빛은 입자이며, 빛의 경로는 열린 가능성이다 - 파인만 -

일반인을 위한 파인만의 QED 강의
리처드 파인만 지음, 박병철 옮김 / 승산 / 2001년 8월

'빛과 물질의 상호작용을 양자역학적으로 설명하는 이론이 일단의 물리학자들에 의해 1929년 빛을 보게 되었으며, 거기에는 "양자전기역학"이라는 끔찍한 이름이 붙여졌다.'(p27)

<일반인을 위한 파인만의 QED 강의>는 제목 그대로 양자전기역학(QED ; Quantum Electrodynamics)을 일반인들이 이해하기 쉽게 설명한 책이다. 파인만(Richard P. Feynman, 1918 ~ 1988) 은 어려운 수학 대신 이 책에서는 기초적인 확률법칙과 '화살표'를 이용하여 어려운 개념을 설명하고 있다.

그렇다면, 이 책 <일반인을 위한 파인만의 QED 강의>에서 설명하고자 하는 개념은 무엇일까? 전체 4강(講)으로 구성된 본문에서 이 개념을 설명하고 있다. 

'폴 디랙 Paul Dirac은 그의 이론을 통하여 전자가 자기능률 magnetic moment(작은 자석에 의한 힘과 비슷한 개념)을 갖고 있으며 그 세기는 특정한 단위를 썼을 때 정확하게 1이 되어야한다고 주장하였다... 줄리안 슈위거 Julian.S. Schwinger는 "야바위 놀음 shell-game"을 사용하여 처음으로 올바른 자기능률값을 계산해냈다. 그 결과는 1.0116이었는데 이것은 실험치와 매우 비슷한 값이었으므로 우리의 계산법이 옳다는 사실을 입증한 셈이었다. 내가 여러분에게 앞으로 설명하게 될 이론이 바로 이것이다.'(p29)

1. 빛은 입자다 

 파인만이 설명하는 '빛 Light'은 눈에 보이는 빛만을 의미하지 않는다. 우리는 일반적으로 빛이 파동운동을 하는 것으로 알고 있는데 이러한 고정관념을 버릴 것을 파인만은 요청한다.

'내가 말하는 빛이란, 적색에서 파란색에 걸쳐 있는 가시광선만을 뜻하는 게 아니다. 가시광선은 빛의 일부분에 지나지 않는다... 자외선, 적오선, TV파, 라디오파등으로 옮겨간다. 이 모든 것들이 다 "빛"이다...눈에 보이는 것만이 실재라면 물리학은 당장 와해된다.'(p39)

'나는 빛이 입자처럼 행동한다는 점을 여러분에게 강조하는 바이다. 이것을 머리속에 새겨두기 바란다. 특히 학교에서 "빛은 파동처럼 행동한다."고 배웠던 사람들에게 강조한다. 다시 한 번 말하건대 빛은 정말로 입자처럼 행동하고 있다.'(p41)

2. 빛은 어떤 경로로 움직이는가?

[그림2] p43

전등에서 나온 빛이 유리판에서 반사되어 일부가 감지기에 도달하는 실험을 통해 파인만은 부분반사의 개념에 대해 의문을 제기한다. 특히 이러한 부분 반사 현상은 유리판 양면(윗면과 아랫면)에서 이러한 현상을 관찰했을 때 더 극명하게 발견하게 된다.

 가. 부분반사

'실험 결과, 광원에서 곧장 90도 아래 유리판으로 향한 100개의 광자 중에서 평균적으로 4개가 A에 도달하고 96개는 유리표면을 통과하여 B에 도달한다는 사실이 알려졌다. 즉, 이경우에 4%의 광자만이 반사되고 나머지 96%는 유리를 투과한다는 것을 뜻한다. 어떻게 입사된 빛의 일부만이 반사된다는 말인가? 개개의 광자는 A로 갈 수도 있고 B로 갈 수도 있다. 광자는 자신의 갈 길을 어떻게 결정하는가?'(p44)

[그림4] p47

빛의 부분반사 문제를 해결하기 위해 파인만은 '화살표'를 활용한다. 본문에서 화살표의 길이와 방향은 확률의 크기와 빛의 방향성을 의미한다. 

[그림6] 유리판의 양면에서 일어나는 부분반사현상을 설명하려면, 하나의 사건이 일어날 확률만을 알아내는데 만족해야 한다. 그리고 이 확률은 양자전기역학을 이용하여 계산할 수 있다. 화살표 하나를 그려서, 그로부터 만들어지는 정사각형의 면적이 곧 확률이 된다.(p53)

'어떤 특정한 사건이 일어날 확률과 화살표 사이에는 어떤 관계가 있는가? 사건이 일어날 확률은 화살표의 길이의 제곱과 같다.'(p52)

화살표의 합성 법칙은 다음과 같이 '기본법칙'과 '일반법칙'으로 구분할 수 있다.

