#한재 신충우 파일 297
“우린 답을 찾을 것이다. 늘 그랬듯이”
영화 <인터스텔라>의 포스터에 제시된 표어이다.
우주의
블랙홀(Blackhole)에는
‘사건의 지평선’이라 불리는,
넘어서면
빛도 빠져나오지 못하는 경계가 있다.
사건의 지평선을 넘어섰을 때
어떤 일이 일어나느냐에 대해선
두 가지 견해가 있다.
하나는 아무 일도 없다는 것과
또 하나는 뭔지 알 수 없지만
무언가 일이 벌어진다는 것이다.
블랙홀은
검은 구멍이란 말로,
강한 중력에 의해
빛 조차 빠져 나올 수 없어서
검게 보이는 천체를 뜻한다.
2014년에 개봉된
크리스토퍼 놀란 감독의 SF영화
<인터스텔라>는 아직 밝혀지지 않은 그 지점 이후를
‘덧차원’(extra dimention)으로 설명한다.
지난해에도 10년만에 재개봉됐다.
2022년 재개봉됐던 인터스텔라<출처>네이버영화
덧차원은 우리의 인지능력으론 감지할 수 없지만
3차원보다 더 높은 차원이
우리 공간과 겹쳐져 있다는 이론인데
1920년 상대성이론을 확장하기 위해 사용되기도 했다.
전자기력에 비해
현격히 낮은 중력의 문제를 설명할 수 있어
90년대 후반부터 각광을 받았다.
이것은 덧차원으로 중력이 빠져나갔다는 가설이다.
<인터스텔라>의 모델은
영화적 상상력으로 구현한 것이지만
전혀 엉뚱한 이미지는 아니다.
다만 과학적 증명이라기보다는
시각적으로
상상력을 잘 구현했다고 표현하는 것이 적절할 것 같다.
SF영화는 우주과학의 선행지수 역할을 해왔다.
<인터스텔라>에는 덧차원을 비롯해
아인슈타인의 상대성이론, 중력, 블랙홀과 웜홀 등
다양한 과학이론이 등장한다.
이에 따라
영화를 본 일반 관객들은
영화가 어렵다는 반응을 보였다.
이러한 대중들의 욕구를 충족하는 책이
영화와 비슷한 시기에 나온
<이종필 교수의 인터스텔라>로,
부제는 쉽고 재미있는 우주론 강의.
동아시아가 내놓은 ‘이종필 교수의 인터스텔라’<출처>알라딘
영화에서 간략하게 설명해주고 있지만
그것만으로는 부족한 여러 이론들,
그리고 영화에서 가르쳐주지 않는
다른 과학이야기도 함께 다루고 있다.
7세기 신라시대 사람들이 천문학에 관심을 가진 이유,
밤하늘이 어두운 이유, 중력과 달,
특수상대성이론과 일반상대성이론의 개념,
블랙홀과 웜홀, 우주와 은하, 4차원을 넘어선 덧차원 등
영화 이해를 돕는 것은 물론,
그 외의 ‘우주론’과 관련된
일반 대중들의 궁금증을 제대로 짚어 이야기한다.
영화를 보면서
가슴으로 느낀 인터스텔라의 감동을
이 책을 통해 머리로 이해할 수 있게 한다.
영화를 이미 본 사람이라면
영화 속 궁금증을 해소하면서 동시에
영화의 감동을 재음미할 수 있을 것이고
영화를 보지 않은 사람이라도 책을 통해
신비로운 우주에서 펼쳐지는 이야기를
과학적으로 이해할 수 있는 기회가 될 것이다.
이 책에서 내가 관심을 갖는 것은
덧차원으로
그가 언론에 기고했던 ‘덧차원’에 대한 글을
개념정리차원에서 소개한다.
“우리는 4차원 시공간(시간 1차원과 공간 3차원) 속에 살고 있다. 왜 하필 4차원일까? 과학자들도 잘 모른다. 공간차원이 더 있더라도 큰 문제가 되지는 않는다. 테오도르 칼루자와 오스카 클라인은 1920년대에 5차원 시공간을 도입해 중력과 전자기력을 통합하려고 했다. 4차원 시공간에 부가적으로 존재하는 공간을 덧차원(extra dimension)이라고 한다.
만물의 근원이 1차원적인 끈이라는 끈이론에서는 6개의 덧차원이 필요하다. 이게 가능한 일일까? 가느다란 실을 멀리서 보면 1차원의 물체이지만 가까이 다가가서 자세히 살펴보면 두께 방향의 차원을 확인할 수 있다. 원래 우리 우주의 시공간이 10차원이고 그 중 공간의 6차원이 대단히 작게 말려 있다면 우리가 덧차원을 알아채지 못할 수도 있다.
