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과학은 우주와 우리 자신을 이해할 열쇠를 쥐고 있다

책의 구성은 일목요연하고 서술방식은 꼼꼼하고 친절하다. 태양계의 기원과 생명체의 구성요소들을 설명하는 첫 번째 장에서부터 물질과 정신의 본질을 다루는 마지막 장까지 우주와 인간에 대한 이해라는 일관된 주제가 촘촘하게 전개된다. 저자는 일반 대중의 눈높이에서 천문학, 생물학, 물리학, 수학이 논의해온 다양한 가설과 실험결과 그리고 확립되었거나 논쟁중인 이론들을 한눈에 파악할 수 있도록 정리하고 있다.

과학 커뮤니케이터의 시대를 열다

1905년에 발표된 아인슈타인의 상대성이론과 1920년대에 등장한 양자역학은 공간과 시간 그리고 물질에 대한 기존의 개념을 완전히 바꾸어 놓았다. 뉴턴의 역학을 바탕으로 200년 넘게 이어져온 근대과학은 막이 내리고 전혀 새로운 현대과학의 시대가 열리게 되었다.
동시에 과학은 법학이나 의학과 같은 전문직업화 과정을 거치면서 일반적인 교양 수준에서는 이해하기 어려운 학문이 되었다. 그래서 대중들이 과학을 쉽게 이해할 수 있도록 강연과 책을 통한 과학 대중화의 흐름이 나타나게 되었다. 특히 영국에서는 1920년대와 1930년대에 새로운 물리학을 일반인들에게 설명하는 과학대중서들이 속속 등장하게 되었으며 엄청난 인기를 얻었다. 그런 책들 중에서 1930년에 출판된 제임스 진스의 〈과학이 우주를 만났을 때(The Mysterious Universe)〉만큼 성공적인 책은 없었다.
제임스 진스는 1904~1912년까지 케임브리지와 프린스턴 대학교에서 응용수학을 가르쳤다. 1914년부터 원자와 분자에서 별과 우주에 이르기까지 아주 작은 것에서 아주 큰 것으로 연구의 초점을 옮겼으며, 1919년에 출간한 논문 〈우주론과 별의 역학 문제〉로 케임브리지 대학교의 아담스 상을 수상했다. 1913년부터 1928년까지 35편 이상의 천문학 논문을 발표했으며, 1929년 이후로 과학 연구를 떠나 과학 대중화에 전념하기 시작했다.
제임스 진스가 처음으로 쓴 대중과학서는 케임브리지 대학 출판부의 권유로 1929년에 출간한 〈우리 주변의 우주〉였다. 이 책은 출간 즉시 베스트셀러가 되어 처음 몇 달 동안에만 11,000부 이상 판매되었다. 1930년 케임브리지 대학은 권위 있는 연례 대중연설인 리드 강연에 진스를 초청했다. 〈우리 주변의 우주〉의 성공에 고무된 진스는 이 강연의 내용을 확장한 〈과학이 우주를 만났을 때〉를 출간했다.
이 책의 출간 직후 BBC는 제임스 진스가 진행하는 6개의 주간 강연을 방송했으며, 첫 번째 강의는 BBC의 주간지 표지에 홍보되었다. 이러한 언론의 관심은 판매를 촉진했고, 1930년 말까지 영국에서만 7만 부가 판매되었다. 판매량은 1931년에도 계속 늘어나 그해 말까지 두 번째 개정판과 함께 8번이나 증쇄되었다.

과학은 우주와 우리 자신을
이해할 열쇠를 쥐고 있다

책의 구성은 일목요연하고 서술방식은 꼼꼼하고 친절하다. 태양계의 기원과 생명체의 구성요소들을 설명하는 첫 번째 장에서부터 물질과 정신의 본질을 다루는 마지막 장까지 우주와 인간에 대한 이해라는 일관된 주제가 촘촘하게 전개된다. 저자는 일반 대중의 눈높이에서 천문학, 생물학, 물리학, 수학이 논의해온 다양한 가설과 실험결과 그리고 확립되었거나 논쟁중인 이론들을 한눈에 파악할 수 있도록 정리하고 있다. 그 중심에는 공간과 시간을 결합하는 상대성이론과 인과의 법칙을 명확하게 부정하는 양자역학이 있다. 까다롭고 난해해서 당혹스럽게 만드는 새로운 이론들을 시종일관 적절한 비유와 예시를 통해 간명하게 소개하는 저자의 글솜씨가 돋보인다.
저자는 비록 인류가 멸망할 수밖에 없는 우주에서 죽어가는 태양 옆에 있는 ‘모래알갱이의 극히 작은 파편’ 위에 살고 있지만, 물리학은 우주와 우리 자신을 이해하는 열쇠를 쥐고 있다고 강조한다. 우리는 ‘플라톤의 동굴 우화’에 나오는 동굴 거주자들과 비슷해서, 현실 자체가 아니라 현실의 그림자를 보고 연구하고 있지만, 물리학 및 수학을 통해 우주와 인간의 실재적 진실을 엿볼 수 있다고 말한다. 하지만 과학이 가야 할 길은 여전히 멀고 불명확하다.

