나의 첫 우주론 수업

이 책은 노벨 물리학상 수상에 빛나는 미셸 마요르 박사의 편지 한 통으로 시작됩니다.
“친애하는 독자 여러분. 이 책 덕분에 저는 모든 물리학자가 꾸는 꿈을 이룰 수 있었어요. 바로 블랙홀을 가까이 들여다보는 것 말이에요.”
박사는 인류 최초로 외계 행성을 발견해 노벨상을 수상했습니다. 인류가 다행성 종족의 꿈을 펼칠 수 있을지 묻는 질문에 “외계 행성은 너무 머니까, (허황된 꿈을 꾸느니) 아직 살 만한 우리 행성부터 보존하라!”고 따끔한 일침을 놓은 인터뷰가 유명하기도 하지요.

박사는 머나먼 옛날부터 지구의 모든 문명권 사람들은 “세계는 언제 그리고 어떻게 생겨났을까?”라는 공통된 수수께끼에 매달렸으며, 그 문제를 푸는 것이 바로 ‘우주론’의 숙제라고 이야기하지요. 이 책이 바로 우주론의 경이로운 발견을 소개하는 여행으로 우리를 안내해 줄 거라고요.
우주론자들이 싸워 온 하루하루는 사실 어렵고 복잡한 방정식과 숫자를 둘러싼 고독한 사투나 다름없습니다. 하지만 이 책은 일반인과 청소년에게 무의미한 숫자와 기호로 가득한 방정식을 최대한 배제하고 ‘비치타올과 쇠구슬’ 같은 시각적 은유를 통해 우주를 흥미롭게 설명하고자 합니다.

제1장에서는 우주론의 바탕이 되는 기본적 물리 법칙인 중력을 알기 쉬운 비유와 영화 등의 예시를 들어 설명합니다.
제2장에서는 우주가 어떻게 탄생하고 변화해 왔는지, 우주에는 어떤 물질이 존재하고 그 양은 얼마나 되는지, 우주에서 가장 오래된 빛 CMB는 어떻게 생겨났는지 등 우주론의 기초를 압축적으로 전달합니다.
제3장에서는 ‘우주의 슈퍼스타’라고 불리는 블랙홀의 정체를 파헤치며 여전히 밝힐 것이 많이 남아 있는 우주의 암흑 물질과 암흑 에너지에 대해서도 언급합니다.
자, 그럼 노벨상 수상자 미셸 마요르와 빨간 머리 물리학자 셀레스트, 엉뚱 발랄한 청소년 발랑틴, 세 사람과 함께 138억 년 시공간을 추적하는 초압축 우주여행을 시작해 볼까요?

우주를 알고 싶어? 그렇다면 ‘중력’부터!

이들이 처음으로 도착한 곳은 16세기 초 이탈리아 피사의사탑 앞입니다. 우주론의 기초를 위해 가장 먼저 해야 되는 일이 중력을 이해하는 것이기 때문이죠. 그때 그곳에서는 갈릴레이가 물체의 낙하 현상과 천체의 운동 방식을 연구했고, 그로 인해 수십 년 뒤 영국에서 아이작 뉴턴이 만유인력의 법칙과 그것을 뒷받침하는 운동의 세 가지 법칙(관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙)을 발견할 수 있었답니다. 뉴턴의 위대한 발견이 있고 나서 200여 년 뒤에 아인슈타인은 공간과 시간이 다른 것에 의해 변할 수도 있다는 걸 발견하며 일반 상대성 이론의 기초를 다졌고요. 물론 뉴턴과 아인슈타인 사이 200년 동안에도 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 이론이라든가 푸앵카레와 민코프스키가 수학 분야에서 이룬 발견 등이 있었다는 것도 잊지 않고 짚어 줍니다.

우주는 어떻게 태어나고 죽을까?

중력에 대한 여행을 마친 이후에 세 사람은 본격적으로 깊은 우주의 바다를 탐구하기 시작합니다. 우주는 어떻게 탄생했을까? 시간이 지나면서 어떻게 변했을까? 우주는 왜 계속 팽창할까? 왜 은하들은 지금처럼 분포되어 있을까? 미래에는 어떤 일이 일어날까? 우주도 언젠가는 ‘죽음’을 맞이하게 될까? 이 모든 질문을 연구하는 데 보편적인 틀을 제공한 것이 바로 아인슈타인의 일반 상대성 이론이죠.
책은 아주 흥미로운 사실도 되짚어 줍니다. 보통 ‘빅뱅’이라고 하면 ‘대폭발’을 떠올리지만, 실제로는 어떠한 폭발도 일어나지 않았거든요. 폭탄 같은 물질이 있어서 한순간에 폭발하며 우주가 생겨난 게 아니라, 빅뱅 이전에는 그저 아무것도 없는 완전한 ‘무’의 상태였다는 겁니다. 이렇게 우주가 ‘그냥 갑자기’ 나타났다는 것에 대해서 아무도 완벽하게 설명하지 못하죠.
그러나 우주가 알 수 없는 이유로 생겨나고 나서 1초 뒤쯤부터 전자, 광자, 쿼크 등 기본 입자들이 끓는 수프 같은 우주 속에서 어떻게 합쳐져 물질을 이루었는지, 그 후 38만 년 만에 최초의 빛 CMB가 생겨난 과정 등은 비교적 상세히 밝혀져 있습니다.

우주의 최고 스타 블랙홀과 우주의 7할 암흑 에너지

우주론에 대한 지식이 거의 없는 사람들에게도 익숙한 개념이 있습니다. 바로 ‘블랙홀’이죠. 블랙홀은 과학 분야를 넘어서 수많은 서사 작품에 영감을 불어넣었습니다. 일상적으로도 ‘블랙홀처럼 모든 것을 빨아들인다’는 표현을 쓰곤 하잖아요.
철저히 물리학적으로 말하면 블랙홀은 독일의 물리학자이자 천문학자인 카를 슈바르츠실트가 아인슈타인의 방정식을 풀다가 발견해 낸 ‘해’(값)를 말하는데요. 나아가 실제로 블랙홀은 어떻게 생기고 어떤 모습을 보이는지, 그와 관련해 ‘사건의 지평선’은 무엇을 말하는지 등을 알려 줍니다.

[교과 연계]

중학 과학1
Ⅱ. 여러 가지 힘
V. 물질의 상태 변화
VI. 빛과 파동
VII. 과학과 나의 미래
중학 과학2
Ⅰ. 물질의 구성
중학 과학3
I. 화학 반응의 규칙과 에너지 변화
III. 운동과 에너지
VI. 에너지 전환과 보존
VII. 별과 우주
고등 통합과학
Ⅰ. 물질의 규칙성과 결합
Ⅱ. 자연의 구성 물질
Ⅲ. 역학적 시스템
물리학Ⅰ
I. 역학과 에너지
II. 물질과 전자기장
III. 파동과 정보 통신
물리학Ⅱ
II. 물질과 전자기장
지구과학Ⅰ
V. 별과 외계 행성계
VI. 외부 은하와 우주 팽창
지구과학Ⅱ
VI. 행성의 운동
VII. 우리은하와 우주의 구조