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우리는 어디까지, 어떻게 알고 있는가?
쉽고 간결하고 명료한 프린스턴대학 천체물리학 강의

★★★ “인류가 알아가는 우주에 대한 수준 높은 개관. 천체물리학이 낯선 이들에게도 훌륭한 입문서.”_〈스페이스 리뷰〉
★★★ BBC 〈밤하늘Sky at Night〉 선정 올해 최고의 천문학 책

권위 있는 물리학 상을 여럿 수상한, 프린스턴대학 물리학·천체물리학과 교수 조 던클리의 천문학 입문 강의. 그는 사실을 과장하거나 어떤 느낌을 강요하지 않고, 군더더기 없이 핵심을 파고드는 설명을 통해 청중을 감탄하게 만드는 강연을 하는 것으로 유명하다. 화려한 시청각 자료보다 일상에서 볼 수 있는 사물을 들어 보이면서 우주가 움직이는 원리를 이해하게 만들기 때문에, 독자들은 마치 한 분야에 정통한 대가가 분필 하나를 잡고 넓디넓은 우주를 상상하게 만드는 수업에 참여하는 듯한 기분을 느낄 것이다. 그는 우주를 이해하기 위해 필수적인 물리·화학·수학 지식을 쏙쏙 뽑아내 먼저 소개하고 천체를 우리가 쉽게 이해할 수 있는 휴먼스케일의 사물에 비유하기도 하면서 우주적 현상을 탁월하게 설명해내며, 42장의 군더더기 없는 2차원 도판이 더욱 효과적으로 그 이해를 돕는다. 즉 이것은 권위와 품위를 잃지 않으면서 과학적 발견의 두근거림과 공감을 불러일으키는, 원리 중심의 천문학 책이다.

우리는 어디까지, 어떻게 알고 있는가?
쉽고 간결하고 명료한 프린스턴대학 천체물리학 강의

★★★ “인류가 알아가는 우주에 대한 수준 높은 개관. 천체물리학이 낯선 이들에게도 훌륭한 입문서.”_〈스페이스 리뷰〉
★★★ BBC 〈밤하늘Sky at Night〉 선정 올해 최고의 천문학 책

이 복작복작한 삶에서, 볼 수 있는 가장 먼 곳을 바라본다는 것은?
천문학자의 가이드를 통해 이해하는 우리의 위치와 천체의 움직임

우리는 우주에 대해 어디까지, 어떻게 알고 있을까? 물리학 지식은 우주에 대해 무엇을 알려줄까? 오늘날의 천문학은 무엇을 연구할까? 망원경과 컴퓨터는 어떤 역할을 할까? 왜 천문학을 ‘천체물리학’이라고도 할까? 천문학에 관심 있는 사람이라면 한 번쯤 궁금해해봤을 만한 질문들이다. 이 책에선 미국 프린스턴대학의 물리학·천체물리학 교수 조 던클리가 담백하고 친절한 설명을 통해 독자들이 이런 문제에 답할 수 있도록 이끌어간다. 그는 권위 있는 물리학 상을 여러 차례 수상한 연구자이기도 하지만, 복잡한 천체물리 현상을 어떻게 하면 수강생에게 잘 설명해낼지 열심히 고심하는 교육자이기도 하다. 책의 맨 뒤에 이 책에서 사용한 교육법들의 출처를 기록해놓기도 한 것에서도 알 수 있듯이, 이 책에는 그가 천문학을 가르치면서 가장 효과적으로 우주적인 현상을 이해하게 만든 설명들을 신경 써서 모아놓았다.
그는 사실을 과장하거나 어떤 느낌을 강요하지 않고, 군더더기 없이 핵심을 파고드는 설명을 통해 청중을 감탄하게 만드는 강연을 하는 것으로 유명하다. 화려한 시청각 자료보다 일상에서 볼 수 있는 사물을 들어 보이면서 우주가 움직이는 원리를 이해하게 만들기 때문에, 독자들은 마치 한 분야에 정통한 대가가 분필 하나를 잡고 넓디넓은 우주를 상상하게 만드는 수업에 참여하는 듯한 기분을 느낄 것이다. 즉 이것은 권위와 품위를 잃지 않으면서 과학적 발견의 두근거림과 공감을 불러일으키는 책이라 하겠다.
한마디로 말하면 이 책은 ‘우리 우주’에 대한 책이다. 우주는 우리가 알고 있는 공간 전체에 붙이는 이름이다. 그곳은 우리가 망원경으로 볼 수 있는 공간이거나, 우리가 볼 수 있는 부분과 물리적으로 연결되어 있다고 생각하는 공간이다. 이 책은 지구에 있는 우리가 어떻게 더 큰 공간 안에 자리 잡고 있는지, 지구는 어떻게 여기에 있게 되었는지, 그리고 더 큰 우리 우주의 미래가 어떻게 될 것인지에 대한 개괄적인 이야기도 해준다. 또 이 책에서는 우주의 팽창이 가속화하는 것 같은 복잡한 현상이나 우리 우주가 많은 우주들 중 하나일 뿐일 수도 있다는 가능성 등에 관한 학계 최전선의 논의도 함께 다룬다.

