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“나와 우주는 어떻게 존재하는가?”
가장 근본적인 질문에 답하는 ‘모든 것의 이론’
첨단 이론물리학이 전하는 우주의 기원과 의미

이론물리학 박사, 끈 장이론의 창시자, 베스트셀러 작가, 과학 엔터테이너, 미래학자 미치오 카쿠가 여덟 살 때부터 매진해온 탐구의 결정판. 베스트셀러 과학 작가로서 마음의 가장 깊은 곳(《마음의 미래》)과 인류의 가장 먼 미래(《인류의 미래》)까지 섭렵한 이론물리학자가 자신의 전공 분야이자 여덟 살 이후 한 번도 머릿속을 떠나지 않았던 문제로 돌아와 쓴 책이다. 《단 하나의 방정식》에서 저자는 고대 그리스의 원자론에서부터 뉴턴의 고전역학, 아인슈타인의 상대성이론, 닐스 보어와 하이젠베르크 등의 양자역학을 거쳐 표준모형에 이르는 물리학의 발전사를 돌아보며 우주에 존재하는 네 가지 힘은 무엇인지, 이들은 서로 어떻게 얽혀 있는지, 그리고 이 힘들이 통일되어야 하는 과학적 근거는 무엇인지 명쾌하고 유려한 문체로 설명한다. 나아가 저자가 생각하는 ‘모든 것의 이론’의 후보인 끈이론과 M-이론을 개략적으로 살펴보고 ‘모든 것의 이론’이 갖는 철학적 의미를 함께 숙고해본다. 미치오 카쿠의 주요 저작들을 모두 번역한 과학 전문 번역가 박병철 박사의 충실한 번역 및 주석과 함께 단 하나의 방정식을 찾으러 떠나보자.

“존재에 관한 사색에 잠긴 모든 사람에게 권한다.” _북리스트

***아마존 양자이론 분야 1위***
***뉴욕타임스 베스트셀러***
***아마존 Editor’s Pick 베스트 논픽션***
***세계 17개국 출간***

나와 우주는 어떻게 존재하는가?
첨단 이론물리학이 전하는 우주의 기원과 의미
상대성이론과 양자역학을 결합하고 우주의 힘을 통합적으로 기술하여
시공간의 신비를 풀어낼 단 하나의 방정식!
《평행우주》 《마음의 미래》 미치오 카쿠가 들려주는 물리학의 성배를 찾는 여정
“궁극의 이론이 성공적으로 구축된다면 두말할 것도 없이 과학 역사상 최고의 업적으로 남을 것이다. 빅뱅에서 우주의 종말에 이르는 모든 과정이 단 하나의 방정식에서 도출된다고 상상해보라. 이 얼마나 심오하고 강력한 이론인가? 궁극의 이론은 모든 물리학자들이 꿈꾸는 물리학의 성배(聖杯)이자, ‘이 세상은 무엇으로 이루어져 있는가?’라는 질문의 해답을 찾아온 2천 년 과학사에 마지막 마침표를 찍어줄 최후의 종결자이다.”(8~9쪽)

