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암흑 물질과 공룡 - 우주를 지배하는 제5의 힘

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작성자 천우글로벌 댓글 0건 조회 955회 작성일 16-08-05 09:31

본문

암흑 물질과 공룡 - 우주를 지배하는 제5의 힘

6600만 년 전, 공룡을 멸종시킨 것은 암흑 물질이었다!
노벨 물리학상에 가장 근접한 여성 물리학자
‘물리학의 여신’ 리사 랜들이 제안하는 우주론과 생명 과학의 새로운 융합!

영화 「인터스텔라」의 자문 과학자 킵 손 추천
전 세계 과학계를 진감시킨 최신 연구의 긴급 단행본화!

“현대 과학의 폭넓은 영역들에 대해서, 그리고 그것들 사이의 놀라운 상호 연결성에 대해서 야심 차고 명료한 서술을 시도한 책. 과학 글쓰기의 걸작이다. 과학 연구의 속성을 조명하는 한편, 우주를 메운 암흑 물질의 뜻밖의 성질이 우리 자신의 존재와 연결되어 있을지도 모른다는 가설을 설명한 탐정 이야기이다. 대단히 즐겁게 읽었으며, 새롭고 흥미로운 발상을 잔뜩 얻었다.”
-킵 손(칼텍의 이론 물리학 명예 교수, 파인만 석좌 교수,
『블랙홀과 시간굴절』, 『인터스텔라의 과학』의 저자)

6600만 년 전 공룡을 멸종시킨 것은 암흑 물질이었다!

베스트셀러 과학 논픽션 『숨겨진 우주』와 『천국의 문을 두드리며』의 작가이자 현재 세계에서 가장 영향력 있고 가장 많이 인용되는 입자 물리학 논문의 저자이기도 한 물리학자인 리사 랜들은 이 책에서 다시 한번 놀라운 필력을 발휘해 독자들을 환상적인 과학의 세계로 안내한다. 이 책은 탐색 방법조차 아직 분명치 않은 암흑 물질과 수천만 년 전에 갑자기 일어난 공룡 멸종의 수수께끼를 하나로 엮으면서 우주의 역사와 생명과 인류의 역사에 감춰진 충격적인 비밀에 도전한다.
6600만 년 전, 도시 하나만 한 천체가 우주에서 지구로 쿵 떨어졌다. 그것 때문에 발생한 격변으로 공룡들이 죽었고, 당시 지구에 살던 모든 생물종의 4분의 3도 죽었다. 그런데 그 천체는 어디에서 온 것이었을까? 랜들의 가설은 이렇다. 그것은 혜성이었는데, 혜성이 원래의 궤도에서 이탈한 것은 태양계가 우리 은하의 은하면 속에 담긴 암흑 물질의 원반을 통과하느라 교란을 겪었기 때문이다. 우주론적 연구와 진화 생물학적 연구를 융합하는 랜들의 연구는 암흑 물질의 구성 물질과 성질만 추정하고 마는 기존 연구에 도전하며, 나아가 과학자들이 새로운 아이디어를 만들어 내고 확인해 나가는 과정을 보여 준다. 랜들의 연구에 따르면 어떤 의미에서는 암흑 물질이 공룡들을 죽였다고 말해도 될지 모른다.

암흑 물질을 둘러싼 최첨단 우주론 연구와
공룡 멸종의 수수께끼를 한데 엮은 충격적 과학 논픽션

랜들은 독특하고도 광범위한 관점으로 암흑 물질을 지구의 역사와 연결 짓는다. 대중 문화와 사회 정치적 관점도 끌어들이면서 암흑 물질, 우주, 우리 은하, 소행성들, 혜성들, 지구와 천체의 충돌에 관한 최신 발견들을 - 사실로 확인된 것뿐 아니라 추측 단계인 것도 - 소개한다. 또한 생명의 진화와 멸종에 관한 최신 발견들도 소개한다. 랜들은 지구의 운명이 우주의 조성과 긴밀하게 연결되어 있다는 것을 똑똑히 보여 주며, 수십억 년에 걸쳐 진화한 우주 속 우리의 존재가 사실은 아주 취약한 것일지도 모른다는 사실도 보여 준다.
우리를 둘러싼 우주 환경을 탐사하는 이 기발하고 신선한 책에서, 랜들 교수는 우주의 기막힌 사연 밑에 깔린 우리 세상의 과학을 설명한다. 이 이야기에서는 작은 것과 큰 것이, 눈에 보이는 것과 숨은 것이 서로 긴밀하게 연결되어 있다. 이 책은 우리 세상에 중요한 의미를 띠는 심오한 관계들을 조명할 뿐 아니라 우리를 둘러싼 모든 구조들과 관계들의 놀라운 아름다움을 깨닫게 한다. 일단 이 책을 읽은 사람은 지구와 밤하늘을 두 번 다시 예전과 같은 방식으로 바라볼 수 없을 것이다.

