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우주론의 지도를 바꾼 스티븐 호킹의 마지막 유산
스티븐 호킹 × 토마스 헤르토흐, 20년 공동 연구 결정판!

우리 시대를 대표하는 과학자를 꼽으라면 많은 이가 스티븐 호킹(1942~2018)을 떠올릴 것이다. 이어 휠체어에 몸을 맡기고 컴퓨터로 세상과 소통하는 물리학자의 모습이 그려진다. “살아 있었다면 시간의 시작과 끝에 관한 연구 업적을 인정받아 2020년에 로저 펜로즈와 함께 노벨 물리학상을 받았을 것”이라고 평가받는 스티븐 호킹은 노벨상을 받지 않았다는 게 믿기지 않을 정도로 물리학계에 많은 자취를 남기고 간 천체물리학자다. “우주는 왜 생명체에 우호적인 곳이 되었는가?” 평생에 걸쳐 답을 찾아 헤맨 질문만을 남기고, 2018년 3월 우리 시대 최고의 지성은 세상을 떠났다. 그로부터 5년이 지난 2023년, 그 질문에 대한 답이자 호킹이 우주에 남긴 마지막 유산이 그의 공동 연구자인 토마스 헤르토흐를 통해 공식적으로 세상에 공개되었다.

이 책 《시간의 기원》은 한마디로 스티븐 호킹이 세상에 남기고 간 최종 우주론의 결정판이다. 저자인 토마스 헤르토흐는 현재 벨기에 루뱅가톨릭대학교 이론물리학과 교수로, 1998년 케임브리지대학교 호킹의 박사과정생으로 들어가면서 호킹과의 인연이 시작되었다. 그때부터 20년간 저자는 호킹의 가장 가까이에서 함께 우주론을 연구하는 영광을 누렸다. 존스홉킨스대 자연철학부 교수이자 이론물리학자인 숀 캐럴이 “파격적인 우주론을 전개하는 데 조금도 거침이 없다는 점에서 헤르토흐는 스승인 호킹을 닮았다”고 이야기했듯, 저자는 호킹이 배출한 여러 걸출한 물리학자 가운데 한 사람이다. 따라서 이 책은 토마스 헤르토흐라는 미래가 기대되는 물리학자의 대담한 연구 성과를 엿볼 기회인 동시에 우주 연구에 평생을 바쳤던 학자로서의 호킹의 삶, 더불어 고난 속에서도 언제나 유머를 잃지 않았던 한 인간으로서의 호킹의 삶이 담겨 있는 과학서이자 에세이이자 그를 기리는 회고록이다.
저자를 필두로 하는 호킹의 연구팀은 빅뱅 연구를 시작으로 생명친화적인 우주의 탄생 비밀을 밝히고자 몇 년을 분투한 끝에 생명체의 존재를 허용하는 우주론을 내놓았다. 계속 논란이 되어온 다중우주 가설의 모순을 해결하기 위해 ‘홀로그램 우주holographic universe’라는 양자물리학의 극단을 탐험하고, 그 기원을 추적하고자 시간을 거꾸로 거슬러 올라가 입자와 힘, 심지어 시간까지 사라지고 물리법칙이 극도로 단순해지는 깊은 수준의 진화를 발견했다. 이에 “물리법칙은 고정된 것이 아니라 우주가 형성되면서 함께 진화해왔다”는 결론에 이르게 되는데, 이 책의 제목에서 찰스 다윈의 《종의 기원》을 떠올렸다면 우연이 아니다. 1988년, 호킹의 베스트셀러 《시간의 역사》가 출간된 이후 25년이 흐르는 동안 연구를 거듭하면서 호킹의 우주론은 다윈의 진화론을 닮아 있었다.

생명친화적인 우주에서 지구의 관리인으로 살아가는 삶이란 과연 어떤 의미인가? 호킹은 삶의 마지막 순간을 이 심오한 질문의 답을 찾으면서 보냈다. 이 사실 하나만으로도 그가 남긴 마지막 저서라고 할 수 있는 이 책 《시간의 기원》은 과학의 값진 유산으로 부족함이 없을 것이다.

