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

빌 클린턴과 리처드 도킨스가 동시에 추천하는 단 하나의 물리학 책
《타임》선정 “전 세계에서 가장 영향력 있는 인물 100”
《뉴욕 타임스 북 리뷰》선정 “주목할 만한 도서 100”

노벨상에 가장 가까운 여성 물리학자, 리사 랜들
비틀린 여분 차원 물리학의 창시자가 들려주는 우주의 기본 구조,
그리고 과학의 미래

아인슈타인의 일반 상대성 이론이 발표된 지 100년인 지금, 물리학은 혁명적인 발전을 이룩하고 있다. 10의 마이너스 수십 제곱 미터의 극미소의 물체를 다루는 입자 물리학과 우주, 은하단, 은하 같은 수백억 광년 크기의 초거대 천체들을 다루는 우주론이라는, 스케일이 극단적으로 다른 두 분야에서 괄목할 만한 발전이 이루어지고 있다. LHC(유럽 입자 물리학 연구소 CERN이 운영하는 대형 강입자 충돌기)에서 힉스 보손이 발견되고, 우주의 팽창이 날이 갈수록 빨라진다는 우주의 가속 팽창이 발견되고, 우주 마이크로파 배경 복사로부터 우주 진화의 역사를 해명되는 등, 수십 년간 물리학자들이 이론적으로 장님 코끼리 만지듯 추측만 하던 것들이 구체적으로, 정량적으로 밝혀져 물리학자들을 미래로 이끌고 있다. 게다가 입자 물리학과 우주론의 연구는 그 거대한 스케일 차이에도 불구하고 급속히 서로 중첩되며 융합되고 있어 연구하는 물리학자들 자신들도 그 미래를 짐작하기 힘들 정도다.

100년 전 아인슈타인의 상대성 이론과 그 시기에 함께 발전하고 있던 양자 역학이 만나 물리학과 과학은 물론이고 공학과 기술, 더 나아가 철학과 사상, 그리고 사회와 문명 전체를 바꿨듯이(아인슈타인의 질량-에너지 등가성과 핵물리학이 만나 원자 폭탄을 낳았고, 일반 상대성 이론과 전기 역학이 만나 GPS를 낳았다.) 21세기 초반 진행되고 있는 입자 물리학-우주론 혁명은 21세기 후반 인류 문명을 지금과는 완전히 다른 것을 바꿀 것이다.

이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 리사 랜들(Lisa Randall) 하버드 대학교 교수의 『천국의 문을 기다리며(Knocking on Heavens Door)』에서 입자 물리학과 우주론이 중첩되는 현대 물리학의 최전선에서 어떤 일이 벌어지고 있는지, 그리고 물리학자들이 꿈꾸는 미래의 물리학이 어떤 것인지, 바로 그 분에서 맹활약을 펼치고 있는 세계 최정상급 여성 물리학자의 육성을 통해 생생하게 들을 수 있다.

책을 시작하며

1부 현실 세계의 스케일
1장 당신에게는 아주 작은 것, 내게는 아주 큰 것
2장 잠겨 있지 않은 비밀
3장 물질 세상에서 산다는 것
4장 대답을 찾아서

2부 물질의 스케일
5장 마술적인 수수께끼 여행
6장 보는 것이 믿는 것이다
7장 우주의 끝

3부 기계 장치, 측정, 그리고 확률
8장 모든 것을 지배하는 하나의 링
9장 반지의 귀환
10장 세상을 삼킬 블랙홀
11장 물리학과 위험 관리
12장 측정과 불확실성
13장 CMS와 ATLAS
14장 입자 확인하기

4부 모형, 예측, 그리고 결과
15장 진리, 아름다움, 그리고 그 밖의 과학적 오해들
16장 힉스 보손
17장 표준 모형의 후계자들
18장 상향식 대 하향식

