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불가능한 바다의 파도
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불가능한 바다의 파도
“이것은 한 편의 황홀한 오디세이다.” 현대 물리학은 우리 눈에 보이지 않는 가장 작은 입자부터 상상조차 불가능한 거대한 우주까지, 우리가 사는 세상을 완전히 새로운 시각으로 바라보게 한다. 왜 우리의 직관과 상식은 물리적 원리와 정반대로 움직이는 것일까? 우리는 이 거대한 우주와 어떻게 연결되어 있는 것일까? 과학자가 30년 넘게 연구하며 얻은 통찰은 우리가 살아가는 세계의 근본적인 진실에 대해 이야기하며, 우리를 현대 물리학의 최전선으로 이끈다.
직관의 한계를 넘어서
우리가 일상에서 당연하게 여기는 것들이 사실은 진실이 아닐 때가 많다. 상대성 원리를 설명하는 것은 몇 마디의 말 - 이를테면, 등속운동은 감지할 수 없다 - 이면 충분하다. 하지만 이는 인간의 심리와 상당히 다른 방향으로 움직인다. 상대성 원리는 앞으로 물리학자가 될 사람들은 물론이고 우리 모두가 어린 시절부터 자연스럽게 키워왔던 세계에 대한 가정을 뒤엎는다. 마치 일상생활 자체가 인간의 정신이 기본적인 물리 법칙에 닿지 못하도록 설계된 것처럼 보일 정도이다.
고대 그리스의 뛰어난 수학자와 철학자조차 상대성 원리를 발견하지 못한 것은 바로 이런 이유 때문이다. 이들은 지구가 둥글다는 것을 증명했고, 집에서 멀리 떠나지 않고도 지구의 크기를 측정했지만, 지구가 움직인다는 결론에 이르지는 못했다. 몇몇 사람들은 지구가 회전하고 이동할지도 모른다고 제안했지만, 가장 영향력 있는 사상가들은 지구가 운동한다면 우리가 쉽게 감지할 수밖에 없을 것이라고 생각했다. 운동이라는 것이 반드시 쉽게 감지될 필요는 없다는 사실을 깨닫는 데는 수 세기가 더 걸렸다.
우리가 보는 세상의 진실
우리의 직관은 물질과 파동을 근본적으로 다른 것으로 인식한다. 공은 분명히 물리적 사물, 즉 실체와 무게가 있는 물질로, 손에 쥐고, 던지고, 잡을 수 있고, 반으로 자르고, 저울로 무게를 재고, 코 위에 서 균형을 잡을 수 있다. 더 일반적으로 말해 공은 그 자체로 존재하며, 우리가 던지는 대로 동서남북 어디로든 갈 수 있다. 하지만 밧줄 위의 파동은 이와 달리 잠깐 나타났다가 사라지는 현상이고, 매질에 갇혀 있다. 우리는 밧줄 위의 파동을 손에 쥐거나, 던지거나, 받거나 반으로 자를 수 없다. 우리의 직관은 결국 이 둘이 근본적으로 다르다고 말한다. 파동은 '어떤 물질적인 것의 진동'을 포함하긴 해도, 파동 그 자체는 물질이 아니다.
하지만 곧 우리가 세계의 양자적 본질과 마주하게 되면, 이 질문을 완전히 새로운 관점에서 다시 생각하게 될 것이다. 기타 줄을 퉁겼을 때 줄의 진동이 음파를 만들고, 이 음파가 방 안을 가로질러 우리 고막에 닿는다. 이때서야 비로소 듣는 과정이 시작된다. 음파는 고막을 진동시켜 달팽이관 액체에 파동을 일으키고, 이 파동은 청각 섬모(stereocilia)라는 미세한 털 모양의 구조에 의해 감지된다. 이후 섬모에서 발생한 전기 신호는 청각 신경을 따라 뇌로 전달되고, 뇌는 이 신호를 처리해 어떻게든 음악적 음색이라는 의식적 경험을 만들어낸다.