21세기는 리사 랜들의 세기가 될 것이다!
-빌 클린턴(전 미국 대통령)

킵 손과 리처드 도킨스에서 빌 클린턴와 일론 머스크까지
과학자와 정재계 인사들이 동시에 추천하는 단 한 사람의 물리학자

⊙ 《타임》선정 “전 세계에서 가장 영향력 있는 인물 100”
⊙ 이론 물리학 역사상 최다 인용 논문 저자
⊙ 노벨 물리학상에 가장 가까운 여성 물리학자

리사 랜들은 마치 마주보고 있는 사람에게 이야기하는 것처럼 위트 넘치는 스타일로 물리학의 복잡한 아이디어들을 매력적으로, 그리고 알기 쉽게 서술하고 있다. 이 책은 현대 물리학의 최근 발전 경과를 문화적 이슈와 공공 정책적 이슈와 엮어 설명하고 있다. 이 책의 설명을 따라가다 보면 여러분의 생각은 그 근저부터 바뀌어 버리게 될 것이다. 그리고 이 세계와 관련해서 여러분이 더 현명하게 선택할 수 있도록 자극할 것이다. -빌 클린턴(전 미국 대통령)

과학이란 미신과 무지, 또는 사이비 지식인들이 유포하는 반계몽주의에 대항해 마음과 정신을 무기 삼아 도전하는 것이다. 최고 수준의 과학과 명석함 그리고 매력이 한데 어우러져 있는 리사 랜들이 우리 편이라는 사실에 내가 얼마나 감사하는지 모를 것이다. -리처드 도킨스(『이기적 유전자』, 『신은 망상이다』 저자)

이론 물리학자 리사 랜들은 하버드 대학교와 MIT 물리학과에서 여성으로서는 처음으로 종신 교수직을 획득한 것으로 유명하다. 학문적으로는 끈 이론과 위상 수학에서 고안된 개념들을 응용해 비틀린 여분 차원 물리학을 창시한 것으로 이름 높다. 1962년 생으로 10여 년 전 세기의 전환기인 1999년에 라만 선드럼 박사와 함께 「비틀린 여분 차원(Warped extra dimensions)」이라는 논문을 발표해 전 세계 물리학계를 진감(震?)시켰다. 이 논문은 추상적이기만 해 검증하는 게 불가능할 것이라 여겨졌던 끈 이론의 연구 성과들 중 일부를 실험적으로 검증 가능한 것으로 만들어 주었고, 물리학의 미래를 모색하는 과학자들의 주목을 받아 21세기 들어 가장 많이 인용되는 이론 물리학 논문이 되었다. 그 결과 리사 랜들은 현세기 전 세계에서 가장 영향력 있는 이론 물리학자 중 한 사람이 되었다.
그녀가 제안한 여분 차원 이론은 ‘랜들-선드럼 모형’으로 불리며 현대 이론 물리학의 여러 난제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있으며 스위스 제네바에서 가동되고 있는 LHC에서 새로운 실험들을 설계하는 데 지침이 되고 있다. 랜들은 이뿐만이 아니라, 급팽창 우주론, 초대칭성 이론, 대통일 이론, 끈 이론 등에 공헌하고 있다. 이런 업적으로 미국 물리학회에서는 랜들에게 ‘최다 인용 논문상’을 수여했고, 앨프리드 슬론 재단 연구상 등 유수의 학술 연구 관련 상들을 휩쓸었고, 지성의 전당이라 할 미국 과학 아카데미, 아메리카 철학회 등의 학술 기관에서 정회원으로 활동하고 있다.
《피직스 레터스》, 《네이처》, 《사이언스》 같은 전문 학술지는 물론이고 《디스커버리》, 《이코노미스트》, 《뉴스위크》, 《사이언티픽 아메리칸》 등 다양한 과학 언론에서 그녀의 업적을 거론하고 있고, 《시드 매거진》, 《뉴스위크》, 《롤링 스톤》,《타임》 등의 매체들이 ‘세계에서 가장 영향력 있는 100명’ 같은 타이틀을 붙여 그녀의 업적과 위상을 조명하기도 했다.
첫 번째 책인 『숨겨진 우주: 비틀린 5차원 시공간과 여분 차원의 비밀을 찾아서(Warped Passages)』과 두 번째 책인 『천국의 문을 두드리며(Knocking on Heaven's Door)』는 서구는 물론, 우리나라와 일본 등 30여 개국에서 번역 출간되어 전 세계 과학 독서계의 베스트셀러가 되었다.《뉴욕 타임스》를 비롯한 다양한 매체에서 ‘올해의 책’으로 선정하기도 했다.
여성으로서 MIT와 하버드 물리학과의 첫 종신 교수가 된 리사 랜들은 학문 연구 외에도 다양한 대중 활동을 하면서 여성들의 과학계 진출을 적극 지원하고 있다. 리사 랜들은 오는 6월 12일 고려대학교에서 열리는 NPKI(New Physics @ Korea Institute, http://www.npki.org/) 학회에 참석차 방한하는데 이때에도 과학 강연 외에 대중 강연과 행사로 여성 과학도들의 사회 진출을 고취시킬 수 있는 준비를 하고 있다.

· NPKI(New Physics @ Korea Institute, http://www.npki.org/)는 고려대학교 물리학과의 이승준 교수 등 한국의 젊은 이론 물리학자들과 코넬대학교 물리학과의 차바 차키(Csaba Csaki) 등의 세계적인 소장 물리학자들이 주축이 되어 연 1회 진행하는 이론 물리학 학회로 이번에 3회를 맞이한다. CERN, DESY, FERMILAB 등의 세계 유수의 물리학 기관들의 대표 연구자들은 물론이고 세계 각국의 물리학 연구 거점 대학들의 연구자들이 모여 열띤 물리학 토론을 펼치고 있는, 세계적으로도 주목받고 있는 학회이다. 일반인이 참석할 수 있는 대중 강연이나 과학 지망 영재들을 위한 특별 행사도 기획하는 등 이론 물리학의 대중화를 위해서도 노력하고 있다. 올해의 주제는 “LHC 2차 가동에서 나온 첫 번째 결과들에 대한 고찰(The lesson from the first results of Run 2 of the LHC)”이다. 리사 랜들의 대중 강연 등 다양한 학술 행사가 기획되어 있다.

『암흑 물질과 공룡』 서문
우주와 우리는 암흑 물질로 연결되어 있다!