5부 우주의 스케일
19장 안에서 밖으로
20장 당신에게는 아주 큰 것, 내게는 아주 작은 것
21장 암흑에서 온 방문자

6부 다음 탐구를 준비하며
22장 전체적으로 생각하고 구체적으로 행동하라

책을 마치며
감사의 말
옮긴이 후기
후주
찾아보기

리사 랜들 , 이강영

2015년 12월 3일, 유럽 우주국(ESA)은 우주에서 중력파를 검출하는 기술을 검증하기 위한 탐사선 ‘리사 패스파인더(LISA Pathfinder)’를 3일 발사하는 데 성공했다고 밝혔다. 리사 패스파인더는 우주 공간에서 중력파를 검출하기 위해 2034년에 발사될 예정인 ‘발전형 레이저 간섭계 우주 안테나(eLISA)’ 건조에 필요한 기술을 검증하기 위한 위성이다. 우주에 곳곳에 퍼져 있는 시공간의 파동이라고 해도 좋을 중력파는 올해로 발표 100주년을 맞이한 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 검증할 최후의 시금석인 동시에, 앞으로 인류가 우주의 시공간 전체와 심지어 다른 우주를 탐사하고 개척할 때 사용할 막강한 관측 도구이다. 리사 패스파인더를 시작으로 한 ‘리사 프로젝트’가 중력파를 직접 검출하는 성과를 거둔다면, 우주의 기본 구조와 근본 법칙을 탐사해 온 물리학과 과학의 지적 성취는 단숨에 몇 단계를 건너뛸 수 있게 될 것이다. 실제로 리사 패스파인더는 이런 점을 고려해 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한 지 정확하게 100년이 되는 12월 2일을 기념해 발사될 예정이었다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론이 발표된 지 100년인 지금, 물리학은 혁명적인 발전을 이룩하고 있다. 10의 마이너스 수십 제곱 미터의 극미소의 물체를 다루는 입자 물리학과 우주, 은하단, 은하 같은 수백억 광년 크기의 초거대 천체들을 다루는 우주론이라는, 스케일이 극단적으로 다른 두 분야에서 괄목할 만한 발전이 이루어지고 있다. LHC(유럽 입자 물리학 연구소 CERN이 운영하는 대형 강입자 충돌기)에서 힉스 보손이 발견되고, 우주의 팽창이 날이 갈수록 빨라진다는 우주의 가속 팽창이 발견되고, 우주 마이크로파 배경 복사로부터 우주 진화의 역사를 해명되는 등, 수십 년간 물리학자들이 이론적으로 장님 코끼리 만지듯 추측만 하던 것들이 구체적으로, 정량적으로 밝혀져 물리학자들을 미래로 이끌고 있다. 게다가 입자 물리학과 우주론의 연구는 그 거대한 스케일 차이에도 불구하고 급속히 서로 중첩되며 융합되고 있어 연구하는 물리학자들 자신들도 그 미래를 짐작하기 힘들 정도다.

100년 전 아인슈타인의 상대성 이론과 그 시기에 함께 발전하고 있던 양자 역학이 만나 물리학과 과학은 물론이고 공학과 기술, 더 나아가 철학과 사상, 그리고 사회와 문명 전체를 바꿨듯이(아인슈타인의 질량-에너지 등가성과 핵물리학이 만나 원자 폭탄을 낳았고, 일반 상대성 이론과 전기 역학이 만나 GPS를 낳았다.) 21세기 초반 진행되고 있는 입자 물리학-우주론 혁명은 21세기 후반 인류 문명을 지금과는 완전히 다른 것을 바꿀 것이다.

이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 리사 랜들(Lisa Randall) 하버드 대학교 교수의 『천국의 문을 기다리며(Knocking on Heavens Door)』에서 입자 물리학과 우주론이 중첩되는 현대 물리학의 최전선에서 어떤 일이 벌어지고 있는지, 그리고 물리학자들이 꿈꾸는 미래의 물리학이 어떤 것인지, 바로 그 분에서 맹활약을 펼치고 있는 세계 최정상급 여성 물리학자의 육성을 통해 생생하게 들을 수 있다.