“우리는 기껏해야 아주 희미한 빛 이상을 식별했다고 주장할 수는 없다. 아마 그것은 전적으로 환상이었을 것이다. 따라서 우리의 주된 주장은 오늘날의 과학이 어떤 선언을 해야 한다는 것이 아니라, 오히려 과학이 선언을 하지 말아야 한다는 것이어야 할 것이다. 지식의 강은 너무 자주 스스로를 되돌려 놓았다.”(205쪽)

서문ㆍ16

제1장 죽어가는 태양

태양계의 탄생ㆍ12/생명체의 탄생ㆍ15/생명체는 평범한 원자로 구성되어 있다ㆍ19/우연한 결과일 뿐ㆍ21/우주에는 단 한 가지 최후만 있다ㆍ26

제2장 현대 물리학의 새로운 세상

인과율의 등장ㆍ30/우주는 기계다ㆍ32/방사선과 양자이론ㆍ35/자연붕괴 가설ㆍ38/결정론이 무너지다ㆍ44/확정성이라는 환상ㆍ47/빛의 입자설과 파동설ㆍ52/빛은 입자이면서 파동이다ㆍ59/파동역학의 탄생ㆍ64

제3장 물질과 방사선

세 가지 보존법칙ㆍ70/원자를 분해하다ㆍ76/방사선의 이해ㆍ81/별들의 수명을 계산하다ㆍ84/구부러진 우주ㆍ88/팽창하는 우주ㆍ91/팽창 우주를 검증하다ㆍ96/새로운 입자ㆍ100/방사선의 기원ㆍ104/물질은 방사선일까ㆍ107

제4장 상대성과 에테르

에테르를 의심하다ㆍ110/에테르를 검증하다ㆍ113/피츠제럴드와 로렌츠의 수축가설ㆍ119/상대성 원리ㆍ121/절대 정지를 자유롭게 정의하다ㆍ123/에테르 가설의 모순ㆍ125/동일한 결과에는 동일한 원인이 있어야 한다ㆍ127/오컴의 면도날과 새로운 지도원리ㆍ131/기적의 해 1905년ㆍ133/시간이라는 차원ㆍ134/4차원 연속체ㆍ137/상대성이론과 에테르ㆍ140/에테르는 추상개념이다ㆍ141/수학적 추상개념으로 인정하다ㆍ144/시간과 공간은 구분되지 않는다ㆍ148/4차원 연속체의 곡률ㆍ150

제5장 심연 속으로

우주를 새롭게 해석하다ㆍ154/파동역학과 확률ㆍ160/과학은 여전히 동굴 속에서 그림자를 연구한다ㆍ164/자연은 순수 수학자가 아닐까ㆍ171/파란 안경을 쓴 사람은 파란 세상만 본다ㆍ174/모든 것이 수학적이다ㆍ175/우주는 수학적으로 설계되어 있다ㆍ179/정신과 물질의 관계ㆍ184/자연의 법칙은 보편적인 사고법칙이다ㆍ189/우주는 순수한 사유의 세계다ㆍ193/순환 우주라는 반론ㆍ196/기계적 해석에 대한 편견ㆍ199/우주는 위대한 생각이다ㆍ202