《단 하나의 방정식》은 세계적인 이론물리학자, 끈 장이론의 창시자 미치오 카쿠가 베스트셀러 작가로서 탐색한 뇌, 우주 탐사 등 다양한 주제에서 자신의 전공 분야로 돌아와 물리학의 역사를 ‘통일 이론의 발견’이라는 측면에서 다룬 책이다. 자연에는 네 가지 기본 힘이 존재한다. 1) 전자기력-맥스웰의 방정식으로 설명할 수 있는 전자기력은 전기와 자기, 빛 등 다양한 형태로 나타난다. 2) 강한 핵력(강력)-양성자와 중성자 사이에 작용하는 강한 인력인 강력은 뜨겁게 타오르는 별에 에너지를 공급한다. 태양이 빛을 발할 수 있었던 것은 강력 덕분이니, 결국 인간은 강력으로 존재하게 된 셈이다. 3) 약한 핵력(약력)-약력은 모든 종류의 방사성 붕괴에 관여하는 힘이다. 지구의 내부가 뜨거운 이유는 그곳에서 방사성붕괴가 일어나고 있기 때문이다. 그러므로 화산폭발과 지진을 일으키는 막대한 에너지의 원천은 약력이라고 할 수 있다. 4) 중력-아인슈타인의 일반상대성이론으로 설명되는 중력은 지구를 비롯한 행성들이 공전궤도를 이탈하지 않도록 잡아두고 은하의 형태를 유지시키는 힘이다. 이 힘들의 특성이 하나씩 밝혀질 때마다 자연은 조금씩 베일을 벗었으며, 문명사회는 대대적인 과학혁명을 겪으면서 인류의 삶과 문명은 커다란 변화를 겪어왔다. 이론물리학의 최대 과제는 이 네 가지 힘을 하나로 통일하는 ‘모든 것의 이론’을 찾는 것으로, 아인슈타인이 말년에 몰두했던 문제도 바로 이것이었다. 과학자들은 그동안 약력과 전자기력을 통일해 ‘약전자기이론’을, 다시 약전자기이론과 강력을 통일해 ‘표준모형’을 제시했지만 중력만은 아무리 해도 합칠 수 없었다. 미치오 카쿠는 ‘통일 이론’을 중심으로 이론물리학의 간략한 역사를 돌아본 뒤, 양자역학(표준모형)과 상대성이론(중력)을 통일할 수 있는 이론으로 ‘끈이론’을 제시한다. 저자는 끈이론이 ‘화려한 전성기를 보낸 후 막다른 길에 놓인 상태’임을 인정하면서도, 끈이론에 대한 비관론은 오해에서 비롯되었다고 이야기하며 “이론에 대한 증거는 초대형 입자가속기에서 나오는 것이 아니라, 누군가가 이론의 수학 체계를 완성했을 때 자연스럽게 발견될 것”(238쪽)이라고 주장한다. 나아가 ‘모든 것의 이론’이 갖는 철학적 의미와 자신의 견해를 펼쳐보이고 이와 관련한 스티븐 호킹의 유명한 글로 책을 맺는다.

“완벽한 이론이 발견되면 처음에는 일부 과학자들만 이해하겠지만, 시간이 흐르면 결국 모든 사람들이 이해하게 될 것이다. 그러면 ‘우주와 우리는 왜 존재하는가?’라는 심오한 토론에 철학자와 과학자뿐만 아니라 일반 대중들도 참여할 수 있다. 그리고 이 질문의 해답을 찾는다면 인류 역사상 가장 위대한 승리로 기록될 것이다. 오랜 세월 동안 무지한 상태로 살아왔던 인간이 드디어 신의 마음을 알아냈기 때문이다.”(263쪽)

자연에 존재하는 네 가지 힘은 무엇이며
이들은 서로 어떻게 얽혀 있는가?
이 힘들이 통일되어야 하는 과학적 근거와 철학적 의미는 무엇인가?
“만물의 이론이 우리에게 미치는 영향은 다분히 철학적인 색채를 띨 것이다. 왜냐하면 만물의 이론은 여러 세대에 걸쳐 위대한 사상가들을 괴롭혀왔던 질문에 궁극적인 답을 줄 것이기 때문이다. 시간여행은 가능한가? 창조 이전에는 무엇이 있었는가? 우주는 어디서 왔는가?”(245쪽)

