우리는 이 우주를 얼마나 이해하고 있는가

노벨물리학상을 받은 이 시대 과학의 거두, 스티븐 와인버그의 에세이

현대 물리학의 진정한 대가, 이 시대 과학의 거두, 스티븐 와인버그의 에세이 《제3의 생각》이 발간되었다. 1979년에 노벨물리학상을 받은 대학자인 그는 87세인 지금까지도 현역에서 활발하게 입자 물리학을 연구하며 논문을 발표하고 있다. 이 책에도 언급되는 우주론의 고전 《최초의 3분》(1976년 발간)의 저자로도 잘 알려져 있는 그는 2012년 발견된 힉스 입자를 1967년부터 예견하고 기다려 왔다. 그야말로 오늘날 입자 물리학의 산증인이자 현대 물리학의 가장 권위 있는 학자 중 한 사람이다. 제목의 ‘제3’은 스티븐 와인버그가 그동안 펴낸 에세이 모음집 중 3번째라는 의미이다. 생의 말미에서도 여전히 적극적으로 대중에게 과학계 이야기를 전하는 노학자, 와인버그는 수년 간〈뉴욕 리뷰 오브 북스〉등에 게재한 글을 모았다. 주제에 있어 여느 때보다 너른 그물망을 던지는 그는 우주론부터 천문학과 양자역학, 과학의 역사부터 현재 지식의 한계, 발견의 기술까지… 다양한 이야기를 건넨다. 우리는 담대한 노학자의 눈을 빌려 과학의 흐름을 한눈에 담을 수 있다. 생의 마지막 에세이가 될지도 모른다는 생각에 저자는 서문에서는 수십 년간 자신의 글을 읽어 온 독자들에게 애틋한 인사를 건넨다.

들어가며
감수의 글

1부 과학의 역사
1장 천문학의 쓸모
2장 이론 물리학자의 지분
3장 실험 물리학자의 분투
4장 텍사스 묘지의 학자들
5장 표준모형의 흐름
6장 긴 시간과 짧은 시간
7장 현재의 눈으로 본 과학사
8장 과학사관의 논쟁들

2부 물리학과 우주론
9장 기본 입자란 무엇인가
10장 우리가 아직 모르는 우주
11장 아인슈타인과 대칭
12장 힉스와 그 너머
13장 힉스 입자 발견의 의미
14장 오늘날 양자역학의 문제

3부 공적인 관심사
15장 오바마의 우주 예산
16장 거대과학의 위기
17장 실망스러운 자유주의
18장 세금의 구멍에 대하여
19장 유인 우주선에 반대한다
20장 회의론과 과학자들

4부 개인적인 관심사
21장 신입생이 알아야 할 것
22장 과학에 대한 글쓰기
23장 실패에 대하여
24장 과학의 발견과 예술
25장 모두의 귀환을 바람