지구보다 전혀 크지 않은 별들도 있지만 대부분은 수십만 개의 지구를 채워 넣고도 공간이 남을 정도로 크다. 우리는 수백만 개의 지구를 담을 수 있을 만큼 거대한 별들을 곳곳에서 발견한다. 이 우주에는 이 세상의 모든 해변에 있는 모래 알갱이들만큼이나 많은 별들이 있다. 이것이 바로 우주 전체의 물질과 비교했을 때 우주에서 차지하는 우리 지구의 왜소함이다.
이처럼 엄청나게 많은 별들이 우주를 떠돌고 있다. 집단을 이루어 무리지어 여행하는 별들도 있지만 대부분은 외로운 여행자들이다. 너무 넓어서 다른 별 가까이에 다가서는 것은 거의 상상할 수 없을 정도로 희귀한 사건이 되는 우주를 여행하고 있다. 그래서 각자의 여행은 대부분 텅 빈 바다에 떠 있는 한 척의 배처럼 화려한 고립 속에 이루어진다.(12~13쪽)

우리는 반드시 실수는 아닐지라도 적어도 사고라고 적절하게 표현될 수 있는 결과로서 그런 우주 속으로 우연히 들어섰다. 이런 단어를 사용한다 해서 지구가 존재한다는 것이 놀라운 일이라고 생각할 필요는 없다. 사고는 언제든 일어날 것이며, 만약 이 우주가 충분히 오랫동안 지속된다면 상상할 수 있는 사건들은 모두 언젠가는 일어날 가능성이 있기 때문이다.(16쪽)

천문학은 현재의 우주 배치에 대해 그리고 공간의 광대함과 진공 그리고 그곳에서 우리의 하찮음에 대해 말해줄 수 있지만, 물리학은 시간이 흐르면서 만들어지는 변화들의 성질과 관련된 것들까지 말해줄 수 있다. 하지만 우리의 질문에 대한 답을 찾을 것이라고 기대할 수 있으려면 사물의 근본적인 성질에 대해 더 깊이 파고들어야 한다.
이것은 천문학의 영역이 아니다. 오히려 우리의 탐색은 현대 물리학의 핵심 속으로 안내한다는 것을 알게 될 것이다.(28~29쪽)

인과관계의 핵심인 시간의 지속적인 흐름은 경험으로 확인한 자연법칙에 우리가 겹쳐놓은 것이다. 시간의 속성에 본래부터 내재되어 있는 것인지는 전혀 알지 못한다.
잠깐 살펴보았듯이, 상대성이론은 어느 정도는 이런 시간의 지속적인 흐름과 인과관계를 환상이라고 비판하는 방향으로 나아가고 있다. 상대성이론은 시간을 단순히 3차원의 공간에 더해지는 네 번째 차원으로 생각하고 있으므로 시간의 전후관계가 인과관계라는 것은 더 이상 진실이 아닐 수 있다.(51쪽)

현대 물리학은 전체 물질 우주를 파동으로, 그리고 파동으로만 해석하려는 경향이 있다는 것이다. 이러한 파동에는 두 가지 종류가 있다. 우리가 물질이라고 부르는 병에 담긴 파동과 방사선 또는 빛이라고 부르는 병에 담겨 있지 않은 파동이다. 물질이 소멸하는 과정은 단지 갇혀 있던 파동에너지를 풀어 우주를 자유롭게 여행하도록 하는 과정일 뿐이다.
이러한 개념은 우주 전체를 잠재적이든 실존적이든 방사선의 세계로 축소하며, 물질을 구성하는 기본 입자가 파동의 속성을 많이 나타내야 한다는 사실이 더 이상 놀랍지 않게 느껴진다.(109쪽)

우리의 은유를 버리면, 자연은 순수 수학의 규칙을 매우 잘 알고 있는 것처럼 보인다. 이는 수학자들이 외부세계에 대한 경험에 크게 의존하지 않고 자신의 내적 의식에 따른 연구를 통해 그것들을 공식화했기 때문이다.
‘순수 수학’이란 외부세계의 가정된 어떤 속성을 원료로 삼아 외부세계에 대해 추론하는 ‘응용 수학’과는 대조적으로 순수한 사고, 자신의 영역 내에서만 작동하는 이성의 창조물인 수학 부문을 의미한다.(171쪽)

우리의 먼 조상들은 자연을 의인화한 개념으로 해석하려고 시도했지만 실패했다. 자연을 공학적 관점에서 해석하던 가까운 조상들의 노력도 마찬가지로 부적절한 것으로 판명되었다.
자연은 인간이 만든 틀에 자신을 맞추기를 거부했다. 반면에 순수 수학의 개념으로 자연을 해석하려는 우리의 노력은 지금까지 눈부시게 성공적인 것으로 입증되었다.(175쪽)