이 모든 것은 138억 년 동안 잠들어 있던 한 줌의 입자로부터 시작되었다!
‘신의 입자’를 발견한 세계적인 실험 물리학자 귀도 토넬리 베스트셀러, 국내 첫 출간

힉스 보손을 발견한 세계적인 실험 물리학자 귀도 토넬리가 물리학에서 최근 발견된 사실들을 바탕으로 우주 탄생의 중요한 7가지 순간을 이야기한다. 우주 탄생의 첫 순간에 무슨 일이 일어났는지 이해하려면, 우리는 현재 물질의 작은 조각을 아기 우주 때의 매우 높은 온도로 되돌리는 방법을 찾아야 한다. 일종의 시간 여행을 시도하는 것이다. 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC) 실험을 통해 동면 중이던 입자들이 한순간 다시 나타났고, 이로써 138억 년 동안 잠들어 있던 입자 한 줌이 깨어났다. 귀도 토넬리가 발견한 ‘힉스 보손’이 바로 그것이다. 이 책 ≪제네시스≫는 우주 전체이자 시작인 이 입자에서 출발하여, 시공간의 탄생, 진공 상태로부터 어떻게 우주 전체가 만들어졌는지, 현재와 같은 광활하고 다양한 모습의 우주로 진화하는 과정, 오늘날의 다중우주 이론과 외계 은하에 이르기까지…. ‘우주’와 ‘시공간의 기원’에 대한 답을 찾는 7일간의 여정으로 우리를 이끈다. 저자는 “이 여정에서 우리는 ‘모든 것의 시작’을 목격할 수 있을 것이고, 이는 세상에 대한 우리의 관점을 영원히 바꾸어놓게 될 것이다.”라고 말한다.

프롤로그/ 세상에서 정말 중요한 것을 이해하려는 노력
우리의 관점을 영원히 바꾸어놓는 세상
태초에 진공이 있었다

첫째 날/ 터져 나오는 숨결이 첫 번째 경이로움을 낳다
둘째 날/ 섬세한 손길이 모든 것을 변화시키다
셋째 날/ 불멸자들의 탄생
넷째 날/ 그리고 마침내 빛이 있었다
다섯째 날/ 첫 번째 별에 불이 켜지다
여섯째 날/ 혼돈이 질서로 위장하다
일곱째 날/ 복잡한 형태의 무리
우리를 인간으로 만드는 것

에필로그/ 우리의 가장 깊은 뿌리 그리고 미래
감수의 글/ 우주 탄생, 그 7일간의 이야기

귀도 토넬리 , 김정훈 , 남순건

갓 태어난 우주의 첫 울음소리를 듣는
두 가지 방법

인간이 끊임없이 궁금해하고 알아내고 싶어 하는 우주의 시작, 그러니까 시공간의 탄생은 어떻게 관측할 수 있을까? 이에 대한 실험은 서로 완전히 독립적인 두 가지 방법으로 진행된다. 무한히 작은 것을 탐구하는 입자 물리학으로의 접근과 초거대 망원경을 사용해 무한히 큰 우주를 탐사하고 우주 전체까지 관측하는 시도다. 놀라운 점은 무한히 작은 입자의 세계에서 수집된 데이터와 천문학적 규모의 먼 거리에서 수집된 데이터가 동일한 이야기로 수렴한다는 점이다. 세계적인 실험 물리학자 귀도 토넬리의 첫 책 ≪제네시스≫는 우주의 전체이자 시작을 품은 채 138억 년 동안 잠들어 있던 한 줌의 작은 입자로부터 시작한다. 그 출발점에는 물질, 즉 암석과 행성, 꽃과 별 등 우리를 포함한 모든 것을 형성하는 물질이 특별한 성질을 가지고 있다는 사실이 있다. 이는 우주가 매우 오래되었고 현재 엄청나게 차가운 구조라는 사실과 관련이 있다. ‘우리 집’ 지구에 고립된 우리로서는 모든 것이 따뜻하고 편안해 보이지만, 대기의 보호막을 벗어나자마자 온도는 급락한다. 희박하고 매우 오래되었으며 차가운 현재 우주의 물질은, 엄청나게 높은 밀도로 작열하는 물체였던 아기 우주 때의 물질과 완전히 다르게 행동한다.

그렇다. 우주 탄생의 첫 순간에 무슨 일이 일어났는지 이해하려면, 우리는 현재 물질의 작은 조각을 원래 조건의 매우 높은 온도로 되돌리는 방법을 찾아야 한다. 일종의 시간 여행을 시도해야 하는 것이다. 이것이 바로 유럽 입자 물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 일어나는 일이다. 이 기계로부터 원시우주와 비슷한 온도로 가열하여 멸종된 입자를 다시 살려낼 수 있다.