1998년과 1999년 일련의 과학자들은 덧차원의 존재가 물리학의 중요한 문제를 해결할 수 있다고 주장했다. 우리 우주에는 전자기력, 중력, 약한 핵력, 강한 핵력 등 네 가지의 근본적인 힘이 있다. 네 가지 힘 중에서 중력이 압도적으로 약하다. 중력에 비하면 전자기력은 대략 10^40배 정도 강하다. 중력이 왜 이렇게 약할까 하는 문제를 ‘위계문제’라고 한다.
소립자의 세계에서는 위계문제가 골치 아픈 상황을 연출한다. 모든 입자는 양자역학의 원리에 따라 끊임없이 입자들이 생기고 사라지는 과정을 반복하며 자신의 질량이 보정을 받는다. 지난 2012년 발견된 힉스 입자는 그 특성상 다른 입자들에 비해 질량이 보정되는 정도가 대단히 커서 위계문제의 큰 격차가 질량보정에 고스란히 반영된다. 이렇게 보정된 값은 실제 관측한 힉스 입자의 질량보다 천문학적으로 크기 때문에, 애초에 우리 우주에서는 천문학적인 보정이 정확하게 상쇄되는 미세조정이 작동했어야만 했다. 과학자들은 이런 식의 미세조정이 대단히 부자연스럽다고 생각한다.
이 문제를 해결하기 위해 지난 수십 년 동안 많은 이론이 제안되었다. 그 중의 하나가 덧차원 이론이다. 만약 덧차원이 있다면 전체 시공간에서의 중력은 그리 약하지 않아도 된다. 우리가 사는 4차원 시공간에서 중력이 약한 이유는 다른 차원으로 중력이 빠져 나갔기 때문이라고 설명하면 된다.
과학자들이 덧차원에 열광했던 이유는 덧차원이 무결점의 완벽한 이론이기 때문이 아니었다. 덧차원 자체가 전혀 새롭지도 않았다. 20세기 말에 다시 흥행한 이유는 분명 위계문제 해결의 가능성 때문이었다. 대부분의 과학 이론이 그렇다. 갑자기 하늘에서 완전무결한 이론이 떨어지는 경우는 없다.…(하략) …”
1971년 부산에서 태어난
저자는 서울대에서
입자물리이론으로 박사학위를 받고
현재 건국대학교 상허교양대학 교수로
‘과학사’, ‘과학기술 글쓰기’, ‘과학의 원리’를 가르치고 있다.
저서로는
<신의 입자를 찾아서>,
<이종필의 아주 특별한 상대성이론 강의>,
<대통령을 위한 과학 에세이>,
<물리학 클래식>,
<과학자가 나라를 걱정합니다>,
<이종필 교수의 인터스텔라> 등이 있고
옮긴 책으로 <최종 이론의 꿈>,
<블랙홀 전쟁>, <물리의 정석> 등이 있다.
덧차원의
차원(次元)이란
기하학적 도형, 물체, 공간 따위의
한 점의 위치를 말하는 데에 필요한 실수의 최소 개수로
직선은 1차원, 평면은 2차원, 입체는 3차원이지만
n차원이나 무한 차원의 공간도 생각할 수 있다.
차원은
위상으로 보면
1차원은 하나의 직선이나 곡선을 말하고
2차원은 가로 세로로 구성된 평면을 말하고
3차원은 2차원에 높이가 추가된 입체의 공간이고
n차원은 초입체이다.
우리는 3차원에 살고 있어
4차원을 보는 건 불가하다.
우리가 사는 3차원 공간에
시간이 추가되면 4차원이 된다.
통상 기하학상 공간은 3차원이지만
n차원 공간도 고려할 수 있다.
이 개념은 프로그램이 처리하는
데이터 구조의 일종인 배열에 크기라하며
각각의 차원의 치수의 곱으로 표시된다.
예를 들면
m행 n열의 행렬 a(m,n)는 2차원 배열이며
차원의 치수는 m과 n이며
배열의 크기는 m×n이다.
측도로 보면
1차원은 길이이고
2차원은 넓이이고
3차원은 부피이고
n차원은 초부피이다.
우리 인류는
3차원 공간에 사는 생물이라서
4차원이 있다 하더라도
그것을 직접 느낄 수는 없다.
우리가 사는
세상은 몇 차원인가.
사례를 통해 살펴보자.