'1) 기본법칙 : 하나의 사건이 일어날 확률은 "확률진폭 Probability amplitude"이라 불리는 화살표의 길이의 제곱과 같다. 예를 들어 길이가 0.4인 화살표는 0.16 또는 16%의 확률을 나타낸다.

2) 일반법칙 : 하나의 사건이 일어날 수 있는 방법이 여러 가지 있을 때에는 각각에 대해 화살표를 그린 후 화살표의 머리를 다른 화살표의 꼬리에 갖다 붙임으로써 이들을 합성(덧셈)하여 최종 화살표(첫번째 화살표 꼬리에서 마지막 화살표 머리를 이어준 화살표)를 그린다.(갖다 붙이는 순서에는 무관하다.) 이렇게 만들어진 최종 화살표의 길이를 제곱한 값이 곧 사건이 일어날 전체 확률을 나타낸다.'(p71)

'어느 특정한 사건이 일어날 확률은 합성된 최종 화살표 길이의 제곱과 같다. 그리고 최종 화살표는 그 사건이 일어날 수 있는 모든 가능한 경우의 화살표들을 합성하여(또는 더하여) 얻어진다.'(p74)

 <일반인을 위한 파인만의 QED 강의>에 있어 가장 중요한 내용은 [그림24]로 생각된다. 이 내용을 기초로 하여 파인만은 빛의 이중성, 빛의 산란, 빛의 투과 현상을 설명하는데, 중요한 내용은 다음 그림에서 대부분 설명된다.

[그림24] 빛이 거울에서 반사되어 감지기에 도달하는 모든 가능한 경로들이 그림의 상단부에표시되어 있다. 중앙부의 그림은 각 경로에 소요되는 시간을 세로축에 표시한 그래프이다. 그래프 아래에 그려진 화살표는 각 경로에 해당되는 화살표의 방향을 나타내며, 가장 하단에는 이 모든 화살표들을 합성한 최종 화살표가 굵은 선으로 표시되어 있다. 최종 화살표의 길이는 주로 E에서 I 사이의 화살표에 의해 생긴다. 왜냐하면 그 사이에 있는 경로들은 길이가 서로 비슷하여 화살표의 방향도 서로 엇비슷하기 때문이다. 그리고 이 지점은 소요시간이 가장 적은 편에 속하는 경로들이 밀집되어 있는 지역이므로, 빛이 최단 시간 경로를 따라서 진행한다고 말해도 크게 틀리지 않는다.(p78)

 [그림24]를 통해서 파인만은 빛이 입자처럼 운동하고 있으며, 빛은 무한히 많은 경로를 통해 운동하고 있으나. 확률에 따라 실제 우리에게 관측되는 빛의 운동은 최단경로를 따라 진행된다는 것을 설명하고 있다.

결국 <일반인을 위한 파인만의 QED 강의>에서 파인만은 '빛이 한 점에서 다른 점으로 가는데 직진만 하는 것이 아니라 가능한 모든 길을 동시에 지나간다'는 사실을 기초로 하여 '전자 자체는 희미하게 퍼져 있는 안개같은 존재이나 빛으로 관측할 때는 뚜렷한 점으로 보인다'는 사실을 우리에게 설명하고 있다.  

 본 리뷰에서 직접 다루지 않았지만, 간섭현상등을 설명하는 3장, 4장에서는 확률의 덧셈법칙과 곱셈법칙을 이용하여 내용을 설명하고 있다. 책에서 활용되는 확률의 두 법칙은 아래와 같다. 

[확률의 두 가지 합성법칙 rule of composition]

'1) 덧셈법칙 : 한 사건이 여러 가지의 독립적 경로를 통하여 발생 가능한 경우에는 각 경로를 지나갈 확률을 모두 더한다.

2) 곱셈법칙 : 한 사건이 순차적인 여러 단계를 거쳐 발생하는 경우에는 각 단계의 확률을 모두 곱한다.'(p128)

<일반인을 위한 파인만의 QED강의>는 최소한의 수학(확률의 법칙)과 화살표를 활용하여 양자전기역학(QED)의 핵심(核心)을 잘 설명하고 있다. 그럼에도 양자물리학의 세계가 워낙 어렵기 때문에, 우리와 같은 일반인들이 이해하기는 쉽지 않은 것도 사실이다. 이 책의 모든 내용을 이해하기위해 노력하기보다 양자물리학의 세계가 확정성의 세계가 아닌 '불확정성의 세계'라는 것을 이해하고, '열린 가능성'을 우리가 진정으로 깨달을 수 있다면 그것으로 이 책의 목적은 달성한 것이 아닐까하는 생각을 해본다.

