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138억 년 동안 우주가 어떻게 진화했는지는 과학적으로 잘 입증돼 있다. 그러나 우리 우주가 탄생한 빅뱅 직후 몇 초의 순간은 여전히 미스터리로 남아 있다. 이 짧은 순간에 무슨 일이 일어났는지를 밝혀내는 것은 우주론에서 초미의 관심사다. 이 짧은 순간은 만물의 탄생은 물론 암흑물질, 암흑에너지, 양자중력 등 여전히 수수께끼인 우주론의 문제들과 관련돼 있기 때문이다.
해나무 신간 『우리 우주의 첫 순간(At the Edge of Time)』은 우주의 비밀을 밝혀온 역사의 중요한 순간들과 그 의미, 그리고 오늘날 베일에 가려진 빅뱅 직후의 순간을 설명하려는 과학자들의 분투기를 담은 현대 우주론 안내서다. 저명한 암흑물질 연구자인 댄 후퍼는 새롭게 등장하는 질문과 그에 대한 답을 찾는 여정을 따라가면서 현대 우주론의 맥락을 쉬운 언어로 풀어냈다. 이 책을 통해 다양한 천문학 이론의 의미, 관측과 실험의 목적, 우주론의 난해한 문제를 이해할 수 있을 것이

암흑물질, 암흑에너지, 양자중력……
우주의 거대한 미스터리는
빅뱅 직후 몇 초의 순간과 강하게 연결되어 있다

우리 우주의 첫 순간에 관한 환상적인 탐구 기록

우주의 기원과 현재 우리의 세상을 이해하게 된 놀라운 여정에 대해 깊이 이해하고 싶은 사람이라면 반드시 읽어야 할 책이다. - 황호성(서울대학교 물리천문학부 교수)

138억 년 동안 우주가 어떻게 진화했는지는 과학적으로 잘 입증돼 있다. 그러나 우리 우주가 탄생한 빅뱅 직후 몇 초의 순간은 여전히 미스터리로 남아 있다. 이 짧은 순간에 무슨 일이 일어났는지를 밝혀내는 것은 우주론에서 초미의 관심사다. 이 짧은 순간은 만물의 탄생은 물론 암흑물질, 암흑에너지, 양자중력 등 여전히 수수께끼인 우주론의 문제들과 관련돼 있기 때문이다.
해나무 신간 『우리 우주의 첫 순간(At the Edge of Time)』은 우주의 비밀을 밝혀온 역사의 중요한 순간들과 그 의미, 그리고 오늘날 베일에 가려진 빅뱅 직후의 순간을 설명하려는 과학자들의 분투기를 담은 현대 우주론 안내서다. 우주론은 어디에서 출발해서 어디로 가고 있는가? 아인슈타인부터 빅뱅의 발견, 암흑물질과 양자중력까지, 과학계를 뒤흔든 우주론의 질문들을 따라가보자. 어느새 관측과 실험의 혁신으로 우주 최초의 순간에 좀 더 가까이 다가가고 있는 천문학 연구 현장의 최전선에 도달해 있을 것이다.


우주에 대해 어디까지 알고 있고, 모르는 것은 무엇인가
한 권으로 읽는 현대 우주론의 중요한 질문들

‘우리 우주는 138억 년 전 빅뱅에서 탄생했다.’ 이는 우주에 조금이라도 관심이 있는 사람이라면 상식으로 알고 있는 사실이지만, 이를 알기까지 수많은 과정이 있었다. 불과 100여 년 전만 해도 시간과 공간은 변하지 않는 것으로 인식했고, 우주는 시작도 끝도 없었다. 아인슈타인의 상대성이론 이후에야 천문학자들은 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견했고, 그것은 우주의 시작이 있다는 의미였다. 우주는 왜 팽창하는가? 가속 팽창을 하는 이유는 무엇인가? 이를 탐구하는 과정에서 암흑물질과 암흑에너지, 양자중력 등 오늘날 현대 우주론의 중요한 문제들이 등장했다.
이 책은 중요한 과학적 발견의 순간을 되짚으며 우주론의 큰 흐름을 쉬운 언어로 풀어낸다. 새롭게 등장하는 질문과 그에 대한 답을 찾는 여정을 따라가면서 다양한 천문학 이론의 의미, 관측과 실험의 목적을 이해하게 된다. 표준 모형, 물질과 반물질, 우주배경복사, 암흑물질, 암흑에너지, 다중우주 등 우주론에는 선뜻 다가가기 쉽지 않은 전문 용어가 많이 등장하지만, 중요한 것은 그것이 어떤 맥락에서 논의되는지를 이해하는 것이다. 그런 측면에서 댄 후퍼는 현대 우주론의 핵심을 잘 정리했다. 나아가 앞으로 풀어나가야 할 질문들과 그 답에 대한 아이디어도 펼쳐놓았다. 평소 우주에 대해 궁금해한 독자와 현대 우주론을 간결하게 정리하고 싶은 독자 모두에게 이 책은 길잡이가 되어줄 것이다.
암흑물질을 어떻게 찾을 것인가
우주의 본질을 밝혀내기 위한 흥미진진한 여정