“암흑 물질”과 “공룡”은 좀처럼 함께 이야기되지 않는 것들이다. 놀이터나 판타지게임 클럽이나 아직 개봉되지 않은 스티븐 스필버그의 영화 같은 데서를 제외하고는. 암흑 물질은 우주에 존재하는 수수께끼의 물질로, 보통 물질처럼 중력을 통해서 상호 작용하지만 빛을 방출하거나 흡수하지는 않는다. 천문학자들은 암흑 물질의 중력이 미치는 영향을 감지할 수 있지만 그것을 말 그대로 보지는 못한다. 한편 공룡은… 공룡을 설명할 필요가 있을까. 공룡은 2억 3000만 년 전부터 6600만 년 전까지 육상을 지배했던 척추동물이다.
암흑 물질과 공룡은 둘 다 환상적이지만, 우리 눈에 안 보이는 물리적 물질과 인기 많은 생물학적 아이콘은 서로 아무 관계가 없다고 생각하는 게 아마도 합리적인 가정일 것이다. 정말로 그럴지도 모른다. 그러나 우주는 정의상 하나의 개체이며, 그 구성 요소들은 이론적으로 모두 상호 작용한다. 이 책은 나와 동료들이 제안한 추측 단계의 시나리오를 하나 소개할 텐데, 그 시나리오에서 우리는 암흑 물질이 궁극적으로 (그리고 간접적으로) 공룡의 멸종에 책임이 있을지도 모른다고 주장한다.
고생물학자들, 지질학자들, 물리학자들이 밝혀낸 바에 따르면, 6600만 년 전에 폭이 최소 10킬로미터는 되는 천체가 우주에서 지구로 곤두박질쳐서 육상 공룡을 모두 죽였다. 더불어 지구에 살던 모든 생물종의 4분의 3을 죽였다. 천체는 태양계 외곽에서 온 혜성이었을 수도 있지만, 왜 혜성이 약하게나마 안정되게 묶여 있었던 원래 궤도에서 이탈했는지는 아무도 모른다.
우리 가설은 이렇다. 태양이 우리 은하의 중간면을 통과하는 동안 - 은하수, 즉 맑은 밤하늘에서 볼 수 있는 별들과 밝은 먼지의 띠 말이다. - 태양계는 암흑 물질로 이뤄진 원반을 만난다. 그 원반이 태양으로부터 멀리 있는 천체를 이탈시킴으로써 재앙과도 같은 충돌을 촉발하는 것이다. 우리 은하 주변에도 많은 양의 암흑 물질이 엄청나게 매끄럽고 희박한 구형의 헤일로를 이루어 우리를 둘러싸고 있다.
그러나 공룡의 종말을 야기한 암흑 물질은 우주에 존재하는 대부분의 암흑 물질과는 전혀 다른 형태로 분포되어 있을 것이다. 새로운 종류의 이 암흑 물질은 헤일로를 지금대로 가만히 놔두겠지만, 기존 암흑 물질과는 다른 상호 작용을 겪기 때문에 우리 은하 중간면 속에서 원반 형태로 응집할 것이다. 이 얇은 영역은 밀도가 아주 높을 수 있다. 그래서 태양계가 그것을 통과할 때, 즉 태양이 은하를 공전하는 궤도를 돌면서 위아래로 진동할 때, 원반의 중력이 미치는 영향이 이례적으로 강할 것이다. 원반의 중력이 끌어당기는 힘이 워낙 강해서 태양계 외곽의 혜성들을 제 궤도에서 이탈시킬 수도 있을 것이다. 그곳에서는 그 힘에 대항하여 태양이 천체들의 고삐를 쥐고 단속하는 힘이 아주 약하기 때문이다. 그래서 길을 벗어난 혜성은 태양계에서 쫓겨날 수도 있고 - 그보다 더 중대한 경우인데 - 안쪽 태양계를 향해 달려오는 새로운 궤도를 취할 수도 있다. 그러다가 지구에 부딪힐 가능성도 있을 것이다.
처음부터 솔직히 밝혀두는데, 나는 이 발상이 옳은지를 아직은 모른다. 암흑 물질 중에서도 살아 있는 생명들에게 (굳이 따지자면 지금은 더 이상 살아 있지 않은 생명들이지만) 측정 가능한 영향을 미칠 수 있는 것은 우리가 지금까지 예상하지 못했던 새로운 종류의 암흑 물질뿐이다. 이 책은 그런 놀랍고 영향력 큰 암흑 물질에 관한 파격적인 가설이다.
하지만 이런 추론들이 - 도발적이기는 하지만 - 책의 주된 초점은 아니다. 공룡을 멸종시킨 혜성 이야기 못지않게 중요한 것은 그 이야기를 둘러싼 맥락과 과학이다. 거기에는 학문적 틀이 훨씬 더 잘 확립된 우주론과 태양계 연구가 포함된다. 나는 내가 연구하는 주제 때문에 자주 거창한 질문들로 이끌리게 된다는 점을 행운으로 여긴다. 이를테면 이런 질문들이다. 물질은 무엇으로 만들어졌을까? 우주와 시간은 어떤 성질을 갖고 있을까? 우리가 오늘날 보는 우주의 모든 것은 어떻게 진화하여 세상에 나오게 되었을까? 이 책에서 그런 질문들을 많이 나눌 수 있기를 바란다.