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참고문헌

물론 지금도 유효한 천문학의 오래된 쓰임새 한 가지가 있다. 천문학은 우리가 자연 현상을 발견하는 데 중추적 역할을 한다. 앞서 말했듯이 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발견하도록 이끈 것은 행성의 운동 문제였다. 20세기 양자역학은 19세기 초에 태양 스펙트럼이 관찰되고 원자가 특정한 파장에서만 빛을 내뿜고 흡수한다는 사실이 밝혀지면서 발견되었다.
1장 [천문학의 쓸모] 중에서 우리의 우주는 계속해서 팽창하는 중이고, 대부분이 암흑 에너지이고 암흑 물질로 이루어졌다. 그리고 이 암흑 속에 작은 불순물, 몇 퍼센트에 불과한 일반 물질이 별과 행성과 우리 인간을 구성하고 있다. 기초 입자 물리학의 역사는 우주론과 매우 다른 궤적을 좇아 왔다. 50년 전 우리는 데이터에 목마르기보다 우리가 이해할 수 없는 자료들에 치이고 있었다. 일반적으로 이론이 앞장서고, 실험이 경쟁하는 두 이론 사이에서 심판의 역할을 할 때에 과학의 진보가 이루어졌다.
5장 [표준모형의 흐름] 중에서 21세기를 사는 우리는 훨씬 더 긴 시간 간격에 익숙해져 있다. 우라늄 동위원소 존재비 분석을 통해 태양계를 구성하는 물질이 대략 66억 년 전에 폭발 중이던 어떤 별에서 생성되었음을 추론할 수 있다. 과거로 더 멀리 거슬러 올라가면, 현재 은하들이 서로 더 멀리 떨어지는 방식을 관측함으로써 유추할 수 있다. 138억 년 전에 우주의 물질은 은하도 별도 심지어 원자도 없을 정도로 응집되어 있었다. 우주는 기본 입자들로 빼곡히 들어찬 뜨거운 기체였을 뿐이었다.
6장 [긴 시간과 짧은 시간] 중에서 과학은 한 시대에 유행하는 질문을 해결하는 것이 아니라, 세상을 이해하는 데 초점을 맞춘다. 어떤 부류의 이해가 가능하고 만족스러울지를 미리 알 수는 없는 노릇이다. 그것을 배워 가는 과정이 과학의 과제 중 일부이다. ‘세계가 무엇으로 이루어져 있는가’는 좋은 질문이지만 너무도 시대를 앞서간 질문이기도 하다. 18세기 말 화학 저울을 사용하여 정확한 측정이 가능해진 후에야 이 질문의 답에 진전이 이루어질 수 있었다.
7장 [현재의 눈으로 본 과학사] 중에서 우주 기반 천문학 연구는 미국에서는 특수한 문제에 봉착하고 있다. 이 일에 관해 책임 있는 정부기관 NASA는 항상 과학 발전에는 큰 도움이 되지 못하는 유인 우주비행에 더 많은 자원을 배분해 왔다. 근래 천문학 발전에 크게 기여한 우주 기반 관측 기구 모두는 무인위성에 설치된 것이다. 국제우주정거장의 일부가 과학 연구를 위한 실험실로 제공되고 있지만, 여기서 과학적으로 중요한 성과는 나오지 않고 있다. (중략) 우주 비행사는 이 기구의 운영과 아무 관련이 없을 뿐 아니라 무인위성이라면 훨씬 더 적은 비용이 들었을 것이다.
16장 [거대과학의 위기] 중에서 사람이 무언가에 대해 틀렸음을 깨우치게 되면 심오하게 유익합니다. 그것을 통해 자만심을 예방하고 새로운 아이디어에 마음을 열게 됩니다. (중략) 그래서 졸업하는 학생 여러분에게 이 말을 전하고 싶습니다. 여러분 자신뿐 아니라 세계를 위해서 여러분이 앞으로 나아가다가 일에 실패했을 때, 불가피하게 여러분은 기꺼이 자신이 틀렸음을 깨우칠 것이고, 심지어 과학자나 엔지니어나 건축가로서 저지른 잘못을 알아낸 자신이 조금 자랑스러울 것입니다.
23장 [실패에 대하여] 중에서

