명쾌한 통찰력으로 시간과 우주의 신비, 물리학의 역사와 이론을 꿰뚫어본다! 『현대물리학 시간과 우주의 비밀에 답하다』는 시간의 본질, 우주의 시작 및 물리적 실체의 기본 구조를 다룬 책이다. 빅뱅, 카오스, 끈 이론, 블랙홀, 화이트홀, 타임머신, 다중우주, 엔트로피 등 지금까지 물리학에서 개발시켜 온 과거 및 현대의 최첨단 개념과 용어뿐 아니라 갈릴레이, 뉴턴으로부터 아인슈타인, 슈뢰딩거를 거쳐 호킹, 펜로즈까지 다양한 물리학자들을 등장시켜 현대과학이 추구하는 융합과학의 특성을 보여준다. 이해하기 쉬운 예시와 해설을 통해 시간과 공간은 어디에서 생겨났으며, 우리가 보는 우주가 전부인지, 아니면 우리의 관측 범위를 벗어난 또 다른 우주가 존재하는 것인지, 미래는 과거와 어떻게 다른 건지 등 광범위하며 오래 되었지만 가치 있는 문제들을 살펴본다.
저자 : 숀 캐럴 저자 숀 캐럴 박사는 캘리포니아 공과대학의 이론물리학자이다. 하버드 대학에서 물리학 박사학위를 받은 후 매사추세츠 공과대학, 산타 바바라 이론물리학 연구소와 시카고 대학에서 연구를 계속하였다. 암흑 물질과 암흑 에너지, 여분 차원에 관한 물리학 및 중력 대체 이론을 연구하고 있으며 그가 집필한 대학원용 교재 《시공간과 기하학》은 물리학계의 큰 관심을 끌고 있다. 그는 또한 《네이처》지에서 선정한 5대 과학 블로그 중 하나인 cosmicvariance.com을 만든 사람 가운데 한 명이다.
역자 : 김영태 역자 김영태 교수는 서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 캘리포니아대학교 버클리 분교에서 물리학 박사학위를 받았다. 현재 아주대학교 물리학과 교수로 근무 중이며 비선형 동역학, 뇌과학을 연구하고 있다. 저서로는 《아시아를 빛낸 노벨상 수상자》, 《현대물리학 산책》, 《속보이는 물리》 등이 있고, 번역서로는 《물리가 날 미치게 해》, 《현대물리가 날 미치게 해》, 《딥 심플리시티》 등이 있다.
추천의 글 11 들어가기 전에 15
1부 시간, 경험과 우주 1 과거는 현재의 기억이다 27 2 엄격한 엔트로피 52 3 시간의 시작과 끝 81
2부 아인슈타인 우주에서의 시간 4 시간은 개인적이다 117 5 시간은 유연하다 140 6 시간은 순환한다 157
3부 엔트로피와 시간의 화살 7 시간을 거꾸로 돌리다 197 8 엔트로피와 무질서도 232 9 정보와 생명체 285 10 반복되는 악몽 321 11 양자시간 360
4부 부엌으로부터 다중우주까지 12 블랙홀: 시간의 끝 405 13 우주의 생명체 447 14 급팽창과 다중우주 488 15 내일을 통한 과거 525 16 끝내면서: 영원으로부터 현재까지 565
부록: 수학 581 주석 591 참고문헌 635 감사의 글 650 찾아보기 653
책속으로
비가역적인 과정이야말로 시간의 화살이 가진 핵심이다. 사건은 특정한 서열로만 일어나지 절대 반대로는 일어나지 않는다. 더불어 이와 같은 질서는 우리가 아는 한 관찰 가능한 우주 전체에 걸쳐 완벽하게 준수된다. 언젠가 먼 태양계에 속한 한 행성에서 지적 생명체를 발견할지도 모른다. 그러나 어느 누구도 숟가락을 몇 번 휘저어 우유와 커피(또는 이와 유사한 대체물)를 분리해낼 수 있는 외계인이 살고 있는 행성을 발견하리라고는 생각하지 않는다. 왜 이 사실에 그리 놀라지 않을까? ―56페이지