일반상대성이론과 양자이론의 조화로운 결합 : 현대 물리학

평행우주 - 우리가 알고 싶은 우주에 대한 모든 것
미치오 가쿠 지음, 박병철 옮김 / 김영사 / 2006년 3월

<평행우주 Parallel Worlds>는 미치오 카쿠(Michio Kaku)가 저술한 대중과학서적으로 천체 물리학, 특히 우주론 cosmology에 대한 책이다. 책에는 우주의 탄생, 다중우주(the mutiverse)에 대한 내용을 수학적인 내용을 최대한 배제하면서 간략하면서도 쉽게 설명하고 있다. 빅뱅(Big bang)으로 탄생한 우주가 급속도로 팽창을 하고, 이러한 팽창은 다중우주이론(하나의 우주에서 새로운 우주가 연속적으로 태어난다는 이론)으로 설명된다. 이 '다중우주이론'을 설명하기 위해 저자는 우주의 시원(始原), 우주의 팽창을 이야기한다. 다중우주이론에 의하면 한 번 태어난 우주는 봉오리로 자란 후에 아기우주를 탄생시킨다.(p39) 

[그림1] 다중우주이론(출처 : http://www.seehint.com/r.asp?no=13093)

<평행우주>에는  '일반상대성이론(general relativity)', '양자역학(quantum mechanics)', '통일장 이론(unified field theory)', '끈이론(string theory)', 'M-이론(M-thoety)' 등의 용어가 나온다. 이 용어들은 다음과 같은 구조를 통해 <평행우주>에서 소개되며, 책의 본문(本文)에서 우주의 팽창을 설명하는 '일반상대성이론'과 블랙홀과 우주탄생을 설명하는 '양자역학'을 통해 우주의 탄생과 팽창을 개략적으로 설명된다. 그리고, 우주 탄생 초기에 4가지 힘이 하나로 통합된다는 통일장 이론과 그 중에서도 가장 유력하게 받아들여지고 있는 '끈이론'과 'M-이론'이 소개된다. <평행우주>에 소개된 이들 이론 내용과 관계를 요약하면 다음과 같다.

1. 아인슈타인(Albert Einstein 1879 ~ 1955)의 일반상대성이론(general relativity)

'아인슈타인이 제창한 새로운 중력이론으로 중력을 기하학적인 부산물로 간주하였다. 즉, 질량이 있는 곳의 시공간이 휘어지면서 마치 그곳에 잡아당기는 힘이 작용하는 것 같은 환영을 만들어낸다는 것이다.'(p570) 

[그림2] 일반상대성이론 실험(p78) (출처 : http://sindok.tistory.com/110)

아인슈타인의 이론은 매우 복잡한 방정식으로 구성되기 때문에 일반인들이 이해하기 쉽지 않다. 이에 대해 알렉산드르 프리드만(Aleksandr Friedmann, 1888 ~ 1925)은 두 가지 가정을 도입해 이를 단순화시켰다. '우주가 역동적'이라는 가정과 '우주 공간은 등방적isotropic(한 지점에서 어떤 방향을 바라봐도 모두 똑같이 보인다는 뜻)이고 균질하다homogeneous(우주의 모든 지점에서 밀도가 균일하다는 뜻)'을 추가하면서 아인슈타인의 방정식을 간단한 형태로 변화시켰는데, 프리드만의 해를 좌우하는 세 가지 변수는 다음과 같은 내용으로 정리된다.

H : 우주의 팽창속도를 좌우하는 상수. 허블상수(Hubble's constant)

Ω(오메가) : 우주 공간의 평균밀도

Λ(람다) : 빈공간과 관련된 에너지. 암흑에너지

'만약, Ω<1 이면 (그리고 Λ=0 이면) 우주는 계속해서 팽창하다가 전체적으로 얼어붙게 되고, Ω>1이면 어느 날 팽창을 멈추고 수축되기 시작해 빅크런치(big crunch)로 끝난다. 그리고 Ω=1 이면 우주는 평탄한 상태를 유지하면서 영원히 팽창한다. WMAP 위성의 관측 결과에 따르면 Ω+Λ=1이다. 즉 우주는 평평하다는 것이다. 인플레이션 이론(inflation 우주가 탄생의 초기에 엄청난 규모로 팽창되었다고 주장하는 이론)도 이와 같은 주장을 펼친다.'(p83)

[그림3] 우주의 미래(p83) (출처 : http://kimssine.tistory.com/10)

그러나, 블랙홀의 내부와 우주탄생의 순간에 일반상대성이론을 적용하면 상식 밖의 결과가 얻어진다. 이 문제를 해결하기 위해서는 양자역학을 도입해야한다.'(p570)

2. 양자역학(quantum mechanics) / 양자이론(quantum theory)

'양자역학은 파동방정식과 불확정성 원리에 기초를 두고 있으며 고전역학과 전혀 다른 체계를 갖고 있다.... 원자 이하의 영역에 적용되는 물리학 이론으로 양자이론에 상대성 이론을 더하면 근본적인 단계에서 모든 물리학의 지식이 망라된다. 이러한 양자이론은 다음의 세 가지 원리에 기초를 두고 있다.

