'밤이면 왜 어두워지는가'를 생각해 본 적 있니?

[과학책을 읽읍시다]<4>백미러 속의 우주-대칭으로 읽는 현대물리학

공상과학(SF) 영화 '인터스텔라' 이후 물리학에 대한 일반인들의 관심도가 부쩍 높아졌다. 관련 물리학 도서들도 덩달아 인기다. 지적 갈증 해소를 기왕이면 품격 있게 즐기려는 독자층이 늘어난 덕일지도. 하지만 여전히 물리학은 어렵다. 초중고등학교 제도권 교육을 받은 자라면 '난해한 학문'이란 인식이 주홍글씨처럼 새겨져 있다. 그래서 이 책은 유의미하다. '백미러 속의 우주'의 저자 데이브 골드버그는 이 같은 벽을 유머러스로 유쾌하게 허문다.

/사진=해나무

물리학자인 골드버그는 독자들에게 끊임없이 질문을 던진다. △우주는 왜 텅 비어 있지 않고 무언가가 존재하게 되었는가(1장 반물질) △시간의 진정한 실체는 무엇인가(2장 엔트로피) △밤이면 왜 어두워지는가(3장 우주원리) △은하들 사이에서 실시간 통신이 불가능한 이유는 무엇인가(5장 상대성이론) △블랙홀은 왜 영원히 존재할 수 없는가(6장 중력) △나는 왜 의식을 가진 헬륨가스가 아닌가(8장 스핀) 등. 이 모든 질문에 답하면서 저자는 책의 긴 호흡을 이어간다.

질문을 풀어낼 키는 '대칭'이다. 대칭은 현대 물리학을 떠받치는 핵심 개념이다. 우주에서부터 소립자에 이르기까지 거의 모든 것이 대칭이라는 개념으로 설명할 수 있다. 물론 대칭에 무작위성이 들어와 우리가 아는 우주는 매우 복잡해진다.

책은 우주 탄생 직후에 일어난 모종의 대칭 붕괴로 우리가 존재하게 됐다고 말한다. 하지만 그 이후 대칭의 질서는 계속 유지되고 있다. 에너지 보존법칙, 태양과 행성 간 중력 등은 똑같이 작용한다. DNA는 두 개의 나선이 일정한 간격으로 이뤄져 있어 부모의 형질을 고스란히 자손에게 전해준다.

"페르시아 양탄자는 부분적으로 대칭이 깨져 있어서 한층 더 아름답게 보인다고 한다. 이런 점에서 볼 때 우리의 우주가 비재칭적인 것은 다행스런 일이다. 완벽한 대칭 구조였다면 참으로 무미건조하고 따분한 우주가 되었을 것이다"(본문 23쪽).

대칭이라는 키워드로 미시와 거시세계를 오가며 풀어놓는 저자만의 독특한 해설이 재미를 더한다.

특히 이 책은 대칭의 대가로서 현대 물리학에 탄탄한 기초를 제공했지만 거의 알려지지 않은 비운의 천재 여성 수학자 에미 뇌터(1882~1935년)를 재조명했다는 점에서 깊은 인상을 남긴다.


그는 아인슈타인과 동시대를 살았다. 그는 물리법칙이 시간에 따라 변하지 않고, 에너지는 새로 창조되거나 파괴되지 않는다는 것을 수학이론으로 증명한 과학자다. 저자는 뇌터의 정리에 관해서 "우리가 배운 에너지·운동량 보존뿐만 아니라 전하·스핀 보존 등 다양한 물리량의 보존을 설명해 주고 있으며 입자물리학의 표준모형 이론에 수학적 기초를 제공했다"고 평가한다.

이 책을 읽고 나면 반물질과 엔트로피, 상대성 이론, 힉스입자 등 고난위도 물리학 이론을 특별한 배경지식이 없어도 자연스럽게 이해하게 되는 묘한 마법에 빠지게 된다.

◇백미러 속의 우주=데이브 골드버그 지음. 박병철 옮김. 해나무 펴냄. 508쪽/2만원.