과학 지식의 최전선부터 정책과 역사, 예술까지 아우른다. 압도적인 책이다!
_리처드 도킨스 《이기적 유전자》 저자이 책이 마지막 에세이 모음집이 아니기를 빕니다. 하지만 현실을 직시하면 지금 이 책이 지난 수십 년간 나의 글을 기꺼이 읽어 준 독자들에게, 그럼으로써 내게 물리학 너머의 세상과 만날 수 있게 해 준 그들에게 감사의 말을 전할 적기인 듯합니다. (본문 7쪽)현대 물리학에서 그가 이룩한 ‘표준모형’ 이론은 한 시대를 관통하는 과학적 발견이다. “기본 입자들 사이의 약한 상호 작용과 전자기 상호 작용의 통일 이론에 기여했고 특히 약력의 중성류를 예측한 업적으로” 파키스탄 출신의 압두스 알람과 함께 노벨물리학상을 받았다. 이 이론은 세상에 존재하는 4가지 힘 강력·약력·전자기력·중력 중에서 중력을 제외하고 지금까지 자연에서 관측된 상호 작용을 가장 정확히 설명한 이론이다. 우리가 알고 있는 자연의 거의 모든 현상을 이해하는 데 가장 기초가 된다.
인류 역사상 태곳적부터 제기된 ‘세상/물질은 무엇으로 이루어져 있는가’라는 데모크리토스의 철학적 질문에 화답하는 연장선에서 지금도 과학자들은 분투하고 있다. 와인버그는 사고의 틀을 세팅하는 ‘이론’을 연구하는 이론 물리학자로서 한 시대의 과학에 혁혁한 공을 세웠다.
20세기 전반부, 인간은 물질이 원자로 되어 있다는 것, 그 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다는 것, 나아가 원자핵은 양성자와 중성자라는 입자로 되어 있음을 알게 되었다. 그리고 20세기 후반에 들어서는 양성자와 중성자 외에도 다른 입자들이 있으며 그들 사이에는 더욱 심오한 구조가 있다는 것이 밝혀졌다. 이렇게 20세기 후반 이후, 물질의 기본 구조를 연구하는 분야를 입자 물리학이라고 한다. 와인버그는 입자 물리학이 비약적인 발전을 이루었던 1960년대와 1970년대, 여러 분야에서 중요한 기여를 했으며 1970년대부터 우주론과 천체 물리학에도 관심을 가지고 입자 물리학과 연계된 연구를 해 왔다. 그야말로 과학의 한 시대를 가로지르며 한 생애를 살아왔다고 해도 과언이 아니다. 현재 물리학은 어디까지 도달했는가
우리는 이 우주를 얼마나 이해하고 있을까
우주 질량의 6분의 5를 차지하는 ‘암흑 물질’의 비밀은 이 시대 물리학의 과제다. 이 암흑 물질을 구성하는 입자 중 하나로 약하게 상호 작용하는 질량 입자는 최소 수십억 년간 살아남을 수 있는 인간에게 있어 초월적 존재다. 뜨겁고 밀도가 높은 초기 우주에 존재했던 이 입자들의 소멸 방식을 밝히는 것 또한 물리학이 풀어야 할 과제 중의 과제다. 하지만 이 과제는 좀처럼 우리의 일상에 섞이지 못하는 ‘과학계의 이슈’에 머물고 있다. 그는 22장 [과학에 대한 글쓰기]에서 과학사를 되짚으며 과학자와 대중의 언어가 유리되기 시작했던 지점을 꼬집기도 한다. 지식의 최전선에서 여전히 현역 연구자로 활약하고 있는 저자는 학계에 갇힌 과학의 언어에 대해 문제의식을 갖고 학계라는 벽 너머 대중에게 꾸준하게 말 걸기를 시도하는 대표적인 과학 커뮤니케이터로서 이 문제를 찬찬히 설명해 낸다.
서문에서도 “또 현대 물리학과 우주론의 면면들, 그 역사에 대해 수식과 공식을 최대한 자제하고 설명” 했다고 밝히며 대중의 눈높이에 맞춘 각주를 달았노라 말한다. 그 덕분에 우리는 대중에게 과학의 현 단계를 설파하고 싶은 적극적이고 대담한 노학자의 눈을 빌러, 현대 물리학이 어디까지 와 있는지 과학이 이룩한 한 시대의 발전상을 조망할 수 있게 되었다.
우리는 우주를 모른다. 아니 정확히는 과학이 지금까지 밝혀낸 ‘우주’를 모른다. 쥘 베른이 이룩한 SF 소설의 장르에서 그려진 미래상 정도로 어렴풋한 이미지로 남아 있다. 와인버그는 과학 아이디어들이 대중에게 전달되는 행위 자체를 중요하다고 생각한다. 더 정확히 말하면 과학의 성과와 과학 아이디어가 개인에게 미치는 영향력을 중시한다. (본문 245~246쪽)