(1) 에너지는 양자(quanta)라고 불리는 불연속의 다발(packet)로 존재한다.

(2) 모든 물질은 점입자로 이루어져 있지만 이들이 특정시간, 특정장소에서 발견될 확률은 파동으로 서술되며, 이 파동은 슈뢰딩거의 파동방정식을 만족한다.

(3) 물체(입자)를 관측하면 파동함수가 붕괴되면서 하나의 상태가 정확하게 결정된다.

 일반상대성이론은 결정론적 논리와 매끄럽게 휘어져 있는 시공간에 기초를 두고 있는 반면, 양자이론은 이와 정반대의 가정을 내세우고 있다. 상대성이론과 양자이론을 조화롭게 하나로 합치는 것이 현대물리학의 가장 큰 숙제이다.'(p566)

3. 통일장 이론(unified field theory)

 '현대 과학자들은 자연에 존재하는 힘을 다음의 네 종류로 분류하고 있다. 중력(gravity), 전자기력(electromagnetic force), 약력(weak force 방사능 붕괴과정에서 작용하는 힘), 핵력(nuclear force, 강력/핵자들을 묶어두는 힘)으로 구분되는 네 종류의 힘은 1970년대 중반 중력을 제외한 세 개의 힘을 하나로 통일하는 이론으로 완성하게 된다.'(p143)

'정상적인 환경에서 약력과 강력, 그리고 전자기력은 모두 다른 세기로 작용한다. 그러나 빅뱅과 비슷한 고에너지 상태로 가면 이들의 세기는 거의 하나의 값으로 수렴한다. 이것은 초대칭이론을 도입했을 때 얻어지는 결과로서, 이로부터 우리는 초대칭이론(supersymmetry)이 통일장이론의 핵심적인 요소임을 짐작할 수 있다.'(p329)

초대칭이론은 우주에 존재하는 모든 입자들을 하나의 객체로 통일시켜주면서, 이를 통해 '끈이론'과 'M이론'의 타당성이 뒷받침된다. 또한, 우주 탄생 초기인 빅뱅 상태에서는 이들 힘이 하나에서 나왔음을 수치로 통해 밝혀주면서 빅뱅이론을 뒷받침하게 된다. 그렇다면, 현재까지 밝혀진 네 종류의 힘과 앞으로 밝혀질 힘을 통합할 이론이 존재할 수 있을까? 이러한 물음을 통해 다음과 같이 '끈이론'과 'M-이론'이 자연스럽게 소개된다.

'우주에 존재하는 모든 힘들을 하나로 통합하는 장(場)이론으로 오늘날 가장 각광받는 통일장 이론은 끈이론(또는 M이론)이다.' (p578)

4. 끈이론(string theory)

'모든 만물의 최소단위는 끈이며, 각각의 끈들이 다양한 모드로 진동하면서 온갖 종류의 입자로 나타난 이론. 끈이론은 물리학 역사상 최초로 중력과 양자역학을 조화롭게 결합함으로써, 만물의 이론을 구현할 수 있는 가장 강력한 후보로 떠오르고 있다. (초)끈이론이 성립하려면 시공간은 10차원이어야 한다.'(p554)

다른 통일장 이론에 비해 논리적이라고 인정받은 '끈이론'이지만 수학적으로 자체 모순이 없는 끈이론이 다섯개나 된다는 문제가 있어 이에 대한 대안으로 제시된 이론이 M-이론이다.

[그림4] 끈이론 다섯 가지 모형(p334) ( 출처 : http://m.blog.daum.net/hittite21/4071)

5. M-이론(M-thoety)

'M-이론은 11차원 초공간에서 성립하며, M-이론을 10차원으로 줄이는 방법은 다섯 가지이며 이들 다섯 가지 방법은 끈이론과 일치한다.(p551)... 2005년 현재 M-이론의 방정식은 도출되지 않았다.'(p340)

<평행우주>에서 '끈이론'과 'M-이론'의 내용은 개략적으로 다루어진다. 더 자세하게 다루어지지 않은 것은 자세한 내용을 설명하기 위해서는 보다 깊이있는 수학적 설명이 필요하기에, 저자가 수위를 이정도로 조절한 것으로 생각된다. <평행우주>에는 독자들이 물리학을 친밀하게 생각할 수 있도록 하는 저자의 배려가 담겨있다. 본문에서 수학적인 내용이 최대한 배제되었고, 그림과 예를 통해서 독자들이 천체물리학에 대한 큰 그림을 그릴 수 있도록 도와준다. 그런 면에서 <평행우주>는 비록 출간된지 10년이 지난 물리학 입문서임에도 불구하고, 지금도 읽을 가치가 있는 책이라 생각된다. 