앞으로 소개할 연구를 위해서 공부하던 중, 나는 우주론, 천체 물리학, 지질학, 심지어 생물학에 대해서까지 폭넓게 생각하게 되었다. 초점은 여전히 기본 물리학에 있다. 그러나 나는 평생 좀 더 통상적인 입자 물리학을 연구해온 터라, - 여러분이 이 글을 읽고 있는 종이나 화면과 같은 친숙한 물질을 구성하는 기본 단위들을 연구하는 분야이다. - 암흑 세상에 대해서 무엇이 알려져 있는지를 - 또한 무엇이 곧 알려질 것인지를 - 살펴보는 게 신선하게 느껴졌다. 태양계와 지구의 기본적인 물리적 과정들이 갖고 있는 의미에 대해서도 마찬가지였다.
이 책은 우주, 우리 은하, 태양계에 대해서 우리가 현재 아는 내용을 설명하고, 생명이 거주 가능한 환경이 조성되고 지구에 생명이 존재하려면 어떤 조건이 갖춰져야 하는지에 대해서도 이야기한다. 암흑 물질과 우주를 토론하겠지만 혜성, 소행성, 생명의 출현과 멸종도 파고들 것이다. 하늘에서 지구로 떨어져 육상 공룡뿐 아니라 지상의 수많은 생명들을 죽였던 천체에 특별히 집중하면서. 이 책이 우리 존재를 가능하게 만들어준 여러 놀라운 관계들을 잘 소개하여, 오늘날 벌어지고 있는 일들에 대해서도 여러분이 좀 더 의미 깊게 이해할 수 있도록 돕는다면 좋겠다. 현재의 우리 행성을 생각할 때 그것이 발달한 맥락을 더 잘 이해한다면 좋지 않겠는가.
이 책의 착상에 토대가 되는 개념들에 집중하기 시작했을 때 나는 경외감과 매혹에 사로잡히지 않을 수 없었다. 우리가 환경에 대해서 - 지역적, 태양계, 은하, 우주적 환경 모두 - 알고 있는 내용 때문만은 아니었다. 우연히 부여받은 작은 횃대나 다름없는 지구에 앉은 우리가 궁극적으로 얼마나 많은 것을 더 이해하기를 바라는가 하는 것 때문이기도 했다. 또한 우리가 여기 존재할 수 있도록 허락해준 여러 현상들 사이의 많은 관계들을 깨닫고는 압도되는 기분이 들었다. 분명히 밝히자면, 내 관점은 종교적인 것이 아니다. 나는 여기에 어떤 목적이나 의미를 부여할 필요를 느끼지 않는다. 그러나 그런 나도 우주의 방대함, 우리의 과거, 그리고 그것들이 어떻게 잘 들어맞는가를 더 깊이 이해할수록 사람들이 흔히 종교적 감정이라고 말하는 감정을 느끼지 않을 수 없었다. 그런 감정은 누구에게든 일상의 어리석음을 관조하게 하는 관점을 제공한다.
나는 이 새로운 연구 덕분에 세상을, 그리고 지구를 탄생시킨 우주의 많은 요소들을, 또한 우리 자신을 새롭게 바라보게 되었다. 퀸스 출신인 나는 뉴욕의 인상적인 건물들을 많이 보면서 자랐지만 자연은 그다지 많이 보지 못했다. 그나마 접했던 자연이란 공원이나 잔디밭으로 가꿔진 것이어서, 인간이 도착하기 전의 형태는 거의 간직하지 않은 것들이었다. 하지만 우리가 해변을 걸을 때, 우리는 사실 곱게 갈린 생물체들 위를 걷는 셈이다. 그 생물들의 보호용 외피 위를. 우리가 해변이나 시골에서 보는 석회암 절벽도 수백만 년 전 과거에 살았던 생물들로부터 만들어졌다. 산맥은 지각판들이 충돌하는 과정에서 솟아올랐고, 그 움직임을 추진한 녹은 마그마는 지구 핵 근처에 묻힌 방사성 물질이 만들어냈다. 우리가 가진 에너지는 태양에서 벌어지는 핵반응에서 왔다. 최초의 핵반응이 벌어진 이래 그 에너지가 다양한 방식으로 변형되고 저장되었지만 말이다. 우리가 사용하는 자원 중에는 우주에서 온 무거운 원소들이 많다. 소행성이나 혜성이 지표면에 떨어뜨려준 것들이다. 아미노산 중에도 운석이 가져다준 것이 있는데, 어쩌면 그런 운석이 지구에 생명 혹은 생명의 씨앗을 가져다주었는지도 모른다. 그리고 이 모든 일이 벌어지기 전에, 암흑 물질이 붕괴하여 덩어리를 이룸으로써 그 중력으로 더 많은 물질을 끌어들였고 그 덩어리가 결국 은하, 은하단, 태양과 같은 별들로 바뀌었다. 보통 물질은 - 우리에게는 중요해도 - 이야기의 전부가 아니다.
우리는 자족적인 환경에 둘러싸여 살아가고 있다고 착각하기 쉽지만, 그래도 매일 동틀 녘과 저녁에 달과 더 먼 별들이 시야에 들어오면 우주에는 우리 행성만 있는 게 아니라는 사실을 새삼 상기한다. 별들과 성운들은 우리가 훨씬 더 큰 우주에 담긴 한 은하에 담긴 존재라는 것을 보여 주는 증거이다. 지구는 태양을 공전하는 궤도를 도는데, 그 때문에 생기는 계절들은 태양계 속에서 우리가 어느 방향과 위치에 있는지를 상기시킨다. 우리가 시간을 일과 년으로 재는 것도 환경이 우리에게 얼마나 중요한지를 보여 주는 증거이다.