우주를 알려면, 우주만 알아서는 안 된다!
천체를 사물에 비유하며 물리학 원리부터 이해하는 천문학 강의

이 책이 다루는 우주론이라는 분야에서는 천문학과 물리학이 만난다. 그 이유는 첫째로 지구 밖에 존재하는, 우리에게 드문 극한의 물리적 조건이 물리학계에 풀어야 할 질문을 던져주기도 하고, 둘째로 우리가 별빛과 같은 관측 자료를 통해 우주의 기원과 진화를 밝히려면 물리학적이고 수학적인 계산이 필요하기 때문이다. 이를테면 태양 질량의 두 배를 불과 지름 몇 킬로미터의 공 안에 눌러 넣어서 만들어지는 블랙홀을 상상해보라. 또 현대의 우주 연구는 망원경과 컴퓨터, 시뮬레이션 기술의 발전에 힘입어 이루어지고 있는데, 이런 기술을 개발하고 활용하기 위해서도 더 정확한 물리학·수학 지식은 필수적이다.
이처럼 우주를 이해하기 위해선 소위 ‘천문학’이라는 분야 외의 과학에 대한 이해가 꼭 필요하다. 이 책은 그때 필요한 물리·화학·수학 지식을 꼭 필요한 요소만 쏙쏙 뽑아내 먼저 설명한다든가, 천체를 우리가 쉽게 이해할 수 있는 휴먼스케일의 사물에 비유하는 방식으로 우주적 현상을 탁월하게 설명해낸다. 이 책에는 총 42개의 일러스트가 실려 있는데 모두 평면적인 2차원의 흑백 일러스트로, 사진처럼 입체적이거나 컬러풀하지는 않지만 복잡한 현상을 만들어내는 하나의 힘을 설명해내는 데에는 가장 효과적인 이미지다.
또한 이 책을 통해 독자들은 우리가 알고 있던 것보다 더 많은 사람들의 노력과 협력으로 이루어진 천문학을 만날 수 있다. 조 던클리는 과학사와 연구 현장에서 그동안 배제되었던 여성이나 흑인 과학자들이 더 평등한 환경에서 연구하도록 하는 일에 관심이 많은데, 그런 관점이 이 책에도 녹아 있다. 독자들은 이 책에서 헨리에타 스완 레빗이나 베라 루빈과 같은 여성 과학자들의 업적과, 우주를 알기 위해 연구자들이 국제적으로 어떻게 협력했는지 또한 보게 될 것이다.

