 사라지고 말 것이다. 그렇게 1구골(10100) 년 후에는 우리의 관측 가능한 우주에 있던 모든 블랙홀이 증발해 얇은 입자 안개로 변하고 여전히 팽창하고 있는 우주에서 점점 더 흐릿해질 것이다. 그렇게 해서 최종적으로는 차갑고 텅 빈 공간 말고는 아무것도 없는 암흑이 문자 그대로 영원히 지속될 것이다. 이것이 현재 가장 유력한 우리 우주의 미래 시나리오다.
-66~67p

모든 사람은 시간의 노예다. 우리는 갓난아기 상태로 태어나 점점 늙어가다가 죽는다. 살면서 우리는 놀라움과 환희의 순간을 경험하고 깊은 슬픔의 시기를 겪는다. 우리의 기억은 풍요로운 과거의 기록이며 우리의 염원은 미래의 나침반이 된다. 그런데 하루하루 평범하게 살아가는 우리가 물리 법칙이 지배하는 자연계의 구성요소로서는 어떤 의미를 갖는지 궁금하다. 그 답을 얻으려면 먼저 시간의 흐름이 개개인의 삶과 어떻게 연결되는지부터 이해해야 한다.
엔트로피의 증가처럼 뭔가 직설적이고 기계적인 것이 우유가 커피에 섞이는 것처럼 또 직설적이고 기계적인 현상을 일으킨다는 설명은 비교적 이해하기가 쉽다. 하지만 시간의 흐름이 선사하는 모든 경험이 엔트로피 탓만이라고 보기는 어렵다. 무엇보다도 과거와 미래는 방향만 다른 게 아니라 아예 서로 별개의 종류인 것처럼 보인다. 과거는 이미 일어나 고정된 것이라고, 우리의 직감은 말한다. 반면에 미래는 아직 형태를 갖추지 않고 무엇이든 될 수 있는 것이다. 또, 현재는 지금 이 순간 실존하는 것이다.
하지만 라플라스는 다른 얘기를 들려준다. 라플라스의 설명에 따르면 어느 시점이든 우주의 정확한 상태에 관한 정보는 항상 보존되며 과거와 미래 사이에 근본적 차이는 없다. 어느 물리 법칙도 매 순간을 어떤 건 ‘아직 일어난 일’, 또 어떤 건 ‘일어나지 않은 일’이라는 꼬리표를 붙여가며 차별하지 않는다. 물리 법칙은 모든 순간에 동등하게 적용되고 모든 순간을 독특한 질서에 따라 하나로 묶는다.
아래는 과거와 미래를 가장 극단적으로 대비되어 보이게 만드는 세 가지 특징을 나열한 것이다.

우리는 과거는 기억하지만 미래는 기억하지 못한다.
원인이 결과에 앞선다.
우리는 앞으로의 일은 선택할 수 있지만 과거의 일은 그럴 수 없다.
-76~77p

당신은 볼츠만의 뇌가 아닌 게 확실한가? 당신의 세상이 최근에 요동의 결과로 어쩌다 생긴 게 절대로 아니라는 건 어떤가? 당신은 자신이 실험실 용기 속의 뇌나 잘 만든 비디오 게임 속 캐릭터가 아님을 어떻게 아는가?
당신은 모른다. 알 수가 없다. 안다는 것이 ‘틀릴 가능성이 조금도 없이 절대적인 형이상학적 확신을 가지고 안다’는 뜻이라면, 우리는 방금 질문한 어떤 시나리오도 옳은지 아닌지 절대로 알 수 없다.
비트겐슈타인은 이 난제를 해결하는 데 골몰하며 노년을 보냈다. 그런 성찰의 결과로 《확실성에 관하여》에서 그는 ‘그렇게 {보인다}고 해서 반드시 {진짜로 그렇다}는 결론이 나오는 것은 아니다’라고 적고 있다. 하지만 바로 이어서 ‘다만 그것을 의심하는 것이 일리가 있는지(make sense) 생각해볼 수 있다’고 덧붙였다. 이 말을 뒤집으면, 이미 진실인 걸로 보이는 무언가에 굳이 또 높은 신뢰도를 부여하는 것은 아무 의미도 없다는 뜻이 된다.
몹시 극단적인 회의론적 시나리오를 생각해볼까. 악마의 농간이니 우리가 가진 세상에 관한 어떤 지식도 믿을 수 없다던 데카르？