***

이 책으로 이어진 연구와 독서를 하면서, 내가 여러분과 나누고 싶은 인상적인 교훈이 네 가지 두드러진다고 느꼈다. 내가 개인적으로 소중하게 느끼는 것은 우주의 여러 조각들이 다양하고 놀라운 방식으로 연결되어 있다는 것을 이해한 데서 얻은 만족감이다. 가장 근본적인 차원에서 최대의 교훈은 기본 입자들의 물리학, 우주의 물리학, 생명의 생물학이 모두 연관되어 있다는 사실이다. 어떤 뉴에이지 풍 의미에서 그런 게 아니라, 우리가 이해할 만한 가치가 충분한 놀라운 방식들을 통해서다.
우주에서 날아온 물질은 끊임없이 지구를 때린다. 그러나 지구는 주변 환경과 애증 관계를 맺고 있다. 지구는 우리를 둘러싼 것들로부터 혜택을 입지만, 그것들은 대부분 치명적이기도 하다. 지구의 위치는 우리에게 적당한 온도를 허락해주고, 외행성들은 안으로 날아오는 소행성들과 혜성들의 방향을 꺾어서 지구와 충돌하지 않도록 만들어주고, 달과 지구의 거리는 우리 궤도를 안정시켜 극심한 온도 변화를 막아주기에 알맞은 정도이며, 바깥 태양계는 위험한 우주선으로부터 우리를 막아준다. 지구로 떨어진 유성체들은 생명에 긴요한 자원을 가져다주었을지도 모르지만, 좀 더 유해한 방식으로도 생명의 궤적에 영향을 미쳤다. 최소한 그런 천체 하나가 6600만 년 전에 생명을 초토화한 멸종을 일으켰다는 것만큼은 분명하다. 그 천체는 땅에 살던 공룡을 싹 쓸어버렸지만, 우리를 포함한 대형 포유류가 득세할 수 있는 길을 열어주었다.
두 번째 교훈은 - 이 또한 인상적이다. - 내가 이야기할 과학적 발전들 중에서 최근에 이뤄진 것이 아주 많다는 점이다. 어쩌면 인류 역사에서 어느 시점이든 다음과 같은 발언을 할 수 있을지도 모르겠지만, 그렇다고 해서 이 말의 타당성이 약화되는 것은 아니다. 무엇인가 하면, 우리의 지식은 지난 [여기에 맥락에 맞는 숫자를 집어넣으라]년 동안 어마어마하게 발전했다는 것이다. 내가 소개할 연구에서라면 이 숫자는 50년도 안 된다. 나는 스스로 연구를 수행하고 다른 사람들의 연구를 읽으면서, 최근 발견들 중 새롭고 혁명적인 것이 얼마나 많은지 깨닫고 끊임없이 놀랐다. 과학자들은 우리가 세상에 대해서 알아낸 것들, 자주 놀랍고 늘 흥미롭고 가끔 무서운 것들을 과학 안으로 받아들이려고 노력할 때 끊임없는 창의성과 집요함을 발휘해왔다. 이 책에 소개된 과학은 더 넓은 역사의 일부이다. 더 넓은 역사란 초점을 우주에 맞추느냐 태양계에 맞추느냐에 따라 138억 년이 될 수도 있고 46억 년이 될 수도 있다. 그러나 인간이 이런 발상들을 해명해온 역사는 고작 한 세기 남짓이었다.
공룡은 6600만 년 전에 멸종했지만, 고생물학자들과 지질학자들이 멸종의 속성을 유추해낸 것은 1970년대와 1980년대 들어서였다. 일단 유효한 가설들이 제기되자, 과학계가 그것들을 좀 더 온전하게 평가할 수 있게 되기까지는 그로부터 몇 십 년밖에 걸리지 않았다. 게다가 그 시기는 완벽한 우연이라고만은 할 수 없었다. 때마침 우주인들이 달에 착륙하여 크레이터를 가까이에서 보게 되었고, 그러자 멸종과 외계 천체의 연관성이 좀 더 믿을 만하게 느껴졌던 것이다. 달의 크레이터들은 태양계의 역동성을 잘 보여 주는 증거였다.
지난 50년 동안, 입자 물리학과 우주론의 중요한 발전들은 우리에게 표준 모형에 대해서 자세히 알려주었다. 표준 모형이란 물질의 기본 구성 요소들을 오늘날 우리가 이해하는 대로 묘사한 모형이다. 우주에 존재하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 양이 밝혀진 것도 불과 20세기 마지막 몇 십 년 동안이었다. 그 기간 중에 태양계에 대한 지식도 많이 변했다. 과학자들이 명왕성 근처에서 카이퍼대 천체들을 발견하여 명왕성이 혼자 외롭게 궤도를 도는 것이 아님을 확인한 것은 1990년대였다. 그 때문에 행성의 개수가 줄었지만, 그것은 여러분이 대학원에서 배웠을지도 모르는 과학이 지금은 좀 더 풍성해지고 복잡해졌기 때문이다.
세 번째 중요한 교훈은 변화 속도에 관한 것이다. 자연선택은 종들이 진화할 시간이 있을 때는 적응을 허락한다. 하지만 그런 적응은 극단적인 변화까지 아우르지는 못한다. 그러기에는 너무 느리게 벌어지기 때문이다. 공룡들은 지구를 때릴 폭 10킬로미터의 유성체에 어떤 대비도 할 수 없었다. 그들은 적응할 수 없었다. 땅에 꼼짝없이 붙박힌 것들, 덩치가 커서 땅속으로 파고들 수 없는 것들은 살아남기 위해서 도망칠 곳이 없었다.
새로운 발상이나 기술이 등장할 때는 대개 파국적 변화냐 점진적 변화냐 하는 토론도 중요한 역할을 했다. 대부분의 새로운 발달을 - 과학적 발전이든 다른 분야의 발전이든 - 이해하는 열쇠는 그 발달에 따르는 과정들의 속도이다. 사람들은 어떤 발달이, 가령 유전학 연구나 인터넷에서 유래한 발전이 유례없이 드라마틱하다는 말을 자주 쓴다. 그러나 이것은 완벽하게 옳은 말은 아니다. 수백 년 전에 사람들이 질병이나 순환계를 좀 더 잘 이해하게 되었던 사건도 오늘날의 유전학 못지않은 변화를 가져왔다. 문자언어와 이후 인쇄기의 도입이 지식을 획득하고 사고하는 방식에 미쳤던 영향은 인터넷이 촉발한 영향 못지않게 중요했다.
이런 발달들이 그랬던 것처럼, 현재의 변화에서도 급속함은 아주 중요한 요소이다. 이 주제는 과학의 과정들에 대해서만이 아니라 환경적, 사회적 변화들에 대해서도 유효하다. 유성체가 일으킬 파괴는 현재 우리에게 그다지 중요한 관심사가 아닐 수 있지만, 환경 변화와 멸종 속도가 갈수록 빨라지는 현실은 중요한 문제일 가능성이 높다. 그리고 그 충격은 여러 면에서 유성체의 충격에 비길 만할 것이다. 이 책에 숨겨졌다고도 할 수 없을 만큼 버젓이 드러난 또 하나의 의제는 우리가 현재에 도달하게 된 놀라운 과정을 더 깊이 이해하도록 돕는 데서 그치지 않고 나아가 그 지식을 현명하게 사용하도록 격려하려는 것이다.
그렇기는 해도, 네 번째 중요한 교훈은 바로 숨어 있는 세상의 구성 요소들과 그 발달 과정을 묘사할 줄 아는 과학의 놀라운 능력이다. 그리고 우리가 우주를 얼마나 더 많이 이해하기를 바랄 수 있는가 하는 것이다. 요즘 우리가 가 닿을 수 없는 다른 우주들을 뜻하는 다중우주 개념에 반한 사람이 많다. 그러나 역시 숨어 있으되 우리가 탐사하고 좀 더 알아낼 기회가 있는 세상들도 - 생물학적 세상이든 물리적 세상이든 - 그 못지않게 환상적이다. 이 책에서 나는 우리가 아는 것에 대해서 고찰하는 일이 얼마나 큰 영감을 주는지를 여러분에게 설명할 수 있었으면 한다. 미래에 알아낼 수 있으리라 기대하거나 희망하는 것들에 대해서도 물론이다.