현대의 천문학은 무엇을 어떻게 연구하는가?
기본적인 빛, 파동, 중력에서 출발해 크고 신비로운 우주 끝까지 가보는 여행

이 책은 우주의 처음에 대한 이야기부터 시작하지는 않는다. 그곳은 조금 생소한 곳이기 때문이다. 대신 지금 여기, 이 지구에서 우주를 보는 관점에서 시작한다. 1장에서는 지구의 위치를 알아보면서 지구-태양계-‘태양 주위’-은하수-국부은하군-초은하단-관측 가능한 우주로 갈수록 규모가 커져가는 천체를 살펴본다. 밤하늘을 깊이 들여다보면 우리는 우주에 있는 천체들이 무작위로 흩어져 있지 않다는 것을 알 수 있다. 가장 작은 것에서부터 가장 큰 것까지 함께 자리 잡는 분명한 규칙성을 가지고 있다. 우리는 우주의 이런 규칙성 속에서 지구가 어디에 자리 잡고 있는지 알아보고 우주의 규모가 얼마나 되는지 감을 잡아본다.
2장에서는 별에 대한 이야기를 다루는데, 별을 알기 위해서 먼저 알아야 할 것이 있다. 바로 빛과 망원경이다. 던클리는 이 장에서 빛이란 무엇이고 거기에는 어떤 종류가 있는지, 각 빛은 어떤 특징을 지니는지, 망원경은 어떻게 우리가 빛을 ‘볼’ 수 있게 해주는지를 먼저 설명한다. 그러고 나서 별의 종류, 구성 성분, 일생을 살펴보고 이것을 우리가 어떻게 밝혀냈는지 알려준다.
3장에서는 우리의 눈이나 망원경, 심지어 다른 종류의 빛을 관측하는 망원경으로도 볼 수 없는 암흑물질을 만난다. 이것은 백 년도 되지 않은 발견인데, 우주가 무엇이며 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 우리의 이해를 바꾸어놓았다. 우주의 구조를 파악하기 위해서 생략할 수 없는 그것은 밝게 빛나는 모든 것에 엄청난 영향을 미치기도 하고, 자연의 기본 재료의 일부로 생각되기도 한다. 이런 암흑물질은 어떻게 발견되었고, 확인되었을까? 이를 밝히기 위해 필요했던 ‘중력 렌즈’ 같은 물리적 원리를 소개하고, 암흑물질이 무엇인지에 대해 현재 주장되고 있는 이론들도 소개한다.
4장에서는 우주 공간의 성질을 살펴본다. 우주 공간이 끊임없이 변한다는 사실을 발견하기까지의 역사를 소개하고, 우주가 팽창하거나 수축한다는 것이 무슨 의미인지, 그것을 어떻게 알 수 있는지 알아본다. 더불어 이 장에서는 우리는 공간 그 자체가 모양을 가지고 있다는 아이디어와 우리 우주가 무한히 크다는 사실을 발견할 가능성과도 만난다. 여러 사고 실험을 통해 팽창하는 우주가 어떤 모습일지 상상해보기도 할 것이다.
마지막 장은 우주 역사의 요약본이다. 여기서는 최초의 순간부터 현재까지 우주의 일생을 살펴본다. 이 장에선 우주가 시작되던 순간 새겨진 작은 흔적들이 수십억 년 후 우리 태양계의 집인 우리은하와 같이 별들로 가득 찬 은하들로 바뀌는 모습을 한 편의 드라마처럼 보게 된다. 그리고 우리 근처의 우주와 우주 전체에 앞으로 무슨 일이 일어날지, 지금 건설하고 있는 망원경으로는 무엇을 할 수 있을지 알아본다.
에필로그에서 던클리는 지금이 “호기심과 가능성으로 가득 찬 천문학의 황금기”라고 말한다. 훌륭한 새 망원경들과 계속 발전하고 있는 컴퓨터 성능의 도움을 받아, 우리는 조만간 지금까지의 놀라운 발견에 더해 더 놀랍고 신비로운 것들을 알아낼 수 있을 것이다.

이언 스튜어트(워릭대학교 수학과 명예교수)
“현재 연구되고 있는 태양계와 우주에 관한 이론에 대해 명확하고 이해하기 쉽게 설명한다. 권위 있고, 유익하며, 우아한 책이다.”