수수께끼로 가득 찬 우주 속에서 살아가야 하는 우리 모두의 필독서.
-무라야마 히토시(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)

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)』는 서구는 물론, 우리나라와 일본 등 20여 개국에서 번역 출간되어 전 세계 과학 독서계의 베스트셀러가 되었다.《뉴욕 타임스》에서는 ‘올해의 책’ 중 하나로 선정하기도 했다.

『숨겨진 우주』의 프리퀄, 『천국의 문을 두드리며』
과학을 한다는 것은 과연 무엇인가?

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)

리사 랜들의 두 번째 작품인 이 『천국의 문을 기다리며』 역시 출간되자마자 미국과 유럽의 과학 베스트셀러가 되었고 《뉴욕 타임스 북 리뷰》가 선정하는 “주목할 만한 도서 100” 중 하나로 선정되는 등 과학 독자들의 뜨거운 관심을 불러일으켰다. 이 책에서 리사 랜들은 전작 『숨겨진 우주』에서 치밀한 논리와 획기적인 상상력으로 비틀린 시공간 기하를 이용해 숨겨져 있는 차원과 우리 우주의 3차원 세계를 연결했듯이 다루는 대상의 크기 스케일 차이가 10의 60제곱 배나 되는 입자 물리학과 우주론을 연결 짓는다.

리사 랜들은 자신의 이번 책을 『숨겨진 우주』의 후속작이지만 동시에 “프리퀄”이라고 부른다. 이 책에서 랜들은 우리가 일상 속에서 만나는 물체들을 이루고 있는 원자나 쿼크 같은 가장 근본적인 구성 요소들이 우리가 직관적으로 알고 있는 일상적인 물리 법칙과는 안전히 다른 법칙의 지배를 받고 있음을 강조한다. 예를 들어 딱딱한 의자를 이루고 있는 원자는 원자핵과 전자 빼면 99.999999퍼센트가 텅 빈 공간에 불과하고, 우리가 던진 공을 떨어뜨리고 태양과 달을 운행시키는 원동력인 중력은 아원자의 세계에서는 10의 16제곱 배나 약한, 아주 약하디 약한 힘에 불과하다.

물리학의 세계에서 물리 법칙은 대상이 가진 크기 스케일과 에너지 스케일이 달라짐에 따라 바뀌는 것처럼 보인다. 그렇다면 어떻게 가장 작은 것들을 지배하는 법칙이 가장 큰 것들의 법칙과 조화를 이룰 수 있는 것일까? 가장 작은 것들을 지배하는 법칙들이 우리가 관측하는 삼라만상의 수많은 현상들을 설명하는 데 사용되고 있지 않은가? 양자 역학은 현재 물리학만이 아니라 화학, 생물학, 전자 공학, 컴퓨터 공학 등 다양한 방면에서 활용되고 있다. 스케일마다 달라지는 물리 법칙이 어떻게 이렇게 스케일을 넘나들며 활용 가능해지는 걸까? 이 문제는 물리학이라고 하는 학문의 기저에 대한 질문이다. 물리학이라고 하는 과학이 어떻게 가능한가 하는 물음이다. 『숨겨진 우주』에서 보여 준 입자 물리학에서 우주론까지의 현란한 도약과 융합이 어떻게 가능한가 하는 이 물음에 답하면서 리사 랜들은 당시 세계를 지배하던 종교와 갈등을 빚어 가면서까지 연구를 계속했던 갈릴레오를 불러 내며 물리학과 과학의 가치, 역사, 기초를 이 책에서 탐구한다. 그래서 『숨겨진 우주』의 프리퀄인 것이다.

힉스 입자, 또 암흑 물질의 정체는 무엇일까?
그리고 우리는 어떤 차원에 살고 있는 것일까?
LHC를 비롯한 최첨단 실험들은 어떤 답을 가져다줄까?

LHC는 2009년 가동되자마자 얼마 지나지 않아 힉스 보손 발견이라는 놀라운 성과를 이뤄냈다. 40여 년간 누락되어 있던 입자 물리학의 표준 모형의 마지막 퍼즐이 맞춰진 것이다. 리사 랜들은 이 책에서 우주의 수수께끼에 도전하는 현대 물리학자들의 최전선 기지, LHC에 대한 찬가이자 그 역사와 전모를 소개한 서사시를 노래한다.