일반적인 사람들의 경우 중력의 본질에 대해 깊이 생각하다가 등가 원리라는 멋진 아이디어가 머리에 떠올랐다면 점잔을 빼면서 고개를 끄덕이다가 다시 일상의 삶으로 돌아갈 것이다. 그러나 아인슈타인은 우리보다 현명해서 등가 원리의 중요성을 인식하고 있었다. ― 143페이지
타임머신은 우리를 매혹시킨다. 이유는 부분적으로 타임머신이 역설로 가는 문을 열어 주고 우리가 가지고 있는 자유 의지 개념에 도전장을 던지기 때문이다. 그러나 타임머신이 존재하지 않을 가능성도 있다. 그러므로 타임머신이 던지는 문제는 당신이 헐리웃의 영화 시나리오 작가가 아니라면 그리 절박한 문제가 아니다. 반면 시간의 화살이 실제 세계가 가진 속성임은 의심의 여지가 없다. 그리고 시간의 화살이 우리에게 던지는 문제들은 설명을 필요로 한다. 타임머신과 시간의 화살의 두 현상은 서로 연관되어 있다. 닫힌 시간꼴 곡선이 존재하지 않기 때문에 관측 가능한 우주에서는 일관성을 가진 시간의 화살이 존재할 수 있다. 또한 닫힌 시간꼴 곡선이 가진 많은 성질들이 우리를 혼란스럽게 하는 이유는 이것이 시간의 화살과 모순이 되기 때문이다. 시간의 화살이 일관성을 가지려면 타임머신이 존재하지 않아야 한다. ― 193페이지
진짜 물리학 법칙은 근본적인 수준에서 가역적인 것처럼 보인다. 이것에 대해 조금 생각해 본다면 이 사실만으로도 높은 엔트로피 상태가 낮은 엔트로피 상태로 진화하는 것을 선호한다는 사실을 충분히 보장할 수 있다. 가역성이 정보의 보존에 근거를 두고 있다는 사실을 기억하라. ― 268페이지
빅뱅이 시간의 시작이었다면 우리는 매우 분명한 퍼즐을 만나게 된다. 우주가 시작할 때 왜 엔트로피가 그처럼 작았을까? 빅뱅이 시작이 아니었어도 퍼즐은 여전히 남게 되지만 이 경우 전혀 다른 퍼즐을 만나게 된다. 왜 우주의 시작이 아닌 되튐에서 엔트로피가 작아야 했을까? 이것은 단지 영원한 역사의 한 순간일 뿐이다. ― 544페이지
출판사 서평
인류의 새로운 도약을 위한 키워드, ‘시간의 물리학’ 물리는 우리의 생활 속에 숨어 있다!
● 달걀을 깨서 스크램블드에그를 만든다. ● 커피에 우유를 넣고 젓는다. ● 물 잔 속에 있는 얼음 덩어리가 녹는다. ● 방 안에 놓인 새로 구운 파이에서 향기가 퍼져 나간다.
이와 같은 예시들은 모두 우리가 일상생활에서 경험하는 평범한 일이다. 재료를 섞는 것은 쉽지만 그것을 다시 원상태로 되돌리기는 어렵다. 이것은 열역학 제2법칙의 가장 흔한 일례로, 부엌에서 일어나는 모든 일에는 ‘시간의 화살’이 밀접하게 연관되어 있다.
80세의 노인으로 태어나 시간이 지날수록 젊어지는《벤자민 버튼의 시간은 거꾸로 간다》의 주인공 벤자민 버튼, 다가오지 않은 미래를 먼저 느끼고 놀라는《거울 나라의 앨리스》의 백색 여왕, 빛 속도보다 빠르게 움직이는 《스타트렉》의 워프 드라이브, 영화 《백 투 더 퓨처》와 드라마 《닥터 후》에 나오는 타임머신 등등. ‘시간의 화살’은 영화, 드라마, 소설 등에서 단골로 등장하며 우리에게 과거, 현재, 미래라는 시간의 흐름 속에서 어떻게 살아가야 할 것인지에 대한 물음을 던질 기회를 제공한다.
《현대물리학, 시간과 우주의 비밀에 답하다》는 이처럼 친근하고 이해하기 쉬운 예시를 시작으로, ‘시간의 화살’을 빅뱅 이전의 시공간의 성질을 가지고 어떻게 설명할 수 있는지를 탐구하기 위해 우리를 최첨단 이론물리학의 세계로 인도한다.