마틴 리스(영국 왕실 천문학자)
“조 던클리는 전 세계적으로 인정받는 천문학자이자 훌륭한 해설자다. 이 책은 인류가 지금까지 우주에 관해 알게 된 것들부터 앞으로 수십 년 안에 알 수 있을 가슴 벅찬 가능성들까지 훌륭하게 전달한다.”

안드레아 울프(《자연의 발명》 저자)
“조 던클리는 독자들이 우리 우주로 가는 환상적인 여행을 떠나도록 한다. 그는 역사와 최근의 과학적인 발견을 우아하게 엮어낸다. 그러면서 지금까지 남성 중심적으로 쓰여온 이야기에서 잊혀진 여성 과학자들이 원래 있었어야 할 자리로 돌아오도록 한다.”

조셀린 벨 버넬(옥스퍼드대학 천체물리학과 객원교수)
“대단하다. 아름답고, 매우 명확하게 쓰였다. 최근의 중요한 주장들을 모두 포함하고 있으며, 지금 지어지고 있는 망원경들을 통해 무엇이 밝혀질지도 담겨 있다.”

네이처
“우주를 안내하는 빛나는 안내서. … 조 던클리는 지구에서부터 우리가 관측할 수 있는 한계까지를 빠르게 훑은 뒤 별의 생애, 암흑물질, 우주의 진화를 비롯하여 우주 역사의 모든 것을 샅샅이 탐험한다.”

네이처
“우주에 대한 무수한 발견을 압축해놓은, 빛나는 책이다. 천체물리학자 조 던클리는 지구부터 관측 가능한 끝까지를 빠르게 훑은 뒤에 별의 생애 주기나 암흑물질, 우주의 진화, 그리고 우주의 모든 것을 완벽하게 탐험한다. 10세기 페르시아의 천문학자 압드 알-라흐만 알-수피나 20세기와 21세기의 열구자인 수브라마니안 찬드라세카르, 조셀린 벨 버넬, 베라 루빈 등에 관한 이야기도 매우 흥미롭다.”

포브스
“이 책은 관측 연구를 순수한 이론적 틀과 엮어가며 우리를 우주로 데려간다. … 관측 연구자와 이론 연구자 모두가 갖고 싶어 할 저작.”_에단 시겔,

스페이스 리뷰
“인류가 알아가는 우주에 대한 수준 높은 개관. 천체물리학이 낯선 이들에게도 훌륭한 입문서다.”_제프 푸스트,

퍼블리셔스 위클리
“우주에 관한 매혹적이고 쉬운 소개. 빅뱅과 ‘우주의 새벽’에서의 첫 별들부터 태양계외 행성이나 암흑물질, 암흑에너지를 향해 이루어지고 있는 연구까지 다루고 있다. … 던클리는 우주와 그 안에서 발견될 신비들을 전망할 수 있는 관점을 제공한다.”

고베르트 쉴링(BBC 〈밤하늘Sky at Night〉)
“던클리는 독자들을 시간과 공간을 향해 떠나는 그랜드투어로 이끈다. 우리의 가까운 이웃 행성들로부터 관측 가능한 우주의 끝까지. … 만약 당신이 배경지식을 새로 정리하고 싶거나 호기심 많은 조카에게 줄 선물을 찾고 있다면, 이 작은 보석 같은 책은 당신을 결코 실망시키지 않을 것이다.”

마이클 스트라우스(프린스턴대학 천체물리학과장)
“대가에게 듣는 현대 우주론의 장대한 개관. 던클리는 천문학의 역사로 우리를 데려가 모든 단계마다 있었던 우여곡절과 놀라움을 들려준다. 바로 최근의 발견들까지 말이다. 독자들은 최근 천 년, 백 년, 또 작년의 놀라운 발전 대부분을 보며 진심으로 감탄하게 될 것이다.”