이 과정에서 우리의 귀와 뇌는 결코 기타와 직접적으로 접촉하지 않는다. 오직 우리의 외이도에 들어온 음파와만 관계를 맺을 뿐이다. 말하자면, 실제로 우리가 ‘듣는’ 것은 소리의 파동일 뿐이다. 마찬가지로 우리가 ‘보는’ 모든 것은 기타에서 반사되어 눈에 도달한 빛일 뿐이다. 우리는 이동하는 소리와 빛의 파동에 의존해 정보를 얻고, 눈과 귀로 이들 파동을 감지하며, 뇌가 그로부터 의미를 만들어낸다. 하지만 소리와 빛을 생성하거나 반사하는 물체 자체를 직접 듣거나 보는 것이 아니라 뇌가 물체의 존재를 추론할 뿐이다. 우리가 물체에 대해 아는 지식은 완전히 간접적인 것이다. 우리의 모든 감각 기관은 오직 정보가 우리 몸에 도달했을 때만 그 정보를 받아들인다. 그전에는 받아들이지 못한다. 이렇게 감각 기관이 받아들인 정보를 뇌가 해석하여 이를 바탕으로 주변 사물에 대한 어떤 개념을 얻고, 우리의 의식 속에 외부 세계의 모습을 그려낸다. 이렇게 그려진 그림을 우리는 마치 실재인 것처럼 생각하지만, 이 그림은 외부 세계를 부분적으로 재구성한 것이지 직접적인 이미지가 아니라는 사실을 인식하지 못하거나 잊고 지낸다. 우리가 주변 환경에 대해 알고 있는 모든 것은 간접적일 뿐만 아니라 불완전하다.
기묘하고 풍요로운 우주
우주를 구성하는 모든 물질은 눈에 보이지 않는 작은 입자들로 이루어져 있다. 양자물리학이 일상생활에 중요하다는 사실은 어쩌면 그리 놀랍지 않을 수도 있다. 왜냐하면 커다란 존재들은 본래 작은 것들로 이루어져 있기 때문이다. 정말 놀라운 것은 양자물리학이 담당하는 역할의 폭이다. 전자에서 광자에 이르기까지 파동입자는 모두 기본장의 양자이다. 양성자와 중성자는 쿼크 파동입자와 글루온 파동입자가 글루온장의 양자 불확정성에서 비롯된 피할 수 없는 힘에 의해 갇혀 있기 때문에 존재한다. 이들로부터 원자가 만들어지고, 우주 확실성 한계에 의해 붕괴되지 않는 것이다. 모든 생명이 의존하는 원자 화학의 풍요로움은 파동입자의 존재뿐만 아니라 ‘1 더하기 1은 0’이라는 동일한 페르미온의 기묘한 수학을 필요로 한다. 이처럼 특이한 페르미온 양자장의 수학은 고체나 불투과성 막처럼 작용하는 거시적 물체들의 안정성까지도 보장해준다. 그 덕분에 행성과 의자에서부터 피부, 혈관 벽에 이르기까지 다양한 구조가 안정적으로 존재할 수 있는 것이다. 상상할 수 없을 만큼 많은 수의 파동입자로 구성된 물체들로 둘러싸인 이 거대한 세계에서도 우리가 걷고, 차를 몰고, 책을 읽고, 먹고, 말하고, 자는 등 일상에서 하는 모든 활동은 단 한순간도 양자물리학의 영향을 벗어난 적이 없다.
이 우주가 지금의 모습을 갖게 된 것은, 물질을 구성하는 기본 입자들이 우주 제한 속도보다 느리게 움직이기 때문이었다. 만약 모든 것이 빛의 속도로 움직인다면, 그 우주는 “가장 우아한 우주다. 하지만 생명은 존재하지 않는다.” 우리가 사는 우주는 격렬하고, 혼란스럽고, 다양하며, 수많은 복잡성으로 가득하다. 우주는 결코 우아하지 않다. 우리는 우주라는 집에 거주하는 존재가 아니다. 우주라는 바다에서 헤엄치는 물고기도 아니다. 우리는 이 기묘한 우주라는 바다의 파도이다!
- 핵심 메시지
우리의 직관과 상식을 뛰어넘는 현대 물리학은 이 세상이 감각이 지각하는 것과는 전혀 다른 방식으로 작동함을 보여준다. 우주를 구성하는 물질은 파동의 기묘한 규칙에 따라 안정성을 유지하고 생명을 탄생시킨다. 이 책은 우리가 우주의 바다를 관찰하는 존재가 아니라, 그 바다의 일부이자 파도 그 자체라는 근본적인 진실을 깨닫게 한다.
- 추천 글
복잡한 우주의 비밀을 한 편의 드라마처럼 흥미진진하게 풀어낸 책이다. 과학적 지식이 없는 사람도 쉽게 이해할 수 있도록 일상적 비유를 통해 현대 물리학의 핵심을 짚어준다. 세상을 바라보는 관점을 송두리째 바꾸고, 삶과 우주의 연결고리를 발견하고 싶은 모든 이에게 이 책을 추천한다.