우주에 대해 우리가 알고 있는 것은 원자로 이루어진 5퍼센트에 불과하다. 나머지 95퍼센트를 이루는 암흑물질과 암흑에너지에 대해서는 완벽하게 설명하지 못하고 있다. 우주론 학자 대부분은 암흑물질과 암흑에너지의 존재를 의심하지 않는다. 이론은 물론 관측과 실험 데이터가 그것이 존재함을 뒷받침하고 있기 때문이다. 다만 직접적인 관측은 아직 이루어지지 않았다. 이러한 현실이 과학자들을 애타게 한다.
암흑물질 연구로 유명한 댄 후퍼는 과학자들이 우리 우주의 기원과 본질에 관해 묻는 독특하고 난해한 질문을 설명하는 것은 물론, 거대 강입자 충돌기(LHC) 실험과 감마선 우주망원경 관측을 소개하며 과학자들의 고군분투까지 생생하게 담아냈다. 과학자들은 원시 우주의 상태를 재현하기 위해 길이 27킬로미터에 달하는 거대 강입자 충돌기를 건설하고 여기에서 암흑물질이 생성되기를 기대한다. 또한 페르미 망원경을 우주에 띄워 암흑물질에서 나올 것으로 예상하는 감마선을 포착하려고 한다. 쉽지는 않다. 예상과 달리 아직까지 LHC에서 암흑물질이 검출되지 않았고, 펄사에서 나오는 감마선은 ‘암흑물질 사냥꾼’을 방해한다.
‘암흑물질이 탐지되지 않는 다른 이유가 있는 것은 아닐까? 암흑물질은 완전히 다른 방식으로 빅뱅 직후 생성된 것은 아닐까?’ 드넓은 우주는 호기심을 자극하고, 아직 풀리지 않은 질문들은 해결책을 내놓을 주인을 기다리고 있다. 이 책을 통해 흥미로운 우주론의 여정에 참여해보자.

[추천사]

빅뱅의 순간은 어땠을까? 아직 관측을 통해 정확한 답을 얻지 못한 질문이다. 저명한 우주론 학자 댄 후퍼는 이 책에서 그 답에 대해 현재 우리가 알고 있는 바를 차근차근 설명한다. 빅뱅, 암흑물질, 암흑에너지, 다중우주, 우주의 근본적인 힘을 주제로 다루면서 우주의 기원에 관한 중요한 질문들을 천문학과 물리학적 관점에서 자세히 살펴본다. 우주론의 다양하고 복잡한 아이디어를 이해하기 쉬운 개념으로 풀어내는 저자의 능력을 칭찬하지 않을 수 없다. 과학적 엄밀성과 이해하기 쉬운 비유 사이에서 균형을 잘 유지해 심오한 개념을 잘 파악할 수 있도록 돕는다. 이 책은 또한 검증 가능한 과학의 영역과 상상력을 잇는 다리 역할을 하면서 호기심과 사색을 동시에 불러일으킨다. 우주의 기원과 현재 우리의 세상을 이해하게 된 놀라운 여정에 대해 깊이 이해하고 싶은 사람이라면 반드시 읽어야 할 책이다. - 황호성(서울대학교 물리천문학부 교수)

우주의 탄생에서 궁극적인 미래에 이르기까지 정말 대단한 여정이다. 접근하기 쉬운 방식으로, 물리학의 기본 법칙을 설명하고 그것이 우주 진화에서 어떻게 작용하는지를 훌륭하게 보여준다. - 숀 캐럴(『다세계』 저자)

우주의 미스터리에 대해 호기심이 많다면 이 책을 놓쳐서는 안 된다. - 『포브스』

‘우리 우주 최초의 순간에 대한 미스터리’를 잘 정리한 입문서. - 『네이처』

과학자들은 우주가 시작되었을 때 무슨 일이 일어났는지에 대해 거의 알지 못한다. 댄 후퍼는 질문을 통해 독자들을 놀라운 탐험으로 안내하고 그 질문들이 어떻게 처음과 연결되는지 보여준다. - 『사이언티픽 아메리칸』