로버트 커쉬너(하버드대학 연구교수)
“조 던클리는 우주를 소개하는 다정한 안내자다. 하지만 이 빠른 여정에서 꾸물거릴 시간은 없다. 이 얇은 책은 당신을 우리들의 푸른 행성에서 우주의 끝까지, 또 시간의 처음으로 휙휙 데려간다. 던클리는 빅뱅의 속삭임이 우리에게 어떻게 암흑물질과 암흑에너지에 대해 이야기해주는지, 또 우주 인플레이션 이론에서 말하는 폭발적인 기원에 대한 힌트를 주는지를 설명하는 데 특별한 재주가 있다.”

감사의 말
서문

1장 우주에서 우리의 위치
2장 우리는 별의 잔해
3장 보이지 않는 것을 보다
4장 우주의 본성
5장 시작부터 마지막까지

에필로그 앞을 내다보며
옮긴이의 말
교육자료와 더 읽을거리
찾아보기

왜 이렇게 보일까? 원반을 냄비 뚜껑처럼 생겼다고 생각하면, 우리 태양은 뚜껑의 중심에 있는 손잡이에서 뚜껑 끝까지의 중간 정도에 위치해 있다. 우리가 하늘을 보면 무엇이 보일까? 우리는 뚜껑 안에 있고, 별들이 뚜껑을 채우고 있다고 상상해보자. 가까이 있는 별들은 하늘 전체의 모든 방향에 흩어져 있는 것으로 보일 것이다. 가까이 있는 별들은 우리를 모든 방향에서 둘러싸고 있기 때문이다. 우리가 냄비 뚜껑을 통과하는 방향으로, 즉 우리은하의 별의 원반을 통과하는 방향으로 본다면 수많은 별들이 밝은 빛으로 빛나는 띠를 이루고 있는 모습이 보일 것이다. 냄비 뚜껑 안에서 다른 방향으로 보면 훨씬 더 적은 수의 별만 보이고, 몇 개의 밝은 별들 너머로는 암흑밖에 보이지 않을 것이다. 우리 눈으로 볼 수 있는 가장 멀리 있는 낱별은 몇천 광년 떨어져 있다. 우리은하의 중심은 우리에게서 약 3만 광년 떨어져 있기 때문에 멀리 있는 별들이 모여서 빛나는 것을 실제 별로 구별해서 보려면 망원경을 이용해야 한다. 빛의 띠에서 별을 구별해서 본 것은 1609년 갈릴레오가 처음이었다._78쪽, 〈1장 우주에서 우리의 위치〉 중에서

이 적외선을 관측할 수 있도록 설계된 망원경은 우주에 있는, 따뜻하지만 가시광선을 방출하지는 않는 천체들을보는 데 특히 유용하다. 이런 망원경은 가시광선 망원경과 같은 방식으로 작동하지만 빛을 눈이나 CCD 관측기가 장착된 광학 카메라로 보내는 대신 파장이 더 긴 적외선 빛을 검출할 수 있도록 설계된 관측기가 장착된 카메라로 보낸다. 사실 우리가 가진 휴대전화 카메라 대부분은 적외선을 일부 볼 수 있게 되어 있다. 리모컨을 휴대전화 카메라로 향하고 버튼을 누른 상태에서 사진을 찍어보면 이를 알 수 있다. 리모컨은 신호를 전달하기 위해 적외선을 방출하기 때문에 버튼을 누르면 적외선이 카메라에 밝은 점으로 나타날 것이다._108쪽, 〈2장 우리는 별의 잔해〉 중에서

이제 공을 사이에 두고 고무판 반대쪽에 친구가 서 있다고 생각해보자. 공을 치우고 구슬을 친구의 어느 한쪽 옆으로 굴리면 구슬은 그 방향으로, 직선으로 굴러갈 것이다. 이제 다시 공을 놓고 구슬을 같은 방향으로 굴려보자. 그러면 구슬은 친구의 옆쪽으로 굴러가지 않고 공이 만든 구멍을 지나면서 살짝 휘어져 친구가 있는 방향으로 굴러갈 것이다. 친구의 다른 쪽 옆을 향해 구슬을 굴려도 이번에는 반대 방향으로 살짝 휘어져 역시 친구가 있는 방향으로 굴러갈 것이다._190~192 〈3장 보이지 않는 것을 보다〉 중에서