미치오 카쿠는 고대 그리스의 원자론에서부터 뉴턴의 고전역학, 아인슈타인의 상대성이론, 닐스 보어와 하이젠베르크 등의 양자역학을 거쳐 표준모형에 이르는 물리학의 발전사를 돌아보며, 우주에 존재하는 네 가지 힘은 무엇인지, 이들은 서로 어떻게 얽혀 있는지, 그리고 이 힘들이 통일되어야 하는 과학적 근거는 무엇인지 명쾌하고 유려한 문체로 설명한다. ‘모든 것의 이론’만이 답을 줄 수 있는 과학적 문제들에는 다음과 같은 것들이 있다.
ㆍ 시간여행은 가능한가?
ㆍ 우리 우주에는 웜홀이 있는가?
ㆍ 블랙홀의 내부에는 무엇이 있는가?
ㆍ 우리 우주 외에 다른 우주가 존재하는가?
ㆍ 4차원 이상의 고차원 공간은 정말로 존재하는가?
ㆍ 빅뱅 직전에는 어떤 일이 있었으며, 빅뱅은 왜 일어났는가?
미치오 카쿠는 스티븐 호킹이 제기했던 ‘블랙홀 정보 역설’도 중력자의 양자보정에 성공한 양자중력이론, 즉 ‘모든 것의 이론’이 완성되어야 답을 알 수 있다고 이야기한다. ‘블랙홀 안으로 책을 던지면 그 안에 들어 있던 정보는 영원히 사라지는가?’(162쪽) 일반인들에게는 잘 알려져 있지 않지만 학계에서는 첨예한 논쟁거리인 이 질문이 문제가 되는 것은, 양자역학에 따르면 어떤 경우에도 정보는 사라지지 않는데 블랙홀 내부에서는 사라지는 것처럼 보이기 때문이다. 그는 과학적 질문에서 한 걸음 더 나아가 철학적이고 형이상학적인 질문들까지 던진다. 아인슈타인이 생전에 자신을 ‘거대한 도서관에 막 들어선 아이’에 비유했다는 사실을 제시하며 ‘우주가 거대한 도서관이라면 그곳을 관리하는 사서는 누구이며, 책을 쓴 저자는 누구인가?’, ‘모든 물리법칙이 모든 것의 이론으로 설명된다면, 그 방정식은 어디서 온 것인가?’ 하고 묻는가 하면, ‘다중우주가 빅뱅의 원인을 설명해준다면, 다중우주 자체는 언제 어떻게 만들어졌는가?’, ‘다중우주가 만물의 이론에서 필연적으로 나타나는 결과라면, 만물의 이론은 대체 어디서 왔는가?’, ‘우주에도 목적과 의미가 있는가?’ 등 질문하기를 멈추지 않는다. 스스로를 불가지론자라고 밝히는 미치오 카쿠의 ‘신’에 대한 생각을 엿보는 것도 흥미롭다.

이론물리학 박사, 끈 장이론의 창시자, 베스트셀러 작가,
과학 엔터테이너, 미래학자 미치오 카쿠가
여덟 살 때부터 한 번도 놓아본 적 없는 탐구의 결정판
“그의 목표는 ‘신의 마음이 담겨 있는’ 단 한 줄짜리 방정식으로 우주의 삼라만상을 설명하는 것이었으나, 끝내 신의 마음을 읽지 못하고 세상을 떠났다. 나는 그것이 얼마나 엄청난 연구인지 전혀 모르는 채, 무작정 아인슈타인의 길을 따라가기로 마음먹었다. 이 시대 최고의 과학자가 남기고 간 꿈을 이루는 데 어떻게든 일조하고 싶었기 때문이다.”(10쪽)

1947년생인 미치오 카쿠는 여덟 살 때 아인슈타인의 사망 소식을 접하고, 그가 죽는 날까지 매달렸던 통일장이론을 공부하기로 결심한 후 지금까지 그 꿈을 이루기 위해 노력하고 있다. 그 탐구의 결정판이라고 할 수 있는 《단 하나의 방정식》은 베스트셀러 과학 작가로서 마음의 가장 깊은 곳(《마음의 미래》)과 인류의 가장 먼 미래(《인류의 미래》)까지 섭렵한 이론물리학자가 자신의 전공 분야이자 여덟 살 이후 한 번도 머릿속을 떠나지 않았던 문제로 돌아와 쓴 책이다. 특히 눈에 띄는 것은 부담 없는 분량과 짧은 호흡이다. 500쪽에서 600쪽에 이르던 그의 주요 전작들과 비교해보면, 300쪽이 채 안 되는 분량에 자연의 근본적인 힘들을 밝혀온 이론물리학의 주요 이론과 그 힘들의 관계, 나아가 인간과 우주의 존재 의미까지 담아냈다는 데서 과학자이자 작가로서 그의 내공을 느낄 수 있다. 제목과는 달리 본문에 방정식은 거의 나오지 않는다. 존재에 관한 사색에 잠긴 이들에게 지적인 만족과 완독의 기쁨을 주는 책이 될 것이다.
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[추천평]
"끈이론, 물리학의 역사, 양자물리학에 대해 아는 것이 거의 없어도 이해할 수 있을 만큼 쉽게 쓰인 책이다. 이 주제에 조금이라도 관심이 있다면 주저하지 말고 이 책을 읽어라." -아마존 독자