★ 뉴욕타임스 베스트셀러 ★ 전 세계 30개국 판권 수출 ★ 아마존 베스트셀러 ★

존재의 기원을 밝히기 위해 호킹이 죽는 날까지 탐험했던 세계

유일한 우주인가, 다중우주인가? 설계된 우주인가, 자연적으로 만들어진 우주인가? 이는 오랜 시간 해결되지 않은 채 과학계에 남아 있는 질문이다. 호킹 연구팀의 최종 목표 역시 이 질문에 대한 답을 찾는 것이었다. 호킹의 우주론 연구의 핵심은 빅뱅의 특성과 생명체가 존재하게 된 원인을 밝히는 것이었지만, 그 못지않게 자연법칙 저변에 깔린 진정한 의미를 파악하는 것도 중요했다. 우주론은 이 세상에 대해 무엇을 알아낼 수 있으며, 우리는 왜 지금과 같은 모습이 되었는가? 이것이 바로 호킹이 죽는 날까지 탐험했던 세계였다.
이 책은 다른 책 어디에서도 다루어지지 않은, 앞으로도 영원히 다루어질 수 없는 호킹의 ‘마지막’ 이론을 담았다는 점에서 중요한 의의를 갖는다. 스티븐 호킹의 정리된 연구를 가장 가까운 공동 연구자의 명확한 눈으로 읽을 수 있을 뿐 아니라 아인슈타인을 비롯해 조르주 르메트르, 닐스 보어, 리처드 파인먼, 짐 하틀 등 20세기의 물리학계를 이끌었던 주요 과학자들의 업적과 그들의 주장이 자세히 소개되고 있다는 점도 흥미로운 점 가운데 하나다.

양자물리학에서 찾은 생명친화적 우주

벨기에의 성직자이자 천문학자였던 조르주 르메트르의 우주팽창론을 시작으로, 우주론의 역사를 한눈에 정리하면서 책은 전개된다. 아리스토텔레스부터 플라톤으로 이어지는 고대 그리스의 철학과 뉴턴의 물리학과 찰스 다윈의 진화론까지, 저자는 물리학과 철학을 넘나든다. 1927년, 조르주 르메트르는 “우주가 팽창하고 있다”는 주장을 펼쳤지만 당시 아인슈타인을 비롯해 아무도 그의 말을 믿지 않았다. 1990년대에 이르러서야 천문학자들은 50억 년 전부터 우주의 팽창 속도가 빨라지기 시작했다는 놀라운 사실을 알아냈다. 우주팽창의 역사는 우주에 ‘생명체가 존재할 수 있는 조건’이 있다는 사실이 수용되는 데 핵심적 역할을 했다. 르메트르는 우주가 생명체의 존재를 허용한다는 점을 고려하여 ‘팽창이 한동안 매우 느리게 진행되었던 감속기’가 있음을 알아냈다. 즉 별과 행성, 생명체가 탄생할 수 있도록 우주팽창이 아주 느리게 진행된 시기가 있었다는 말이다. 아주 작은 조건이라도 어긋났다면 우주에는 생명이 탄생할 수 없었을 것이다. 그렇다면 누가, 왜 우주에 생명체의 존재를 허용한 걸까?
이 수수께끼를 풀기 위해 호킹은 원점으로 돌아가 빅뱅을 연구했다. 하지만 그의 초기 연구는 다중우주라는 문제에 부딪히면서 위기를 맞는다. 연구 초기에 호킹은 빅뱅 깊은 곳에 숨겨진 수학이 모든 것을 인과적으로 설명해줄 것이라고 가정했다. 다중우주를 대체할 최종 이론이 어딘가에 존재한다고 믿은 것이다. 그러나 호킹은 우주론을 거꾸로 뒤집은 후, 자신의 생각이 틀렸음을 깨달았다. 하향식 관점이 물리적 실체와 법칙 사이의 계층구조를 완전히 바꿔놓았기 때문이다. 하향식 철학에 의하면 우주는 법칙을 무조건 따르는 기계가 아니라 스스로 만들어나가는 자기조직적 실체이며, 그 안에서 온갖 패턴이 모습을 드러낸다. 이들 중 가장 일반적인 것을 우리는 ‘물리법칙’이라 부른다. 하향식 우주론에서는 법칙이 우주를 위해 존재하는 것이 아니라, 우주가 법칙을 위해 존재한다. 존재의 근원을 묻는 질문에 답이 존재한다면, 그 답은 바깥이 아니라 이 세상 안에서 찾아야 한다는 것이다. 이렇듯 하향식 접근법을 통한 양자우주는 가능성 속에서 자신의 모습을 만들어가고, 우리는 우주의 역사를 만드는 주인공이 된다. 우주가 우리를 창조했듯이, 우리도 우주를 창조하고 있는 것이다.