“여기에서 공간의 작은 부분을 원시우주와 비슷한 온도로 가열하여 멸종된 입자를 다시 살려낼 수 있습니다. 태초의 작열하는 물체를 채우고 있다가 이미 오래전에 사라진 극대 입자들을 되살리는 것입니다. 가속기 덕분에 입자들이 마치 얼음 석관에서 동면 중이다가 깨어난 것처럼 한순간 다시 나타나 우리가 이를 자세히 조사할 수 있게 됩니다. 힉스 보손도 이런 식으로 발견한 것이었습니다. 우리는 138억 년 동안 잠들어 있던 입자 한 줌을 다시 깨워냈습니다.” _본문 중에서

이 책의 저자 귀도 토넬리는 바로 이 ‘신의 입자’라 불리는 힉스 보손(우리 우주를 구성하는 가장 근본적인 입자) 발견의 중심에 있었다. 그는 이 발견을 통해 현대 물리학으로 우주를 설명하는 데 있어 가장 중요한 역할을 해냈다. 귀도 토넬리는 힉스 보손의 발견으로부터 우주의 시작과 시공간의 탄생, 진공 상태로부터 어떻게 우주 전체가 만들어졌는지, 현재와 같은 광활하고 다양한 모습의 우주로 진화하는 과정 등을 7일로 나누어 이 책에서 이야기한다. 우주 초기부터 최근까지 인간이 밝혀낸 것들 중 거의 모든 것들, 또 아직도 우리가 모르는 것들과 알아내고 있는 것들, 우주의 기원과 역사에 대한 다양한 인문학적 비유로 7일의 여정을 이끈다.

우주의 기원을 향한 여정,
모든 편견을 버려라

“우리는 이제 곧 세계의 기원을 향한 여정을 시작할 것입니다. 그러기 위해서는 사물의 지속성이나, 우리 주변의 조화로움을 목격할 때 느껴지는 안도감 등 우리의 일상을 이끄는 개념들을 즉시, 그리고 영원히 버려야 합니다. 모든 것이 질서정연하고 규칙적인 체계로 보이고 그와 대조되는 혼돈과 무질서는 멀리 구석으로 밀려나 있던 때와는 달리, 우리는 더 이상 우주를 ‘코스모스’라는 말로 부를 수 없게 될 것입니다.” _본문 중에서

우리는 습관적으로 보고 경험하는 것들에 크게 좌우되며 살기 때문에, 우리 삶을 지배하는 법칙이 우주의 다른 모든 구석에 널리 펴져 있는 법칙과 같을 것이라고 자연스럽게 생각한다. 낮과 밤, 달이 뜨고 해가 지는 것, 하늘에 떠 있는 별과 구름, 바람이 불고 파도가 치는 것…. 하지만 사실은 그렇지 않다. 오히려 그 반대다. 이 책은 우리가 잊고 사는 혹은 착각하고 있는 우주에 대한 ‘실제’를 이해하기 위한 여정, 그 자체가 될지도 모르겠다. 사실, 아름답고 반짝거리는 ‘코스모스’의 겉모습 아래 ‘카오스’가 숨어 있다는 것을 이해하기 위해서는 먼 은하까지 갈 것도 없다. 우리의 태양만 자세히 들여다봐도 된다. 평온하게 우리의 하루를 비춰주는 태양 가까이 가보면 무수한 열핵 폭발, 대류 운동, 엄청난 질량의 주기적 진동과 사방으로 뿜어지는 플라즈마로, 그야말로 ‘혼돈의 카오스’가 따로 없다. 이 혼돈도 멀리서 보면 질서정연하고 규칙적으로 보일 수는 있다.

무한히 작은 세계에서도 마찬가지다. 겉보기에 매끄럽고 광택이 나는 표면도 아주 자세히 보면 양자들이 미친 듯이 요동치고 진동하며 상호작용하고 있기 때문이다. 미시적 관점에서의 물질은 우연과 불확정성 원리가 지배하는 양자역학의 법칙을 따른다. 아무것도 가만히 있지 않고, 모든 것이 끊임없이 변화하는 다양한 상태와 가능성으로 부글거린다. 이 책 속 7일 동안 펼쳐지는 이야기에서 기본 입자 세계의 가장 작은 구석을 탐사할 때에도, 은하나 은하단과 같은 거대 구조, 별의 중심에서 일어나는 일을 관찰할 때에도 이와 같은 상호작용들을 우리는 계속해서 마주한다. “우주의 탄생을 이해하려면 우리는 무엇보다도 질서에 대한 편견을 버려야 한다.”고 귀도 토넬리는 말한다. 이 여정에 필요한 것은 정말로 단 하나, ‘편견을 버리는 것’이다. 그렇게만 한다면, 우리는 이 책을 통해 공상과학소설조차 진부하게 보일 정도의 대담한 개념을 마주할 수 있을 것이다. 과학은 이 세상 그 어떤 것보다 풍부한 상상력과, 강력한 사실들로 우리의 기원을 이야기해줄 수 있기 때문이다. 그리고 이는 세상에 대한 우리의 관점을 영원히 바꾸어놓게 될 것이다.