1장 우주 최초의 순간
2장 아인슈타인의 세계관 속으로
3장 우주의 모양이 변하고 있다!
4장 빅뱅 이론의 탄생
5장 원시 상태의 우주를 재현하다
6장 물질과 반물질의 미스터리
7장 암흑물질과 세상의 기원
8장 암흑물질의 신호를 찾아서
9장 근본적으로 다시 생각하다
10장 우주 급팽창과 중력파
11장 왜 다중우주인가
12장 우주의 열린 질문들

인용 출처
감사의 말
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이 책을 통해, 나는 독자들이 우리 우주의 첫 순간들로 여행을 떠나도록 안내할 것이다. 시간과 공간의 본질에 대한 아인슈타인의 혁명적인 깨달음에서 출발해, 이 아이디어가 어떤 과정을 거쳐 우주가 탄생한 뜨겁고 조밀한 상태인 빅뱅의 발견으로 이어졌는지 살펴볼 것이다. 또한 망원경부터 입자 가속기까지 다양한 장비를 사용해 우리 우주의 초기 역사를 탐구해온 과정도 최선을 다해 설명할 것이다. 이를 바탕으로, 우리 우주의 첫 몇분의 1초를 어수선하게 만드는 퍼즐과 미스터리, 미해결된 문제들을 집중적으로 조명할 것이다. 우리 우주에는 어쩌다 그렇게 많은 물질과 그렇게 적은 반물질이 있게 되었을까? 암흑물질은 어떻게 형성될 수 있었을까? 우리 우주는 어떻게, 왜 짧은 시기의 급속한 팽창을 경험하게 되었을까? 그리고 이것은 우리 우주가 오늘날 다시 한번 가속 팽창하고 있다는 사실과 연관이 있을까? (24~25쪽)

그러나 20세기의 물리학자들은 시간과 공간이 그렇게 단순하지도 간단하지도 않다는 것을 깨달았다. 아리스토텔레스, 갈릴레오, 뉴턴과는 달리, 이제 우리는 시간과 공간이 변화하고 진화할 수 있으며, 모양을 갖추고 늘어나고 변형될 수 있다고 이해한다. 시간과 공간은 팽창하고, 수축하고, 휘감기고, 꼬이고, 끊어지고, 휘고, 부풀고, 심지어 존재 자체를 시작하거나 멈출 수도 있다. 뉴턴과 갈릴레오는 공간이나 시간을 설명하는 데 이런 어휘를 사용할 수 있다는 것을 상상조차 못했을 것이다. 그러나 우주론은 바로 이처럼 동적이고 살아 움직이는 시간과 공간의 특성 위에 세워졌다. (36쪽)

아인슈타인 이전의 우주는 영원토록 변화가 없는 온전한 모습이었다. 그러나 만일 우주가 변화할 수 있다면 우주의 시작도 있었을 것이고, 어쩌면 끝도 있을 것이다. 의도한 것은 아니지만 아인슈타인은 인간에게 우주의 기원과 역사에 대한 고민을 안겨주었다. (52쪽)

은하들이 우리에게서 멀어지고 있고 그 속도는 은하까지의 거리에 비례한다는 허블의 발견은 우리 우주가 팽창하고 있으며 시간에 따라 변화한다는 첫 번째 증거를 명백히 제시했다. 이 사실은 놀라운 의미를 담고 있다. 변화 가능성을 품고 있는 것-예컨대 우리 우주-은 어쨌든 항구적이거나 영원하다고 할 수 없다. 그리고 영원하지 않은 것은 시작이 있었을 것이다. 아니 있어야 한다. 과학자들이 우리 우주의 기원에 대해 묻기 시작한 것은 불가피한 일이었다. (83쪽)

우리 우주의 가장 첫 순간을 이해하기 위해, 우리도 먼 과거의 물리적 조건을 재현해주는 기계를 사용한다. 이 기계들은 냉장고가 아니다. 사실 냉장고와는 정반대다. 우리는 입자 가속기를 사용해 빅뱅 후 1조분의 1초가 지난 극초기 때의 온도를 재현해 물질과 에너지가 어떻게 행동하는지 연구한다. 직접 시간을 거슬러 과거로 가 우주 역사의 첫 순간을 목격할 수 없으니 우리는 이곳 지구 위에 빅뱅의 축소판을 재현하는 것이다. (108~109쪽)