두 표면이 같은 곡률을 가지는지 알아보는 간단한 방법은 표면에 삼각형을 그려보는 것이다. 대부분은 학교에서 삼각형의 내각의 합은 같다고 배운다. 180도 혹은 두 개의 직각을 합한 값이다. 하지만 이것은 평평한 것에 그려진 삼각형에서만 참이다. 오렌지 위에 삼각형을 그리면 각들의 합은 평평한 표면에서보다 더 크다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 오렌지의 북극에서 시작하여 적도까지 내려오는 삼각형을 그려볼 수 있을 것이다. 두 번째 변은 적도를 따라 4분의 1만큼 돌고 세 번째 변은 다시 북극으로 돌아간다. 이 삼각형의 모든 각은 90도가 되어서 합은 270도가 될 것이다. …
우주의 곡률을 결정하는 것은 무엇일까? 우주에 있는 물질의 양이다. 우주는 전체적으로 더 무거울수록 더 많이 휘어지게 된다. 3장에서 예를 들었던 것처럼, 납 공이 스티로폼 공보다 고무판을 더 많이 휘어지게 하는 것과 같다. 우리는 우주 공간을 지나가는 빛을 추적해서 공간이 얼마나 휘어졌는지를 측정하여 우주의 곡률을 알아낼 수 있다. 멀리 있는 천체에서 지구로 오는 빛은 공간이 휘어져 있지 않다면 직선 경로로 올 것이다. 공간이 더 많이 휘어져 있다면 고무판 위의 구슬처럼 빛은 더 많이 휘어질 것이다.
납 공 혹은 스티로폼 공이 놓여 있는 고무판을 생각해보자. 나는 고무판의 한쪽에 서 있고 반대쪽에서는 친구가 양쪽 팔을 넓게 벌리고 양손으로 나를 향해 구슬을 동시에 굴린다._256~259쪽, 〈4장 우주의 본성〉 중에서

암흑에너지에 대한 이론적인 문제 중 하나는 에너지의 양이다. 이것은 이해가 되지 않는다. 빈 공간이 그 자체의 에너지를 가질 수 있는 이유에 대해 가능한 설명은 양자역학 법칙에 따라 입자들이 빠르게 만들어졌다가 사라지는 과정과 관련이 있다. 하지만 이 설명에 따르면 우리 우주는 완전히 이 진공에너지의 지배하에 있거나 아니면 그 효과가 0이 되어야 한다는 결론이 나온다. 이것이 우주를 구성하고 있는 에너지의 양을 설명하는 데 있어서 왜 눈에 보이거나 보이지 않는 물질과 같은 수준으로 중요하게 다루어져야 하는지를 설명하는 적당한 이론은 아직 없다. 이것은 정말 크고 중요한 문제다.
하지만 이것의 존재에 대해 너무 걱정할 필요는 없다. 암흑에너지는 우리 태양계 정도에서만이 아니라 우리은하 내에서도 뚜렷한 효과가 드러나지 않는다. 이것은 큰 은하단들이 서로 뭉치는 것을 방해하는 것 같은 간접적인 효과를 준다. 암흑에너지는 우주를 더 빠르게 팽창시키는 경향이 있는데, 이는 중력이 점점 더 큰 구조를 만드는 것을 방해하기 때문이다. 우리에겐 마치 그 대상이 무엇인지 모르기 때문에 신경 쓰이는 가려움처럼 느껴진다. 우주에 관한 모든 개념과 그것을 설명하는 물리법칙이 더 큰 측면에서 어딘가 잘못되었다는 표시일 수도 있기 때문이다. 몇몇 물리학자들은 아인슈타인의 중력 법칙이 완벽하지 않을 가능성, 즉 이를테면 중력이 아주 약할 때에는 그 법칙에 약간의 수정이 필요할 가능성에 대해 연구하고 있다. 이렇게 일부 수정을 하면 암흑에너지의 효과를 재현할 수 있다._312~313 〈5장 시작부터 마지막까지〉