1967년부터 힉스 입자의 발견을 기다리던 와인버그는 2012년 마침내 발견된 감격스러운 힉스 입자를 발견한 것에 대해 글을 기고한다. 그는 힉스 입자의 발견이 왜 기쁜 일인지 어리둥절할 대중을 향해 다음과 같이 말을 건넨다. “병을 치료하거나 기술을 향상시키는 데 직접 활용되지는 못한다. 이 발견은 단지 모든 물질을 지배하는 자연의 법칙에 대한 이해의 틈새를 메우고, 초기 우주에서 어떤 일이 일어났는지의 질문에 실마리를 던져 줄 뿐이다.” (본문 162쪽) 과학의 의미와 역사,
거대과학 정책에 관한 고집스러운 제언
이 시대 과학의 위치는 정부 예산에 좌우되며, 경제 효용성의 원리에 지배를 받고 있다. 앞서 말했듯이 천문학에서는 우주 질량의 6분의 5를 차지한다고 말하는 ‘암흑 물질’을 설명하지 못하고 있는데 와인버그는 1993년, 역사상 가장 큰 과학 사업이었던 초대형 입자가속기SSC 설립 계획을 미국 하원의 결정으로 지원을 취소당한 적 있다. 우주의 비밀을 밝히는 힉스 입자를 발견한 유럽 입자물리 연구소가 대형 강입자 충돌기로 생성하는 에너지량의 3배에 달하는 스케일의 프로젝트였다. 정치인들은 ‘쓸모없다고 생각하는 일의 예산’이라고 여겼고 과학의 새로운 발견과 현실적 중요성을 저울질했다. 하지만 물리학자, 과학자들에게 있어 이 발견은 세계가 어떤 질서에 의해 움직이는가에 관한 심대한 과제라는 점에서 의미가 있다. 와인버그는 이러한 맥락에서 물리학자들이 정부 관리들에게 필요한 시설들을 요청할 때의 진심을 독자들이 알아주기를 바라며 거대과학에 대한 정부 예산 문제를 꼬집는다.
일반적으로 이론이 앞장서고, 실험이 경쟁하는 두 이론 사이에서 심판의 역할을 할 때에 과학의 진보가 이루어졌다. (본문 66쪽) 당장의 실용성과 경제적 효용을 넘어 입자들의 비밀을 풀어헤치려는 과학자들의 노력은 그 자체로 ‘앎의 의지’에 가깝다. 이 점에서 와인버그는 일반 역사학의 역사관과 조금 다른 견해를 펼친다. 현재의 눈을 들이댄다는 아이디어다. 동시대 역사가들이 가장 조심하고 회피하는 위험한 영역, 곧 현재의 기준으로 과거를 판단하는 방식이다. (85쪽) 과학자들에게 현재의 지식이라는 눈으로 바라본 과학사가 필요하기 때문이라는 것이 와인버그의 생각인데 우리에게 익숙한 과학철학자 토머스 쿤의 생각과도 상이하기 때문에 우리에게 생각할 지점을 던져 준다. 과학의 역사는 누가 써야 하는가? 역사가인가 아니면 과학자인가? 나에게 답은 명백하다. 둘 다 써야 한다. (본문 85쪽)과학의 역사는 방향 없이 하나에서 다른 것으로 이어지는 지적 유행의 역사가 아니라, 진실을 향해 가는 진보의 역사이다. (본문 93쪽)또한 와인버그는 미국 항공우주국NASA(이하 NASA)의 그리 효과적이지 않은 유인 우주선 방식의 과학 연구, 그 계획에 대해 일갈하며 미국 정부의 과학 예산편성에 쓴소리를 아끼지 않는다. 우주 비행사를 달이나 다른 행성에 무사히 착륙시킨 후에 다시 데려오는 데 드는 비용으로 훨씬 많은 탐사를 하는 로봇 수백 대를 보낼 수 있다는 논지를 적극적으로 펼친다. 저명한 학계의 거물의 위치에서 거대 정치권력을 향해 꾸준히 이 문제를 제기하는 것이다. NASA는 사람을 우주선에 태워 우주로 보내는 유인 우주선 프로젝트를 통해 드라마틱한 서사로 흥행몰이를 꾀하며 과도한 예산을 짠다. 대중의 호응을 끌어내기 위함이다. (30쪽) 하지만 와인버그는 유인 우주선이라는 구경거리가 아니더라도, 사람을 굳이 우주로 보내지 않는 ‘무인 우주선’ 방식으로도 인류에게 필요한 과학적 발견을 해낼 수 있다고 역설한다. 먹기 좋게 잘 조리된 음식처럼, 미디어에 의해 흥미 위주의 과학 이야기를 섭취해 온 우리에게 과학자가 거대과학에 당위적으로 투자되어야 하는 예산에 대해 자기주장을 펼치는 현실은 어색하지만 한번 곱씹을 만한 대목이다. 대학자의 권위에 머물지 않고 꾸준히 현실에 발을 담그고 대중을 향해 말을 거는 그의 진면목이기도 하다.

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