물질과 반물질 사이의 이러한 관계 때문에 우리 주위의 세상을 이해하기가 어려워진다. 결국 우리 우주가 한때 물질과 반물질로 채워져 있었고 물질과 반물질이 항상 함께 창조되고 파괴되는 것이라면, 스스로에게 묻지 않을 수 없다. 이 세상은 어쩌다 이렇게 물질로만 채워지고 반물질은 거의 사라졌을까? 반물질들은 다 어디로 갔는가? 그리고 왜 물질은 반물질과 함께 사라지지 않았을까? (139~140쪽)

암흑물질이 무엇인지 또는 무엇으로 만들어졌는지 아직 모르지만, 우주의 첫 순간, 아마도 빅뱅 후 첫 100만분의 1초 안에 만들어졌을 가능성이 높다. 암흑물질을 이해하게 된다면 암흑물질의 성질뿐 아니라 우리 우주 극초기의 순간에 대해서도 알아낼 수 있을 것이다. 암흑물질 연구가 곧 이 세상의 기원에 대한 연구인 것이다. (169~170쪽)

여러 곳을 뒤져볼 수 있겠지만, 가장 가능성 있어 보이는 곳은 우리 은하의 중심이었다. 최고 수준의 관측과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 우리 은하 중심 근처의 암흑물질 밀도가 꽤 높다는 사실이 알려졌는데, 그렇다면 그곳의 암흑물질 입자가 매우 빠른 속도로 상호작용을 하며 소멸하고 있으리라 기대할 만했고, 소멸 과정에서 엄청난 양의 감마선이 생성될 것이었다. (202쪽)

LHC가 거둔 결과들은 입자물리학을 중심부터 뒤흔들어놓았다. 20세기 후반기에 입자 이론물리학자들은 여러 입자를 성공적으로 예측했고, 이 입자들은 점점 더 강력해지는 가속기에서 속속 발견되었다. 참으로 인상적인 성공의 연속이었다. 그러나 우리의 혜안은 막바지에 다다른 것 같다. 초대칭과 관련해 오래전부터 예측되었던 입자들은 고집스럽게 모습을 감추고 있다. 어쩌면 초대칭 또는 그 비슷한 무엇이 손만 내밀면 닿을 가까운 곳에 있을지도 모르고, 우리의 확신은 곧 회복될 수도 있을 것이다. 그러나 지금 당장은 계층 문제를 어떻게 풀어야 하는지, 표준 모형을 어떻게 완성할 것인지, 암흑물질이 우리 우주의 양자적 구조에 어떻게 들어맞는지 이해하지 못한다고 말하는 것이 옳을 것이다. (231~232쪽)

‘공간을 가로질러’ 이동하는 것은 그 어떤 것도 빛의 속도보다 빠르게 날아갈 수 없지만, 공간 자체는 이런 제약에 구속받지 않는다. 공간 안에서 떨어져 있는 점들이 팽창하는 공간에 실려 멀어지는 속도는 어떤 값이든 될 수 있다. 그 결과, 우리가 쏘아 보낸 빛 또는 신호는 이 먼 은하에 결코 도달하지 못할 것이다. 그리고 먼 은하에 사는 이들이 우리 쪽으로 보내는 신호도 결코 우리에게 도달하지 못한다. 공간의 끊임없는 팽창 때문에 우리는 이렇게 먼 곳과는 절대 소통할 수 없고, 볼 수도 없고, 그 어떤 방식으로도 접촉할 수 없다. 그곳은 우리의 관측으로부터 완전히 단절되어 있으며, 우리는 어떤 영향력도 그곳에 미칠 수 없다. (250쪽)

우주론이 발전하면서 다른 우주의 존재를 고려해볼 이유가 점점 더 많아지고 있다. 이런 우주들 중 다수는 우리 우주와 매우 다를 수도 있고, 어떤 우주는 굉장히 비슷할 수도 있다. 어느 쪽이든, 나는 우리가 경험할 수 있는 영역으로부터 완전히 분리된 세상에 대해 이야기하고 있다. 가장 강력한 망원경으로도 닿을 수 없는 곳에 있는 세상 말이다. (283쪽)

다행히도 우리 우주에는 아직 접근하지 못한 다른 형태의 정보가 많이 남아 있다. 우주마이크로파배경은 우주 역사의 한 특정 순간에 형성되었고-빅뱅 후 약 38만 년-그때 우리 우주를 채우고 있던 대전된 핵과 전자들은 대부분 중성인 원자로 전이되었다. 이 전이가 일어난 이래로 중성 원자들은 각기 다른 종류의 빛을 방출하고 있다. 차세대 우주론 학자들이 우리 우주와 그 첫 순간을 연구할 수 있는 가장 강력한 도구가 바로 이 우주의 원자 기체atomic gas가 내뿜는 빛이다. (338쪽)