캐럴의 주된 주장은 시간의 속성인 ‘시간의 방향성’에 근거를 두고 있다. 과거에서 미래로 향하는 ‘시간의 화살’은 아인슈타인이 전혀 예상하지 못했던 빅뱅 이전에 존재한 조건들에서 기인한다는 것이다. 기존에 물리학계에서 지배적인 지지를 받아 왔던 빅뱅을 ‘우주의 시작’으로 생각한 이론들에 비추어 볼 때, 이 제안은 굉장히 중요하고 혁신적인 것이다.
지금까지 출간된 현대물리학과 관련된 책들은 우주론에 초점을 맞추는 데 머물러 있었다. 이 책은 기존의 틀에서 벗어나 우리에게 ‘시간의 화살’ 그리고 ‘엔트로피’와 관련된 대부분의 과학 이론들을 총망라함으로써 현대 과학과 물리학이 현재 어느 지점에 도달해 있으며 어떤 방향으로 나아가야 하는지를 확인시켜 준다. 이러한 확인은 현재 과학의 진보로 인해 물질적 진화를 이루었음에도 불구하고, 전쟁과 다툼이 계속되는 인류의 정신적 진화가 앞으로 어떻게 이루어져야 할지를 함께 생각하는 계기가 될 것이다.
■ 출간 의의
차세대 노벨 물리학상 후보, 물리학계의 떠오르는 신예 숀 캐럴, 현대물리학의 패러다임을 이끌어갈 ‘시간의 화살’의 수수께끼에 도전하다!
우리는 일상생활 속에서 시간을 당연하게 받아들이고 있다. 하지만 시간에 대해 정의하라는 질문을 받으면 선뜻 대답하기 어려울 것이다. 시간은 한마디로 정의할 수 없는 여러 가지 속성을 가지고 있기 때문이다. 그중에서 가장 중요한 특성은 ‘시간의 화살’, 즉 시간이 방향성을 가진다는 것이다. 이러한 ‘시간의 흐름’은 한번 일어난 일을 되돌릴 수 없다는 근본적인 비가역성을 내포하며, 물리학적으로 엔트로피의 특성과 밀접한 관계를 가진다. 현 시대의 선도적인 이론물리학자로 평가받고 있는 숀 캐럴은 이 책에서 ‘시간의 화살’을 연구하기 위해 현대물리학의 핵심인 특수상대성이론 및 일반상대성이론, 양자역학을 비롯하여 최첨단 물리학인 입자물리학과 현대우주론(엔트로피, 양자역학, 빅뱅, 카오스, 끈 이론, 블랙홀, 화이트 홀, 웜홀, 타임머신, 다중우주, 아기우주 등등)을 총동원한다.
지금까지 물리학에서 발전시켜 온 과거 및 현대의 최첨단 개념과 용어, 다양한 물리학자와 그들의 업적은 모두 ‘시간의 화살’과 연관되어 있다. 즉, 여러 이론을 포괄해야만 접근할 수 있는 시간의 물리학은 현대과학이 추구하는 융합과학의 특성을 극명하게 보여 줄 뿐 아니라, 차세대 현대물리학의 패러다임을 이끌어 갈 매우 중요한 주제라고 할 수 있다.
■ 내용 소개
융합과학의 시대, ‘시간의 화살’의 난제를 푸는 열쇠를 찾다
숀 캐럴이 주목한 ‘시간의 물리학’은 현대물리학의 가장 매혹적인 질문이며 동시에 매우 심오한 주제이다. ‘시간의 화살’에 대한 대부분의 물리학 이론은 현재 물리학자들이 직면하고 있는 가장 커다란 난점 중 하나로, 문제를 기술할 수는 있지만 아직 완전하게 검증되어 있지 않아 무엇이 옳은 답이라고 확언할 수 없다. 때문에 캐럴이 제시한 이론도 명확하게 맞아 떨어진다고 할 수 없다(실제로 그는 이것이 이론이 아닌 예측이라고 이야기한다). 철학과 종교의 영역에 머무르고 있던 시간의 문제를 물리학에서 정면으로 다룰 수 있게 된 것은 여러 분야의 학문이 발전하고 융합될 수 있기에 가능해진 것이다. 수학계 최고의 난제였던 ‘페르마의 마지막 정리’가 융합 연구를 통해 증명된 것처럼, ‘시간의 화살’과 관련된 가설들이 현재는 확실하지 않은 아이디어라 하더라도 논쟁과 실험, 검증 과정을 거침으로써 언젠가는 물리학과 모순이 되지 않는 정직한 이론으로 발전할 수 있게 될 것이다.