PS. <평행우주>를 읽고 들었던 짧은 생각... 

현재까지 우리가 통합할 수 있는 힘(force)의 종류가 세 가지인것은 우리가 3차원의 세계에 살고 있기 때문이 아닐까? 우리가 3차원의 세계에 살고 있기 때문에 3가지 힘(전자기력, 핵력, 약력)을 통합하는 이론은 현재까지 증명할 수 있었지만, 여기에 추가되는 중력은 4차원의 힘이라는 생각을 해본다. 그래서, 3차원의 세계에서 4차원의 네 개 힘을 통합하는 이론을 만드는 것은 '차원을 넘는 문제'에 해당하기 때문에 증명하는 것이 어려운 문제가 된 것은 아닐까 하는 근거없는 상상을 해본다.(그렇다면, '중력'은 시공간 차원과 밀접한 관련을 가지게 되는 힘이 될 것이다..)

PS2. 인류 문명의 발달에 따라 원자력 발전 등으로 약력의 에너지가 전자기력 등으로 변화한다면, 중력에 해당하는 힘도 영향을 받을 것이다. 중력을 질량을 가지는 두 물체 사이에 작용하는 힘이라 정의할 때 우리는 '지구 온난화'에 대한 새로운 해석도 가능하다는 생각이 든다. 가령 다음과 같은 생각이다.

제3세계의 산업화로 전기공급을 위한 화력발전소, 원자력 발전소 등은 지구에 존재하는 에너지의 전자기력 변환을 유도할 것이고, 증가한 전자기력만큼 핵력, 약력, 중력 등의 약화되어야 한다.(에너지 제1법칙 : 에너지 보존의 법칙, 고립계에서 에너지의 총량은 일정하다.) 그렇다면, 약화된 중력의 영향으로 북극해의 얼음 분자간 결합이 약해져 북극해 얼음이 감소할 수 있지 않을까? 이런 관점에서 생각해본다면, 온난화의 원인을 반드시 이산화탄소(CO2)의 증가로만 돌릴 수 없을 것이라는 생각도 하게 된다..( 이 역시 아직까지 객관적인 근거없는 나의 공상이다..)

평전과 요약본 사이에서....

거인들의 어깨 위에 서서 - 물리학과 천문학의 위대한 업적들
스티븐 호킹 지음, 김동광 옮김 / 까치 / 2006년 10월

<거인들의 어깨 위에 서서>는 스티븐 호킹(Stephen William Hawking)이 저술한 천문학의 5대 위인인 코페르니쿠스, 갈릴레오, 케플러, 뉴튼, 아인슈타인 등에 대한 요약서다. 책은 각각 위인의 삶을 각 장의 초반에 제시하고 후반부는 그들의 이론을 요약 제시한 형태로 구성되어 있다. 이같은 내용 구성은 입문자들에게 개념을 소개하는데 적합한 구성이라고 생각되지만, 그럼에도 불구하고 이 책은 여러 면에서 많이 아쉽다는 생각이 든다.

이 책은 전체 288페이지의 분량의 책이다. 책의 서문이라든지 뒷부분 등을 제외하면 본문은 대략 250페이지 남짓 본문에 할당되었다. 이 페이지를 각각 5명의 학자들에게 배분하면 1인당 50페이지 분량이 나온다. 그중 25페이지를 그들의 삶에, 나머지 25페이지를 그들의 연구 성과 요약에 g할당한 결과는 어떻게 되었을까?  그 결과 <거인들의 어깨 위에 서서>는 평전과 요약본 사이의 애매한 위치 선정이 되버리고 말았고, 독자들은 무엇인가 좋은 이야기를 하는데 그 좋은 내용을 이해하지 못하는 상황에 빠지게 되버렸다.

<거인들의 어깨 위에 서서>의 전반부에서는 평전이 주는 인간적인 삶에 대한 공감을 주지 못하며, 후반부에서는 그들의 연구성과에 대한 전달이 부족하다는 생각이 든다. 전반부에 대한 인상은 독자마다 다를 수 있지만, 개인적으로 특히 실망한 부분은 후반부라 생각된다. 그렇게 생각하는 이유는 이론의 내용을 설명하지만,  정작 그 설명에 해당하는 그림이 없기 때문이다. 결국, 어떤 그림인지 상상하면서 책의 설명을 읽어야 하지만, 이는 어느 정도 내용 이해가 가능한 사람에게나 가능하지 입문자에게는 어려운 요구라 생각된다.