호킹이 세상에 남기고 간 마지막 흔적

학자로서 호킹이 남긴 업적뿐만 아니라 한 명의 인간으로서의 호킹을 따라가는 흐름도 이 책을 읽는 또 하나의 방법이다. 케임브리지대에서 성사된 헤르토흐와 호킹의 첫 만남, 아내와 함께 실크로드를 여행하던 중 호킹의 긴급 호출로 급하게 케임브리지로 돌아가게 되며 겪는 에피소드, 내로라하는 러시아 물리학자들을 대상으로 한 강연에서 호킹의 통역을 맡고 있던 안드레아 린데의 앞에서 호킹이 린데의 인플레이션 이론을 대놓고 비난해 린데 스스로 자신의 이론을 부정해야 했던 일 등 당시 상황을 생생하게 느낄 수 있는 일화가 책 곳곳에 담겨 있다.
호킹은 루게릭병을 진단받은 후에도 가정을 꾸리고, 아이를 낳고, 세상을 두루 경험하고, 우주를 이해하기 위해 최선을 다했다. 평생을 몸속에 갇힌 채 살았지만, 이 세상 누구보다 자유로운 사람이었다. 호킹에게는 마법 같은 구석이 있었다. 늘 지혜와 재미가 섞인 화법을 구사했고 진정으로 유머를 사랑했다. 가까이에서 바라본 호킹은 ‘진정한 탐구자’였고, 그의 주변에 있다 보면 낙관주의자가 될 수 있었다.
《시간의 기원》은 단순히 빅뱅에서 시작된 우주의 기원을 찾는 데서 한 걸음 더 나아가 ‘우리’의 기원을 찾는 여정이다. 호킹은 뿌리를 얼마나 깊이 이해하는가에 따라 인류의 미래가 좌우된다고 믿었다. 우주에 대한 그의 마지막 이론은 과학에 한정된 것이 아니라 인간을 중심에 두고 있었다. 호킹은 아이작 뉴턴의 엄밀한 수학과 찰스 다윈의 깊은 통찰을 하나로 연결했고, 세상을 떠난 후에는 웨스트민스터 사원에 뉴턴과 다윈의 무덤 사이에 안치되었다. 우리는 호킹에게서 세상을 사랑하는 법을 배웠다. 그러니 세상을 새로운 눈으로 바라보고 절대 포기하지 말아야 할 것이다. 호킹이 남긴 마지막 이론처럼, 우주의 역사는 우리가 하는 질문에 따라 달라질 것이다.

크리스토프 갈파르(《우주, 시간, 그 너머》 저자 · 호킹의 제자)
가장 깊이 있는 인류의 탐구에 대한 매혹적인 통찰.

닐 튜록(에든버러대학교 물리학부 교수)
우주 연구에 평생을 바쳤던 스티븐 호킹의 물리학 이론과 개인적인 삶이 담겨 있는 아름다운 책. 호킹과 가장 가깝게 지냈던 이였기에 이렇게 흥미롭고 실감 나는 책을 쓸 수 있었으리라.

그레이엄 파멜로(케임브리지대학교 처칠 칼리지)
스티븐 호킹이 남긴 마지막 이론을 누구나 이해할 수 있도록 명쾌하게 안내하는 명저. 토마스 헤르토흐는 호킹의 측근이자 제자로서, 호킹의 탁월한 자연관과 누구보다 인간적이었던 그의 삶을 충실하게 담아냈다.

숀 캐럴(존스홉킨스대학교 자연철학부 교수)
토마스 헤르토흐는 그의 스승 스티븐 호킹을 닮았다. 파격적인 우주론을 전개하는 데 조금도 거침이 없다. 이 책은 호킹의 최종 이론을 접할 기회인 동시에 호킹을 이을 전도유망한 물리학자의 대담한 연구를 미리 엿볼 기회다.

마틴 리스(케임브리지대 천체물리학부 명예교수)
우리 우주는 왜 지금과 같은 모습이 되었는가? 토마스 헤르토흐는 스티븐 호킹과 함께한 연구에서 얻은 깊은 통찰과 놀라운 우주관을 멋진 책으로 풀어냈다. 호킹이라는 인물의 삶과 우주를 바라보는 깊이 있는 시각, 최종 이론의 탄생과정이 생생히 드러난다. 이 책을 읽고 나면 우주에 대한 이해의 폭이 크게 확장될 것이다.

궤도(과학 커뮤니케이터, 《과학이 필요한 시간》 《궤도의 과학 허세》 저자)
우리가 살고 있는 세상의 시간은 항상 일정하게 흘러가는 것처럼 보인다. 하지만 오래전부터 과학자들이 생각하던 우주는 달랐다. 빅뱅으로부터 시작한 우주는 탄생 초기에 상상할 수 없을 만큼 빠른 속도로 팽창했고, 그렇게 우주와 우리는 지금의 상태가 되었다. 위대한 물리학자 스티븐 호킹은 생의 마지막 숨결이 사라질 때까지 지금으로부터 시작되는 기원을 향한 무한한 상상력으로 머릿속 우주를 누볐다. 아쉽게도 길지 않았던 그의 여정은 마지막까지 누구보다 자유롭고 사랑으로 가득 차 있었다. 늘 멈추지 않고 이어지는 시간의 차원 위에서 개개인에게 주어진 시간이 끝나기 전까지 우리도 곳곳에 숨겨진 경이로움을 이 책과 함께 충분히 찾아낼 수 있으리라 기대한다.