‘시간의 화살’과 관련된 현대물리학의 최신 이론을 한 권의 책으로 정복하다!
20년 전 스티븐 호킹은 《시간의 역사》에서 빅뱅을 이해함으로써 시간을 설명하려고 했다. 숀 캐럴은 이제 우리가 시간을 이해하기 위해서는 빅뱅 이전에 어떤 일이 일어났는지를 알아야 한다고 말한다.
엔트로피와 시간을 주관하는 ‘일정한 방향성’은 우리의 일상적인 삶뿐 아니라 다중우주의 가장 먼 경계까지도 주관한다. 스크램블드에그는 달걀로 되돌아갈 수 없고 우리는 지나간 과거를 기억할 수 있지만 다가오지 않은 미래는 기억할 수 없다. 마찬가지로 빅뱅 초기의 우주는 엔트로피가 낮은 상태에서 중력에 의해 우주가 팽창하는 것에 비례해 높은 엔트로피 상태로 나아가고 있으며 이전의 상태로는 돌아갈 수 없다.
그러나 빅뱅이 과연 우주의 시작일까? 캐럴은 빅뱅이 우주의 역사에서 특별한 시간이기는 하지만 우주의 시작은 아니라고 이야기한다. 우주가 낮은 엔트로피 상태에서 시작한 것은 분명하나 이 초기 상태를 자연의 동역학법칙으로 설명할 원리를 찾아내지 못했기 때문이다. 그는 시간에 따라 변화하는 상태 공간, 태생적으로 비가역적인 동역학 법칙, 특수한 경계조건, 대칭적으로 재붕괴하는 우주, 시간 대칭성을 가진 또는 가지지 않은 되튐 우주, 경계가 없는 다중우주, 영원한 평형 상태 주위의 요동에 관한 볼츠만-루크레티우스 시나리오 등 ‘시간의 화살’에 접근하는 다양한 이론의 장단점을 소개한다.
캐럴의 담대하고 명쾌한 ‘시간의 화살’에 대한 접근을 통해, 우리는 시간과 우주의 신비, 그리고 이와 관련된 물리학의 역사와 이론을 한 권의 책으로 꿰뚫을 수 있다. ‘시간의 화살’이 가진 매커니즘을 이보다 더 쉽게, 재미있게 풀어낼 수 있는 책은 없을 것이다!
■ 이 책에 쏟아진 찬사
“숀 캐럴은 현대물리학에 관한 가장 까다롭고 매혹적인 세계로 우리를 자신 있게 안내하고 있다. 그의 재미있는 책 《현대물리학, 시간과 우주의 비밀에 답하다》는 시간의 신비에 관한 읽기 쉬우면서 매력적인 탐구서이다. 그는 우주론의 차기 대변혁에서 중요한 역할을 담당할 것이 분명한 주제들을 능숙하게 다루고 있다.” -브라이언 그린, 《엘러건트 유니버스》의 저자
“숀 캐럴의 책은 우리에게 현대물리학의 가장 심오한 불가사의 몇 가지를 쉽고 멋지게 설명한다. 이 책에서 논의된 내용은 매력적이며, 우리를 보다 높은 수준의 과학 세계로 인도한다.” -로저 펜로즈, 《실체에 이르는 길》의 저자
“시간의 본질과 이것이 우리 우주에 어떠한 영향을 미치는지가 궁금한 사람들은 반드시 이 책을 읽어야 한다. 이 책은 아름답게 써졌고, 명료하며, 심오한 내용을 담고 있다.” -킵 손, 《블랙홀과 시간굴절》의 저자
지금 소해하는 이 책은 그냥 재미로만 본다면 그다지 재미없는 매우 딱딱한 물리학 정보책일 수 있다.
그러나 이 책 한 권은 현대 물리학의 온갖 사상이 다 담겨 있는 백과사전이라고 봐도 좋을 것이다.