***

책은 우주론을 설명하는 것으로 시작한다. 우주론은 우주가 어떻게 현재 상태로 진화했는가를 알아내는 과학이다. 1부에서는 빅뱅 이론, 우주 급팽창 이론, 우주의 조성을 소개하겠다. 또한 암흑 물질을 설명할 것이고, 우리가 어떻게 그 존재를 확신하는지, 왜 그것이 우주의 구조에 관계되어 있는지도 설명하겠다.
암흑 물질은 우주에 있는 전체 물질의 85퍼센트를 차지하는 데 비해 보통 물질은 - 별, 기체, 인간에 포함되어 있는 물질이다. - 겨우 15퍼센트를 차지한다. 그러나 사람들은 주로 보통 물질의 존재와 관련성에만 관심을 쏟는다. 공정하게 밝히자면, 보통 물질이 훨씬 더 강한 상호 작용을 하는 것은 사실이다.
그러나 인간 사회의 경우와 마찬가지로, 상대적으로 영향력이 큰 소수에게만 관심을 몽땅 쏟는 것은 합리적이지 않다. 우리가 보고 느낄 수 있는 물질, 우위를 차지하는 15퍼센트의 물질은 이야기의 일부일 뿐이다. 따라서 나는 암흑 물질이 우주에서 맡은 중대한 역할과 - 초기 우주의 무정형 플라스마에서 형성된 은하들과 은하단들 양쪽 모두에 영향을 미쳤다 - 오늘날 천문학적 구조들의 안정성을 유지하는 데서 맡은 역할을 설명할 것이다.
2부는 시선을 좁혀 태양계를 살펴본다. 물론 태양계 하나만으로도 백과사전까지는 아니라도 보통의 책 한 권을 통째 할애할 만한 소재일 것이다. 따라서 나는 공룡과 관계 있을지도 모르는 요소들에만 초점을 맞추겠다. 유성체, 소행성, 혜성이다. 우리가 알기로 과거에 지구를 때렸던 천체들을 이야기할 것이고, 앞으로 지구를 때릴지도 모른다고 생각되는 천체들도 이야기할 것이다. 그리고 멸종 혹은 유성체 충돌이 대략 3000만 년의 간격으로 주기적으로 발생했다는 가설을 뒷받침하는 증거를 살펴볼 텐데, 그런 증거는 빈약하기는 해도 그냥 기각해버릴 만한 것은 아니다. 2부에서는 또 생명의 형성과 파괴에 대해서 이야기할 것이다. 공룡을 죽였던 처참한 사건을 비롯하여 다섯 번의 대량 멸종에 관해서 우리가 아는 바를 검토해 볼 것이다.
마지막 3부는 1부와 2부에서 소개했던 개념들을 통합할 텐데, 우선 암흑 물질 모형들에 관한 이야기로 시작할 것이다. 암흑 물질의 정체를 추측하는 여러 가설들 중에서도 좀 더 친숙한 모형들을 먼저 설명하고, 그다음에 새로운 가설을 소개하겠다. 위에서도 잠시 언급했던 상호 작용하는 암흑 물질 가설이다.
현재로서 우리가 아는 바는 암흑 물질과 보통 물질이 중력으로 상호 작용한다는 것뿐이다. 중력의 영향은 일반적으로 아주 미미하기 때문에, 우리는 막대한 질량이 미치는 중력의 영향만을 - 가령 지구나 태양의 중력만을 - 알아차릴 수 있다. 그조차도 상당히 약한 편이다. 우리가 작은 자석만으로도 온 지구가 미치는 중력을 성공적으로 이겨내고 클립을 집어올릴 수 있지 않은가.
그러나 어쩌면 암흑 물질은 다른 힘들도 경험할지 모른다. 우리의 새로운 모형은 우리가 친숙한 보통 물질이 여러 힘들을 통해 상호 작용한다는 점에서 - 가령 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력 - 특별하다고 보는 가정에 - 그리고 편견에 - 도전한다. 기존 물질의 이런 힘들은 중력보다 훨씬 강하고 세상의 흥미로운 속성들 중 많은 것을 설명해주는 게 사실이다. 하지만 암흑 물질 중 일부도 중력이 아닌 다른 상호 작용을 겪는다면 어떨까? 만일 그렇다면, 암흑 물질의 힘은 기본 물질과 거시 현상의 관련성을 보여 주는 극적인 증거로 이어질 수도 있다. 그 관계는 우리가 이미 아는 관계들보다 더 깊은 차원이다.