"물리학의 역사와 현재 진행되고 있는 연구의 의미를 이해하고 싶었지만 매번 좌절했는데 이 책에는 정말 감동했다. 간결하고 재미있고 영감을 주는 책이다." -아마존 독자

"하루 만에 다 읽었다. 책을 내려놓을 수가 없었다. 몇 번이고 다시 읽을 것 같다." -아마존 독자

"몇 년 동안 읽은 책 중에서 최고의 책이다. 아이들에게 과학에 대해 무언가 알려주기 전에 반드시 이 책을 읽기를 바란다." -아마존 독자

북리스트
“우주, 지구, 그리고 우리 자신의 놀랍고 신비로운 아름다움을 포착하는 책. 존재에 관한 사색에 잠긴 모든 사람에게 권한다.”

월스트리트 저널
“끈이론의 난해한 수학과 물리학을 쉽게 설명해줄 수 있는 사람이 있다면, 바로 카쿠이다.”

네이처
“만물의 이론과 끈이론에 대한 권위 있고 접근하기 쉬운 설명.”

퍼블리셔스 위클리
“끈이론을 처음 접하는 사람들의 눈을 뜨게 할 것이다.”

커커스 리뷰
“현재 진행 중인 탐구를 과학적 개념이 탄탄하지 못한 사람에게도 명쾌하게 소개하는 중요한 책.”

서문. 궁극의 이론
아인슈타인의 꿈 / 비평가들

1장. 오래된 꿈
르네상스-과학의 복귀 / 뉴턴의 힘 이론 / 대칭이란 무엇인가? / 뉴턴의 법칙을 검증하다 / 전기와 자기의 신비 / 맥스웰 방정식 / 종착점에 도달한 과학?

2장. 통일을 향한 아인슈타인의 여정
대칭의 미학 / 중력과 휘어진 공간 / 일식과 중력 / 극과 극의 두 인물(1): 뉴턴과 아인슈타인 / 통일이론을 찾아서

3장. 양자이론의 도약
양자혁명 / 전자의 파동 / 주기율표 / 디랙의 전자이론 / 파동의 실체는 무엇인가? / 두 거인의 충돌 / 슈뢰딩거의 고양이 / 태양의 에너지원 / 양자역학과 전쟁

4장. ‘거의 모든 것’의 이론
양자전기역학 / 양자혁명을 응용하다 / 생명이란 무엇인가? / 핵력 / 극과 극의 두 인물(2): 파인먼과 겔만 / 약력과 유령입자 / 양-밀스 이론 / 힉스보손-신의 입자 / 거의 모든 것의 이론 / 대형 강입자충돌기

5장. 캄캄한 우주
블랙홀의 정체 / 웜홀 / 시간여행 / 우주는 어떻게 창조되었는가? / 밤하늘은 왜 캄캄한가? / 일반상대성이론과 우주 / 빅뱅의 잔광 / 인플레이션 / 달아나는 우주 / 현상수배: 중력자

6장. 끈이론의 약진: 가능성과 문제점들
끈이론 / 10차원 / 중력자 / 초대칭 / M-이론 / 홀로그램 우주 / 이론의 검증 / 끈이론에 쏟아진 비판 / 검증할 수 있을까? / 암흑물질을 찾아서 / LHC를 넘어서 / 빅뱅을 원자분쇄기로 이용하다 / LISA / 역제곱법칙의 증명 / 풍경문제 / 끈이론에 대한 나의 개인적 견해 / 피드라미 발굴하기

7장. 우주의 의미를 찾아서
신을 증명하다 / 나의 개인적 관점 / 우주에는 시작이 있었을까? / 유한한 우주 / 결론

지구를 에워싸고 있는 거대한 구(球, sphere)를 상상해보자. 중력은 구면 위의 모든 점에서 똑같은 세기로 작용한다. 지구가 구형인 것도 바로 이런 이유 때문이다. 지구가 처음 형성되던 무렵에 중력이 지구를 균일하게 압축시켰기 때문에 구형이 된 것이다. 다른 별과 행성들도 마찬가지다. 우주 어디를 뒤져봐도 정육면체나 피라미드 모양을 한 천체는 존재하지 않는다(대부분의 소행성은 특정한 형태가 없는 부정형인데, 이것은 소행성의 중력이 너무 약해서 압력이 균일하게 작용하지 않았기 때문이다). _28