하지만 나열식의 백과사전식 정보라면 별로 의미가 없을 수 있겠으나
이 책은 시간은 왜 되돌릴 수 없으며, 한쪽에서 다른 한쪽으로만 흐르는가 하는 시간의 화살 수수께끼
혹은 우리의 우주시대의 최초의 빅뱅 사건이 갖는 엔트로피의 수수께끼를 푸는 데에
현대 물리학의 온갖 성과들이 다 총동원되고 있는 그러한 책이다.
예전에 소개한 브라이언 그린의 말할 나위 없는 걸작 <우주의 구조>도 비슷하지만
손 캐럴의 이 책은 시간과 엔트로피의 수수께끼에 좀 더 초점을 맞추고 있는 것이 그 특색이라고 하겠다.
그런데 아마 이렇게 얘기하면 도대체 그런 물리학 지식 정보들이 뭐가 그리 중요한가 싶을 수 있다.
그런데 한 번 생각해보자.
무한한 공간의 이 우주에서 볼 때 은하계 하나는 점 하나로 보일 것이다.
그런데 그 은하계 안에서 태양계 하나 역시 점 하나로 보일 것이다.
그리고 그 태양계 전체에서 지구별 하나를 보면 이 역시 점 하나로 보일 것이다.
그렇다면 이 우주 전체에서 지구별 하나는 참으로 점 하나에도 못미칠만큼 극소한 영역이 아닐 수 없겠다.
혹자는 그렇기에 이 무한한 우주 공간이 너무 큰 낭비가 아니냐면서 불평을 터트리기도 한다.
그런데 그것이 정녕 낭비가 아니라 이 지구별 생명체 행성 하나를 위해 무한한 공간의 우주가 있는 것이라면 어떠한가?
흔히 말하듯 엔트로피 증가의 법칙이란 시간이 흐르면 무질서가 점점 증가한다는 것이다.
우주는 이러한 열역학 제2법칙을 거스를 수가 없다.
그런데 만에 하나..
무질조 1000억조 개가 합종연횡하여 겨우 1개의 질서를 창출하고 있는 그러한 우주라면 어떠한가?
양적으로 볼 땐, 공간의 낭비이며 엔트로피는 증가는 막을 수가 없을 것이다.
그러나 질적으로 보면, 한 사람의 목숨이 천하보다 귀하다는 언급은 자연과학적으로도 진실인 것이다.
이 무한히 넓은 우주 전체가 극도로 희박한 생명체 행성을..
그리고 생명체 행성에 있어서
수억 조개의 무수한 원자와 분자들이 겨우 한 개의 세포 생명체를 태동시키고 있는 우주라면 또한 어떠한가?
그리고 수억 조개의 세포들이 모여서 인간의 신체를 형성하며 뇌 의식을 창발시킨다고 하면 또한 어떠한가?
우주 전체에서 뇌세포 의식의 등장까지... 우리의 몸은 그렇게 연결되어 있는 것이다.
이 책은 그렇다면 앞서 말한, 시간의 화살 그리고 빅뱅의 수수께끼를 어떻게 풀고 있는가?
쉽게 표현하자면, 무수한 수억조개의 우주들이 명멸할 수 있는데 그 중의 하나인 아기 우주가 창발하여 우리의 우주 시대가 열린 것이라는 얘기다. 즉, 다중 우주로 나아가는 것이다. 다중 우주론을 통해 이 수수께끼를 해결하고자 한 것이다.
이 책의 영어 제목을 보면 느낌이 확 올 지도 모르겠다.
From Eternity To Here 영원으로부터 현재로
이 책은 시간의 수수께끼 주제로 하여 현대 물리학의 온갖 성과들을 두루두루 살펴보고 있어
물리학 공부를 하고 싶었던 내게는 매우 유익한 책이었다.
물론 이를 어렵게 느끼는 분들도 있으시겠지만, 그래도 꼼꼼하게 읽어보면
그렇게 어렵진 않았었다. 어려운 내용들은 반복 숙지가 매우 중요하다..
다만 육중한 책의 분량이 압박감으로 다가오기도 한다.
숀 캐럴의 이 책은 현대 물리학이 지금까지 다중 우주론에 이르기까지를 살펴보고 있다.
반면에 아래 브라이언 그린의 책은 다중 우주론의 여러 양상들을 들여다보고 있는 책이라
최신 물리학 공부에 관심하는 분들이라면 두 권을 한 묶음으로 보면 더욱 좋을 듯 싶다.
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