1장 역설
2장 어제 없는 오늘
3장 우주기원론
4장 재와 연기
5장 다중우주에서 길을 잃다
6장 질문이 없으면 과거도 없다!
7장 시간 없는 시간
8장 우주의 안식처

감사의 말
주
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우주론은 이 세상에 관하여 무엇을 알아낼 수 있으며, 우리는 그 세상에 어떻게 적응하고 있는가? 이런 생각을 하다 보면 물리학은 어느새 안락한 영역에서 벗어나 낯선 세계로 내던져진다. 이곳이 바로 호킹이 죽는 날까지 탐험했던 세계이며, 수십 년의 사고를 통해 단련된 그의 직관이 막강한 위력을 발휘한 곳이
기도 하다. (31쪽)

나는 호킹과 함께 시공간의 변두리를 탐험하면서 호킹이라는 인물의 내면세계까지 들여다볼 수 있었다. 공동 연구를 하다 보면 서로 가까워지기 마련인데, 가장 가까운 거리에서 바라본 호킹은 문자 그대로 ‘진정한 탐구자’였다. 그의 주변에 있다 보면 아무리 어려운 문제가 주어져도 자신도 모르는 사이에 “언젠가는 반드시 해결된다”고 믿는 낙관주의자가 된다. 바로 옆에서 호킹의 영향을 직접적으로 받은 우리는 “우리 자신의 창조설을 써 내려가고 있다”는 느낌을 강하게 받았으며, 어떤 면에서는 실제로 그렇게 했다. (32쪽)

우리는 “우주는 왜 생명체에 우호적인 곳이 되었는가?”라는 질문의 답을 찾던 중 그와 같은 갈림길에 도달했다. 이것은 과학의 영역을 넘어 생명의 본질을 추구하는 질문이기 때문이다. 생명의 본질은 곧 인간의 본질이므로, 호킹의 마지막 연구는 결국 인간의 기원을 탐구하는 연구였던 셈이다. 생명친화적인 우주에서 ‘지구의 관리인’으로 살아가는 삶이란 과연 어떤 의미인가? 호킹은 삶의 마지막 순간을 이 심오한 질문의 해답을 찾으면서 보냈다. 이것 하나만으로도 그의 최종 이론은 과학의 값진 유산으로 남기에 부족함이 없을 것이다. (35쪽)

연구 초기 단계에 호킹의 목적은 시간이 시작되던 순간에 주어진 물리적 조건으로부터 ‘설계된 우주’의 비밀을 푸는 것이었다. 그는 빅뱅 깊은 곳에 숨겨진 수학이 “우주가 지금과 같은 형태로 진화할 수밖에 없었던 이유”를 인과적으로 설명해준다고 가정했다. 다시 말해서, 물리적 우주(또는 다중우주)를 대체할 최종 이론이 어딘가에 존재한다고 믿은 것이다. 그러나 호킹은 우주론을 거꾸로 뒤집은 후, 자신의 생각이 틀렸음을 깨달았다. 우리가 선택한 하향식 관점이 물리적 실체와 법칙 사이의 계층구조를 완전히 바꿔놓았기 때문이다. 하향식 철학에 의하면 우주는 법칙을 무조건적으로 따르는 기계가 아니라 자신을 스스로 만들어나가는 자기조직적self-organizing 실체이며, 그 안에서 온갖 패턴이 모습을 드러낸다. 이들 중 가장 일반적인 것을 우리는 ‘물리법칙’이라 부르고 있다. 하향식 우주론에서는 법칙이 우주를 위해 존재하는 것이 아니라, 우주가 법칙을 위해 존재한다고 말할 수도 있다. 존재의 근원을 묻는 질문에 답이 존재한다면, 그 답은 바깥이 아니라 이 세상 안에서 찾아야 한다. (433쪽)

하향식 우주론은 이렇게 ‘절대적 진리’라는 굴레에서 벗어나, 과학에서 예술에 이르는 다양한 분야에 새로운 사고방식과 상호보완적인 통찰을 제공했다. 우리의 하향식 사고가 새로운 세계관의 씨앗을 품고 있다면, 그것은 분명히 다원적 세계관일 것이다. 시간개념이나 법칙의 패턴은 우리를 둘러싼 우주의 복잡성에 기초하고 있으며, 우리가 던지는 질문에 따라 달라진다. (434쪽)

우리는 호킹에게서 세상을 사랑하는 법을 배웠다. 그러니 세상을 새로운 눈으로 바라보고 절대 포기하지 말아야 할 것이다. 그는 생의 대부분을 몸속에 갇힌 채 살았으나, 이 세상 그 누구보다 자유로운 사람이었다. (445쪽)