TV에 나오는 우주인들이 우주선 안에서 둥둥 떠다니는 것은 ‘지구와 너무 멀어서 중력이 사라졌기 때문’이 아니다(우주정거장이나 우주왕복선의 고도는 기껏해야 450km 이내이다. 이 정도면 서울에서 부산까지 거리밖에 안 된다. ‘우주’라는 말이 어울리지 않을 정도로 가깝다-옮긴이). 태양계 안에서 중력이 0인 곳은 존재하지 않는다. 그런데도 우주인의 몸이 둥둥 떠다니는 것은 우주선이 그들과 함께 ‘지구로 떨어지고 있기 때문’이다. _62

결국 중력이라는 힘은 실체가 아닌 환상이었다. 당신이 지금 의자에 앉아 이 책을 읽고 있다면, 당신은 ‘내 몸이 공간으로 날아가지 않는 것은 중력이 나를 의자 쪽으로 잡아당기고 있기 때문’이라고 생각할 것이다. 그러나 아인슈타인은 ‘지구의 질량이 당신 머리 위의 공간을 휘어지게 만들었고, 그로 인해 당신의 몸이 의자 쪽으로 내리 눌려지고 있기 때문에 의자에 계속 앉아 있을 수 있다’고 강변한다. _65

플랑크상수의 값을 점점 줄여서 0에 가깝게 하면 양자이론의 모든 방정식은 뉴턴의 방정식과 같아진다(h를 0으로 접근시키면 상식에서 벗어난 입자의 거동이 우리에게 친숙한 뉴턴의 운동법칙과 일치하게 된다). 일상적인 규모에서 양자효과가 눈에 보이지 않는 것은 바로 이런 이유 때문이다. 플랑크상수가 너무나도 작기 때문에, 우리의 무딘 감각으로는 뉴턴의 법칙이 옳은 것처럼 보이는 것이다. _86

슈뢰딩거의 고양이 역설은 18세기 아일랜드의 철학자이자 주교였던 조지 버클리의 질문을 연상시킨다. 울창한 숲속에서 커다란 나무가 쓰러졌는데 그것을 보거나 듣는 사람이 하나도 없다면, 과연 그 나무는 소리를 낼 것인가? 유아론자(자기중심주의자)들은 ‘소리가 나지 않는다’고 주장할 것이다. 그러나 양자역학은 한술 더 떠서 ‘숲속에 사람(관측자)이 없다면 나무는 목탄, 묘목, 땔감, 합판 등 다양한 상태가 섞인 채로 존재한다’고 주장한다. _100-101

양자이론을 아원자입자에 적용하여 커다란 성공을 거두고 잔뜩 고무된 물리학자들은 수십 년 동안 눈엣가시였던 일반상대성이론을 재검토하기 시작했다. 일반상대성이론에 양자역학을 적용하여, 표준모형과 중력을 하나로 통일한다는 원대한 꿈을 꾸게 된 것이다. 만일 이 연구가 성공한다면 표준모형과 일반상대성이론에 양자보정이 모두 가능한 이론, 즉 ‘만물의 이론’이 완성되는 셈이다. _145

아인슈타인은 세상을 떠나는 날까지 양자역학을 인정하지 않았지만 양자물리학자들은 양자이론을 일반상대성이론에 접목시키기 위해 무던히도 애를 써왔고, 그 결과 현재 상대성이론은 새로운 르네상스를 맞이하고 있다. 앞서 말한 대로 중력의 양자보정에서 나타나는 무한대를 제거하고 중력을 완전히 이해하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 그러나 물리학자들은 (중력보정을 무시한 채) 양자역학을 별에 적용하여 수많은 사실을 알아냈을 뿐만 아니라, 우주론이라는 새로운 과학의 지평을 열었다. _152

한바탕 논쟁을 벌인 후, 결국 호킹은 자신이 틀릴 수도 있음을 인정하면서 기발한 해결책을 내놓았다. 블랙홀 안으로 책을 던지면 정보가 완전히 사라지지 않고 호킹복사의 형태로 방출될 수도 있다는 것이다. 희미한 호킹복사에 담긴 정보를 빠짐없이 긁어모으면 원래의 책을 똑같이 재현할 수 있다. 호킹의 주장이 틀릴 수도 있지만, 그가 발견한 복사가 문제의 핵심이라는 것만은 분명한 사실이다. _163