명실공이 국제 공동 연구 프로젝트로 시작된 LHC가 어떤 우여곡절을 거쳐 현재 지구상에서 대폭발에 가장 가까운 에너지를 구현하는 ‘머신’으로 만들어졌는지, TNT 수백 톤의 에너지를 내장한 초전도 자석들과 우주 공간보다 차갑고 희박한 공간을 구현해 내는 초저온, 초진공 기술 등 현대 공학자들이 실현 가능한 극한의 기술이 펼쳐져 있는 LHC의 구석구석을 안내한다. 그 과정에서 과학자들이 자신이 하는 연구가 혹시 부를지도 모를 불상사를 예방하기 위해서 어떤 식으로 사고를 하고 조치를 하는지. LHC에서 생성된 블랙홀이 지구를 종말의 위험에 빠뜨릴지도 모른다는 해프닝 같은 논쟁을 가지고 생생하게 보여 준다.

리사 랜들은 이렇게 연구와 실험을 설계하고, 안전성을 검토하고, 지금 하고 있는 실험이 미래 연구의 초석이 될 수 있도록 치밀하게 맞물려 진행되는 과학 연구와 금융 경제나 정치 사회 등 다른 분야의 위험 분석이나 위험 평가 등을 비교하며 과학 연구 방법론의 장단점을 다른 어디서도 볼 수 없는 섬세한 필치로 소개하고 있다. 진화 생물학자이자 종교의 비판자로 큰 명성을 떨치고 있는 리처드 도킨스는 리사 랜들의 이러한 시도를 높게 평가하며 리사 랜들에게 “과학과 이성의 옹호자”라는 타이틀을 부여할 정도이다.

LHC에서 현재 이뤄지고 있는 실험과 연구에 대한 리사 랜들의 평가가 아무리 높다고 해도, 현재의 연구가 이 책의 전부는 아니다. 리사 랜들은 현재 이뤄지고 있는 실험들이 어떻게 미래 물리학의 기초가 되는지도 소개한다. LHC에서 이뤄지고 있는 양성자 충돌 실험들이 가져올지도 모르는 결과들, 암흑 물질의 정체 해명, 암흑 에너지의 수수께끼에 대한 실마리 발견, 초대칭성을 증명해 줄 초대칭성 입자의 흔적 검출, 그리고 리사 랜들 자신의 이론인 ‘비틀린 여분 차원 모형’을 입증해 우리 우주 속에 숨겨진 고차원 우주의 존재를 가르쳐 줄 칼루차-클라인 입자의 발견 등 미래 물리학의 주춧돌이 될 실험과 이론을 상세하게 소개한다. 말 그대로 미래 물리학의 지남서(指南書)라고 할 수 있을 정도다.

현대 물리학이 펼치는 새로운 미래의 필독서
비틀린 5차원 우주를 안내하는 새로운 항해도

21세기 첫 10년을 보낸 지금, 우주의 가장 근본적인 기본 구조에 대한 물리학의 이해가 커다란 변혁을 맞이하고 있다. 이것은 아마도 급격한 과학 혁명을 동반하는 패러다임 이동을 낳을 것이다. 우리가 우주에 대해 알고 있는 것은 고작 10년 안에 송두리째 바뀔지도 모른다. LHC를 시작으로 지상은 물론이고 우주 공간에서 갈릴레오 이후 400년 동안 그 누구도 상상하지 못했던 실험들과 이론적 도전들이 진행되고 있다. 최첨단의 현대 물리학은 과학의 진리가 감춰져 있는 천국의 문을 두들기며, 우주와 세계 이해의 새로운 장으로 우리를 안내할 것이다.

지금 우주의 기원과 운명의 수수께끼가 극적으로 해명되기 시작했다. 현대 물리학 발전의 최전선에 서 있는 리사 랜들 하버드 대학교 물리학 교수의 명쾌한 설명을 통해 새로운 우주로 나아가는 대모험을 떠날 때가 되었다. 리사 랜들이 그린 새로운 항해도를 놓치지 마라!