우주의 거의 모든 것은 이론적으로 서로 상호 작용한다. 대부분의 상호 작용은 너무 약해서 우리가 쉽게 알아차릴 수 없지만 말이다. 우리는 감지 가능한 방식으로 우리에게 영향을 미치는 것만을 관찰할 수 있다. 무언가가 미미한 영향만을 발휘하고 또 겪는다면, 그것이 우리 코앞에 있더라도 우리는 눈치 채지 못할 수 있다. 개별 암흑 물질 입자들이 - 아마도 우리 주변 어디에나 존재함에도 불구하고 - 지금까지 우리에게 발견되지 않은 것은 그 때문일 것이다.
3부는 우리가 암흑 물질에 대해서 좀 더 폭넓게 생각함으로써 - 즉, 우리 우주는 이토록 복잡한데 암흑 우주는 꼭 단순해야만 하는가 하고 물어봄으로써 - 몇몇 새로운 가능성을 고려하게 된 과정을 설명할 것이다. 어쩌면 암흑 물질 중 일부는 자신들만의 힘을 겪을지도 모른다. 원한다면 그 힘을 암흑 빛이라고 불러도 좋겠다. 그 경우 대부분의 암흑 물질은 상대적으로 영향력이 미미한 85퍼센트에 해당하는 데 비해, 우리가 새로 제안한 암흑 물질은 상층으로 진출하는 중간 계급에 가깝다고 할 수 있을 것이다. 보통 물질과 비슷한 상호 작용을 할 줄 알기 때문이다. 새로 추가된 그 상호 작용은 은하의 조성에 영향을 미칠 것이고, 새로운 암흑 물질 종류로 하여금 보통 물질의 영역에 있는 별들과 다른 천체들의 움직임에 영향을 미치도록 해줄 것이다.
앞으로 5년 동안, 우리는 위성 관측을 통해서 은하의 형태, 조성, 성질을 과거 어느 때보다 자세히 측정할 것이다. 그 결과는 우리 은하의 환경에 대해서 많은 것을 알려줄 것이고, 내가 이 책에서 제시한 추측이 사실인지 아닌지도 확인해줄 것이다. 그렇게 관측 가능한 영향이 있다는 것은 곧 암흑 물질의 개념과 그에 대한 우리의 모형이 충분히 탐구할 가치가 있는 타당한 과학이라는 뜻이다. 암흑 물질이 비록 여러분과 나를 구성하는 물질은 아니지만 말이다. 우리 모형에서 따라나오는 결과에는 유성체 충돌도 포함될지 모른다. 그리고 그런 충돌 사건 중 하나는 이 책의 제목이 암시하듯이 암흑 물질과 공룡의 멸종을 잇는 고리였을 수도 있다.
이런 현상들을 하나로 잇는 배경 지식들과 개념들이 보여 주는 우주는 더없이 광활한 삼차원 우주다. 이 책의 목표는 그런 발상들을 여러분과 나누는 것, 그래서 여러분이 세상의 놀라운 풍요로움을 탐구하고 음미하고 지지하도록 장려하는 것이다.

여분 차원의 물리학에서 암흑 물질과 지구 생명의 미래까지
물리학과 생명 과학, 그리고 천문학과 지구 과학을 아우르는
리사 랜들의 광대한 지적 전망

“세계적 명성의 물리학자 리사 랜들은 세상에서 가장 오래되고 불가사의한 살인 사건, 즉 공룡들의 죽음에 대해서 신선한 시각을 제공한다. 생기 넘치는 문장과 놀랍도록 쉬운 설명으로, 그 죽음에 궁극적인 책임이 있을지도 모르는 새로운 용의자를 설득력 있게 고발한다. 그것은 바로 새로운 종류의 암흑 물질이다.”
-맥스 테그마크(물리학자, 『우리의 수학적 우주』의 저자)

“공룡에서 DNA, 혜성, 암흑 물질, 나아가 우리 종의 과거와 미래까지 이토록 스릴 넘치는 과학 여행을 안내할 수 있는 사람은 리사 랜들뿐이다. 랜들의 연구는 아주 철저하고, 이야기는 아주 강력하며, 이야기하는 방식은 내가 손에서 책을 내려놓을 수 없었을 정도로 설득력 있다.”
-싯다르타 무케르지(의사, 『암: 만병의 황제의 역사』의 저자)

“이 책에서 우리는 주목할 만한 지적 융합을 만날 수 있다. 전 세계 이론 물리학계를 이끌고 있는 지도자들 중 하나인 리사 랜들은 우주론, 천문학, 입자 물리학과 지구 생명의 과학을 엮어 자연에 우리가 모르는 완전히 새로운 힘이 존재함을 보여 주고 있다. 이 책에서 리사 랜들은 위대한 물리학자들이 항상 그랬던 것처럼 우리가 알지 못하는 것에 대해 과감하게 도전하고 있다.”
-브라이언 콕스(맨체스터 대학교 물리학과 교수, 『퀀텀 유니버스』저자)