1900년대 초에 아인슈타인은 물리학을 떠받치는 두 개의 기둥(뉴턴의 중력이론과 맥스웰의 전자기학)이 서로 상충된다는 사실을 발견하고 거의 10년 동안 해결책을 모색한 끝에 일반상대성이론을 완성했다. 이로써 뉴턴의 고전역학은 근 250년 만에 물리학의 무대에서 퇴출되었고, 20세기의 위대한 과학혁명이 본격적으로 시작되었다.
지금도 이와 비슷한 역사가 반복되는 중이다. 한편에는 블랙홀과 빅뱅, 우주의 팽창 등 거시적 현상을 설명하는 아인슈타인의 중력이론(일반상대성이론)이 있고, 다른 한편에는 미시세계에서 아원자입자의 거동을 서술하는 양자이론이 있다. 문제는 이들이 각기 다른 원리와 다른 수학, 그리고 다른 철학에 기초하고 있어서 전혀 친하지 않다는 점이다. _194

아무리 생각해도 자연의 모든 상수는 생명체가 존재할 수 있도록 정교하게 세팅된 것 같다. 어떻게 그럴 수 있을까? 미국의 물리학자 프리먼 다이슨은 ‘우주는 마치 우리가 등장할 것을 처음부터 예견했던 것 같다’고 했다. 핵력이 지금보다 조금만 약했다면 태양이 점화되지 않아서 태양계는 암흑천지가 되었을 것이고, 강력이 지금보다 조금만 강했다면 태양은 이미 수십억 년 전에 연료가 고갈되어 죽은 별이 되었을 것이다. 지금 우리가 존재할 수 있는 것은 핵력의 세기가 기적처럼 들어맞았기 때문이다. _233-234

나는 개인적으로 끈이론에 대한 비관론이 오해에서 비롯되었다고 생각한다. 이론에 대한 증거는 초대형 입자가속기에서 나오는 것이 아니라, 누군가가 이론의 수학 체계를 완성했을 때 자연스럽게 발견될 것이기 때문이다.
여기서 핵심은 끈이론의 실험적 증거가 굳이 필요하지 않을 수도 있다는 것이다. _238

아인슈타인은 자신을 ‘거대한 도서관에 막 들어선 아이’에 비유했다. 미스터리로 가득 찬 우주의 해답이 방대한 양의 책에 적혀 있는데, 그 한복판에 자신이 서 있다는 뜻이다. 그가 일생을 두고 추구했던 목표는 그 책의 단 몇 장(章)이라도 읽어보는 것이었다.
그러나 아인슈타인은 질문만 남겨놓고 조용히 사라졌다. 우주가 거대한 도서관이라면 그곳을 관리하는 사서는 누구이며, 책을 쓴 저자는 누구인가? 모든 물리법칙이 만물의 이론으로 설명된다면, 그 방정식은 어디서 온 것인가? _247

문학작품에 대한 평가는 시간이 흐를수록 다양한 의견이 제시되면서 복잡해지는 경향이 있다. 예를 들어 제임스 조이스의 소설에 대한 평가는 평론가마다 각양각색인데, 이 상황은 세월이 아무리 흘러도 달라지지 않을 것이다. 반면에 물리학 이론은 시간이 흐를수록 몇 개의 방정식으로 축약되면서 더욱 단순하고 강력해진다. 이것이 바로 물리학의 매력이다. _252

신은 우주를 창조할 때 다른 선택의 여지가 없었는가? 존재할 수 있는 우주는 단 하나뿐인가? 아니면 여러 후보 중에서 지금과 같은 우주가 선택된 것뿐인가?
내 생각이 옳다면 선택의 여지가 없었다. 우주를 올바르게 서술하는 방정식은 단 하나뿐이다. 그 외의 방정식들은 수학적으로 타당하지 않기 때문이다.
그러므로 우주의 최종 방정식은 하나밖에 없다. 이 만능방정식의 해는 무수히 많을 수도 있지만, 방정식 자체는 단 하나뿐이다. _255