예를 들면, 본문 설명 중, "선분 AB는 AC와 길이가 같으며,.... 이러한 이유로 지구에서 공전했을 때 화성의 위치가..." 등의 내용이 있는데, 해당 그림이 없다면 위와 같은 내용에 대해 이해가 갈 수 있을까? 책에는 수많은 우주에 대한 사진이 장식되어 있지만, 정작 독자가 필요로 하는 그림은 제시되어 있지 않는다. 설령 그림이 있다고 해도 뉴튼의 <프린키파아>를 입문자들에게 설명하기는 쉽지 않을텐데, 이와 같이 독자를 배려하지 않은 내용 설명은 책의 가치를 크게 떨어뜨린다고 생각된다.

그나마  이 책을 통해 얻은 것은 <거인들의 어깨 위에 서서>가 어떤 책을 요약했는지 목록을 제시한 것이라 생각된다. 현재 니콜라우스 코페르니쿠스의 <천체의 회전에 관하여>는 절판, 요하네스 케플러의 책은 소개되지 않은 것으로 알고 있다. 국내에서 접하기 어려운 두 저자들의 작품 <On the Revolutions of Heavenly Spheres>와 <Harmonies of the World>을 알게 된 것이 그나마 이 책을 통해 얻은 작은 성과라 생각된다.

ps. 아마 이와 같이 그림없이 이론만으로 책을 저술한 것은 루게릭 병을 앓고 있는 저자의 상황 때문이라 생각된다. 평소 스티븐 호킹과 대화하려면 적어도 물리학 박사 정도의 학력을 가진 사람이 그에게 해당 내용에 대해 설명을 하고, 호킹은 자판을 통해 'yes/no'를 알려준다고 한다. 그렇다 보니, 천체학 입문자들에 대한 배려가 부족했던 것은 아닐까 생각하게 된다.

天地玄黃 宇宙洪荒(천지현황 우주홍황)

코스모스 - 보급판
칼 세이건 지음, 홍승수 옮김 / 사이언스북스 / 2006년 12월

<코스모스>에서는 칼 세이건이 그려낸 '우주(宇宙)'이야기가 펼쳐진다.

책 제목 <우주(cosmos)> 는  그리스어 '코스모스(kosmos)'에서 유래하였으며, '질서'를 의미하며,  이에 반대되는 '혼돈(混沌)'을 의미하는 말은 '카오스(kaos)'라고 한다. 칼 세이건은 왜 책제목으로 cosmos를 선택했을까. 이 책의 우주는 물리학에서 말하는 Universe만 의미하는 것은 아니다. 물리학의 우주만이 아니라 작은 소우주(小宇宙)인 인간, 생물에 대한 이야기 또한 책에서 다루고 있다. <코스모스>에서 세이건은 물리학, 생물학, 사학, 민속학(신화), 사회학 등 학문의 여러 분야를 자유롭게 드나들면서 이야기를 풀어간다. 그리고, 이를 통해 독자들과 공감대를 넓히면서 흥미를 배가(倍加)시킨다. 세이건은 <코스모스>에서 다양한 분야에 걸쳐 지구에서 출발하는 우주여행을 하는 것처럼 우리를 새로운 세계로 안내한다.

<코스모스>에서의 여행은 지구의 탄생으로부터 시작한다. 약 40억년 전 DNA 결합을 통해 어떤 방식으로 생명이 진화해왔는지 살펴보면서 우리 지구가 얼마나 생명이 넘치는 곳인지를 살펴본다.(2장) 이어서, 지구 밖 태양계 탐험을 시작하기 전 천문학의 역사와 주요 천문학자의 이론에 대한 소개(3장)를 통해 세이건은 천문학에 대한 배경지식을 독자들에게 알려준다. 

4,5,6장에서 세이건의 전문분야인 태양계 탐험과 관련한 이야기가 이어진다. 금성 탐험을 한 파이오니아호와 <코스모스>가 씌여진 당시 목성과 토성을 탐험한 보이저 1,2호 이야기가 펼쳐진다. (현재 보이저 1,2호는 태양계밖으로 항해중이다.) 보이저 이야기가 나온 후 세인건의 시선은 우주로 향한다.

우주가 얼마나 광할한지, 넓은 우주에 수많은 별들의 일생은 어떻게 이루어지는지, 우주는 어떻게 생겼는지를  8,9,10장에서 다루며, 마지막으로 11,12,13장에서는 외계문명의 존재 가능성과 외계문명에 우리 지구 문명이 어떻게 보여질 것인가를 반추(反芻)하며 현대 문명의 문제점을 지적하면서 책을 마무리하고 있다. 지구에서 출발해서 태양계로, 광대한 우주로 여행을 한 후, 다시 지구에서 살아가는 우리 삶으로 돌아오는 여정을 통해 세이건은 자신이 하고 싶은 이야기를 마음껏 풀어간다. 