“이 도발적인 책은 랜들 자신과 같은 과학자들이 어떻게 인간 존재와 더 넓은 우주 사이의 깊은 관계들을 밝혀냈는지를 잘 설명해 준다. 훌륭한 책이다.”
-티머시 페리스(캘리포니아 주립 대학교 버클리 캠퍼스 명예 교수, 『은하 시대의 도래』와 『우주를 느끼는 시간』의 저자)

“리사 랜들이 세상과 우주에 느끼는 경이로움과 호기심이 페이지마다 역력히 드러나 있어서, 책에서 생생한 생명력이 느껴진다. 랜들의 대단한 재능의 일면은 복잡한 주제를 흡인력 있는 페이지 터너로 바꿔내어 독자로 하여금 책을 손에서 놓을 줄 모르게 만든다는 점이다. 이 책은 시야를 활짝 열어주는 환상적인 경험이다.”
-어거스틴 버로스(『가위 들고 달리기』의 저자)

“호기심을 자극하고 통찰을 안기는 이 책은 우주론과 생물학이라는 동떨어진 두 분야를 멋지게 하나로 엮는다. 랜들의 가설은 암흑 물질이 오르트 구름에 파열을 일으키는 원인이며 그로 말미암아 발생한 일련의 사건들 때문에 새를 제외한 모든 공룡이 멸종했다는 것이다. 이 단순하고 깔끔한 이론은 대량 멸종을 마침내 그럴듯하게 설명해 낸다. 지구 생명의 위태로움에 관심 있는 사람이라면 꼭 읽어야 할 책이다.”
-잭 호너(맥아더 펠로, 『공룡을 만드는 법』의 저자)

“과학적 추론인 동시에 시적 논증의 성격도 강한 이 책은 전혀 기대하지 못했던 숭고한 전망을 향해 한 걸음 한 걸음 차근차근 나아간다. 우주의 시민으로서 온전한 시민권을 얻기를 바라는 사람이라면 꼭 읽어야 할 책이다.”
-월터 컨(『피는 못 속인다』와 『업 인 디 에어』의 저자)

이 책은 우주의 모든 영역-광대한 우주론에서 미시 세계의 입자 물리학까지-을 탐구한다. LHC의 목적을 이해하고자 하는 열렬한 과학 독자들에게 최고의 안내서가 될 것이다. -일론 머스크(테슬라 모터스, 스페이스 X CEO, 페이팔 공동 창업자)

현대 물리학 연구의 근본과 최근에 수행되고 있는 실험의 본질을 명확하게 설명해 주고 있는 책이다. 리사 랜들의 해설은 물리학자가 아닌 이들을 위한 최고의 멋진 설명이기도 하다. 우리의 미래가 어떻게 바뀔지 이해하고자 한다면 이 책을 반드시 읽어야만 할 것이다. -크레이그 벤터(최초의 인공 생명 합성자이자 인간 유전체 해독자)

많은 책들이 우리 마음을 고양시킨다. 이 책은 그런 책들이 가지고 있는 장점을 모두 가지고 있다. 이 책은 역사상 가장 위대한 과학적 노력을 설명하고 있다. 그것은 우리 우주에서 가장 빨리, 가장 크게, 그리고 가장 강력하게 일어난 현상을 설명하고자 하고 있으며, 우리가 마주하고 있는 자연의 물리적 실체 대한 가장 깊은 질문에 답하고자 하고 있다. 현대 물리학의 최전선에서 이제 막 탄생해 형태를 갖춰 가고 있는 수많은 아이디어들을 명쾌하게 설명하는 리사 랜들의 솜씨는 눈부실 정도로 멋지며 계몽적이다. 과학과 이성을 옹호하고자 하는 그녀의 노력을 나는 환영하는 바이다. 오늘 이 책을 읽는 것은 내일의 과학을 이해하는 출발점이 될 것이다. -스티븐 핑커(『언어 본능』, 『빈 서판』의 저자, 하버드대 교수)

수수께끼로 가득 찬 우주 속에서 살아가야 하는 우리 모두의 필독서.
-무라야마 히토시(村山?, 도쿄대학교 국제 고등 연구소 카블리 우주 물리학 및 수학 연구 기구 기구장)

리사 랜들은 말 그대로 희귀한 존재이다. 천재 물리학자이면서 그렇지 못한 우리도 이해할 수 있도록 책을 쓰고 강연을 한다. 이 책은 전문가가 아닌 사람들이 여태껏 접근조차 못 했던 우주의 내부 구조 속으로 안내할 것이다. -로런스 서머스(전 하버드 대학교 대학원 원장)

정말로 진솔하고 아름다운 글쓰기의 향연. 그녀의 냉정한 설득력과 과학 정신에 투철한 해설에 박수를 보낸다. 마치 마법사의 초대를 받아 오즈(OZ)의 세계로 여행을 떠나는 것 같다. -뉴 사이언티스트

그녀는 정말로 아이디어의 보물 창고라고 할 수 있다. 그 스타일과 무엇보다 그녀로부터 흘러넘치는 물리학에 대한 흥분이 이 책을 보다 많은 독자들에게 퍼뜨리는 원동력이 되고 있다. -아메리칸 사이언티스트

리사 랜들은 현대 물리학자들 중에서도 가장 독창적인 사람 중 한 사람일 것이다. 그녀는 이 책에서 과학 지식과 예술적 아름다움 사이의 유사성과 차이를 멋지게 연결짓는다. 이 책을 보기 전까지 그 누구도 대칭성이 깨진 리처드 세라의 조각과 표준 모형을 비교할 생각을 했겠냐는 말이다. -뉴욕 타임스 북 리뷰

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