다양한 이야기를 한 권의 책에서 흥미롭게 풀어낼 수 있었던 것은 세이건의 역량 때문일 것이다. 시카고 대학에서 인문학 학사, 물리학 석사, 천문학 및 천체물리학 박사를 지낸 칼 세이건의 폭넓은 공부는 <코스모스>를 지금까지도 꾸준히 읽히는 과학서로 자리매김할 수 있게 만들었다는 생각이 든다.

독자들은 자신의 배경지식에 따라 다양한 지식을 <코스모스>에서 끌어낼 수 있다. 개인적으로 <코스모스>에서 가장 인상적이었던 것은 세이건의 우주관(宇宙觀)이었다.

<그림> 끝없이 연결되는 영원회귀의 코스모스

인형안에 다른 인형이 있는 러시아 인형같이, 우주들이 이루는 영원회귀의 계층 구조가 바로 코스모스의 본질일지도 모른다.(p557)

'충분한 질량의 물질이 있다면 우주는 닫힌 굽은 공간이다. 3차원으로 낮춰서 생각하면 통상의 구에 비유될 수 있다. 닫힌 우주에서는 빛이 갇혀 있다. 1920년대에 관측 천문학자들이 M31 반대쪽 먼 곳에서 나선 은하 한 쌍을 봤다. 이때 사람들은 '이 두 은하가 은하수 은하와 M31을 반대 방향에서 보고 있는 것은 아닌가?' 하고 의심한 적이 있다. 다시 말해서 자신의 뒤통수를 자기가 보고 있다는 이야기이다. 빛이 우주에 갇혀 있으면 내 뒤통수를 떠난 빛이 우주를 한 바퀴 돌아서 나의 정면에 다시 나타날 수 있다.'(p531)

세이건은 우주가 닫혀 있고, 우주들이 끊임없이 회귀되는 계층구조를 가지고 있다고 <코스모스>에서 말한다. 그의 말 속에서 거대한 우주를 이해한다는 것이 반드시 우주여행을 의미하는 것만은 아니라는 생각을 해본다. 내 자신과 주변의 소우주(小宇宙)를 이해하는 것이 머리 위 대우주(大宇宙)를 보는 것과 별반 다를 것이 없다는 사실을 세이건은 말하고 싶은 것은 아닐까.

'우주에서 벌어졌던 진화의 단계를 차근차근 이해하노라면, 거대한 [수소 산업]의 최종 산물로서 태어난 생물 하나하나가 모두 소중한 존재임을 확실히 알게 된다. 지구 이외의 다른 곳에서도 우리와 같이 놀랄 만한 돌연변이를 이룩한 존재들이 있을 것이다. 그렇기 때문에 우리는 하늘 먼 곳 어디에선가 우리에게 들려줄 그들의 흥얼거림에 귀를 기울이는 것이다.'(p674) 

<코스모스>에서는 냉철한 과학자의 모습만 아니라, 인간과 생명에 대한 친근하고 사랑넘치는 세이건의 목소리를 들을 수 있기에, 다른 과학서들과는 달리 <코스모스>에서는 따뜻함을 느낄 수 있는 것 같다. 가을날의 코스모스처럼.

(출처 : bing 이미지)

靑出於藍 靑於藍 : 데카르트와 뉴턴

뉴턴 & 데카르트 : 거인의 어깨에 올라선 거인 ㅣ 지식인마을 10
박민아 지음 / 김영사 / 2006년 11월

<뉴턴 & 데카르트>는 과학사적인 면에서 뉴턴과 데카르트의 업적과 생애를 돌아본 근대 과학사(科學史) 입문서다. 우리 일반인들에게 과학사는 익숙하지 않은 분야다. 일반인들이 알고 있는 과학사들은 대체로, 뉴턴, 퀴리부인 등 과학자들의 위인전기로 이를 통해 얻은 과학자의 삶에 대한 단편적인 지식이 대부분이라 생각된다. 그런 면에서 이 책 <뉴턴 & 데카르트>는 과학사라는 학문의 성격을 개략적 잘 보여준다는 인상을 받았다.

이 책에서는 과학자들의 삶과 업적 그리고 그 업적의 과학사적인 의미에 대해 요약한다. 책에서 묘사되고 있는 데카르트와 뉴턴은  'Cogito ergo sum 나는 생각한다, 그러므로 존재한다.', '만유 인력의 법칙' 으로 알려진 건조한 이론가들이 아니다. 책에서 그들의 삶은 생동감있게 묘사된다. 게으른 군인으로서의 데카르트, 학계에서 정치(政治)에 능했던 뉴턴 등. 그러한 이유로 어렵게 보이던 그들의 이론(理論)을 보다 편하게 생각하게 해주는 장점이 있다. 과학자들의 삶은 이 책에 생생하게 묘사되어 있기 때문에, 이 책에 나타난 그들의 과학관(科學觀)과 영향관계에 대해 살펴보자.

데카르트(Rene Descartes)는 지식인 마을에서 유일하게 2권에 걸쳐 소개되는 인물이다. <데카르트 & 버클리>에서는 데카르트의 인식론이 주된 논의 대상이었다면, 이 책에서는 그의 과학철학과 자연과학에 초점을 맞추고 있다. 일반인들에게는 과소평가되어 있는 데카르트가 근대세계 형성에 절대적인 영향을 미쳤음을 짐작케 한다.

 이 책에서 데카르트는 '체계적 의심(systematic doubt)'의 방법을 활용하여 모든 것을 의심하는 피론주의(Pyrrhonism 극단적 회의주의)를 극복하고자 노력한 과학철학자이다. 그 결과 그는 '감각'과 '감각을 일으키는 원인'을 분리하여 '이원론(dualism)'을 도출한다. 이원론으로 대변되는 데카르트의 세계에서 사물의 본질은 '외연(extension)'으로 정리된다. 데카르트에게 '공간=물질'이며, 공간(plenum)은 불(fire), 공기(air), 흙(earth)의 세 원소로 구성되어 있다. 그리고, 이러한 원소들의 충돌을 통해 자연의 변화가 일어난다고 생각했다. 이처럼 데카르트는 물질과 운동으로 세상을 설명하였고, 그의 세계관을 '기계적 철학(mechanical philosophy)'이라 부른다.

이제 근대과학의 시대가 시작되었다.

뉴턴(Sir Isaac Netwon)은 데카르트의 '기계적 철학'의 기초 위에 그의 업적을 쌓아간다. 데카르트의 기하학과 자연과학을 기초로 뉴턴은 데카르트를 넘어 자신만의 업적을 남긴다. '빛의 스펙트럼' 연구를 통해 뉴턴은 '백색광은 굴절률이 다른 단색광들의 혼합'이라는 새로운 빛 이론을 제시하여 광학(光學)에 이름을 남긴다. 이러한 뉴턴의 업적은 데카르트의 선행 연구가 바탕이 되었음을 책에서 보여준다.

 또, 뉴턴의 제1법칙 : 관성의 법칙'은 데카르트의 '모든 물체는 다른 물체가 충돌해서 상태를 변화시키지 않는 한, 똑같은 상태로 남아 있다.'는 직선 관성 개념에서 나온 것이라는 사실을 이 책에서는 알려준다. 이처럼, 뉴턴은 데카르트의 영향을 받았으나, 자신만의 방식으로 데카르트를 극복하고 있음을 책에서는 잘 설명하고 있다. 특히, 뉴턴의 세 가지 운동법칙이 이러한 '뉴턴에게 미친 데카르트의 영향과 뉴턴의 극복'을 잘 보여준다.(p114)

제1법칙 : 관성의 법칙

외부로부터 힘이 작용하지 않으면 물체의 운동상태는 변하지 않는다. 등속직선운동을 하던 물체는 계속 직선운동을 하고, 정지해 있는 물체는 계속 정지 상태를 유지한다. (데카르트 사상 수용)

제2법칙 : 운동의 법칙(F=ma)

물체의 운동에서 나타나는 시간적 변화(가속도)는 물체에 가해지는 힘의 방향으로 일어나고 힘의 크기에 비례하여 나타난다. (데카르트 사상 일부 수용 : 데카르트의 '충돌'은 물체 운동의 여러 원인 중 하나)

제3법칙 : 작용, 반작용의 법칙

두 물체가 서로 힘을 미칠 때, 한 물체가 다른 물체에 미치는 힘(작용)은 그 물체가 다른 물체에게서 받는 힘(반작용)과 크기는 같고 방향은 반대이다. (뉴턴의 독자적인 이론)

<뉴턴& 데카르트>에서는 이와 같이 과학자들의 사상과 그 영향을 잘 보여주기 때문에, 과학이론을 역사적으로 이해할 수 있게 도움을 준다. 또한, 이러한 과학이론만이 아닌 인간적으로 서술된 과학자들의 삶의 모습을 보는 것은 부가적으로 주어진 또다른 재미라 생각한다.

PS. 과학사지만, 책을 읽는 주된 대상이 학생들이어서인지 뉴턴이  'South Sea Bubble' 과 관련하여 주식투자를 한 후 막대한 투자 손실을 입었다는 이야기는 나오지 않는다. 뉴턴의 주식투자와 관련하여 궁금하신 분들은 <금융투기의 역사>와 같은 다른 책을 참고하시는 것이 좋을 듯하다.

(출처 : http://deathornot.tistory.com/archive/20131113)