당신은
달걀을 깨지 않고
노른자만 꺼낼 수 있나.
4차원 공간에 산다면 가능하다
이종필의 ‘물리산책’을 통해 답을 찾아보면
종이에 원을 하나 그려놓고 그 안에 동전을 놓는다.
2차원 평면인 종이 위에서 동전을 움직여 원 밖으로 빼내려면
동전은 반드시 원주를 통과해야만 한다.
그러니까 2차원에서는 동전이 원주를 건드리지 않고
원 밖으로 나갈 수 없다.
그러나 동전을 3차원 방향으로 움직일 수 있으면
얼마든지 원주를 건드리지 않고서 동전을 빼낼 수 있다.
만약 2차원적인 생명체가 있어서
종이 위에서만 살고 있다면
이 생명체의 눈에는 동전이 갑자기 사라졌다가
다시 엉뚱한 곳에 나타나는 것으로 보일 것이다.
2차원 평면을 3차원 공간으로,
종이 위의 원을 달걀로,
그리고 동전을 노른자로 대체하면
4차원의 공간이 어떻게 달걀을 깨지 않고
노른자를 꺼낼 수 있는지 짐작이 갈 것이다.
4차원 공간을 느끼면서
넘나들 수 있는 생명체가 있다면
그는 노른자를 4차원 방향으로 움직임으로써
달걀을 깨지 않고 노른자를 꺼낼 수 있다.
우리가 살고 있는 공간이
3차원보다 더 높은 차원일수도 있다는 생각은
꽤나 오래 되었다.
아인슈타인의 상대성이론은
시간과 공간을 하나의 좌표로 통일해
시공간 4차원을 주창했는데
여기서는 공간이 여전히 3차원에 머물러 있다.
아인슈타인과 동시대에 살았던
칼루자(Theodor Kaluza)와 클라인(Oskar Klein)은
시공간이 5차원일 가능성을 제시했었다.
칼루자-클라인 이론에서는 공간이 3차원이 아니라 4차원이다.
이렇듯 3차원에 부가적으로 덧붙여진 차원을
덧차원(extra dimension, 부가차원, 초차원, 여분차원)이라고 한다.
칼루자와 클라인이 덧차원을 생각한 이유는
적어도 달걀노른자를 빼내는 것보다는 좀 더 고상했다.
그들은 중력과 전자기력을 5차원 이론으로 통합하려고 했었다.
대략 1919년에서 1926년 사이의 일이다.
삶의 세계를 지배하는
물질적인 과학의 반대편에는
죽음의 세계를 지배하는
정신적인 종교가 버티고 있다.
둘의 관계는
어린이 놀이시설 시소와 같아
서로를 견제하는
대립적인 관계로
한 쪽의 영향력이 커지면
반비례해서
다른 쪽의 영향력이 줄어든다.
과거에는 종교국가와 같이
종교가 모든 영역을 관장통치해
막강한 영향력을 행사했으나
오늘날에는 과학문명의 시대로
종교가 합리적인 과학에 밀려나
중동의 이슬람 국가외에는
본연의 신앙역할만을 하고 있다.
우리나라도
120년전만해도 유교국가로서
종교가 모든 영역에 관여했다.
종교는
신자들의
정신적인 세계를 지배해
제국주의시대에는
침략의 도구로 전락해
식민지통치수단으로 악용됐다.
종교와 과학은 서로 다르고
배타적인 인간 사고 영역이다.
신화를 과학으로 바꾸거나
과학을 신화로 바꾸는 것은
서로에 대한 모욕이다.
아직
과학적으로 증명되지 않아
‘혼란스런 정체불명’의 덧차원을
종교적으로 해석해
이런 주장을 하는 기독인들도 있다.
이론물리학자들이 제시한
덧차원이 반대로 신을 설명하는
도구로 악용되는 것이다.
“하나님의 나라는
우리가 사는 세상과 공존하지만
4차원에 사는 우리는 볼 수 없는
5차원 이상의 세상이기 때문”이라고 주장한다.
이런 것을 보고
전문적인 용어로
‘말장난’이라 한다.
신(神)이란
고대인들이 죽음의 공포에서
벗어나 보려고 만들어 놓은
관념어(觀念語)로
눈에 보이지 않지만
존재하는 적‧자외선과 다르게
자연계에 존재하지 않는다.
적외선은 가시광선보다 파장이 길고
자외선은 가시광선보다 파장이 짧아
우리의 눈에 보이지 않는다.
가시광선의 파장은 380-750㎜.
코끼리의 초저음파나
박쥐의 초음파도 가청진동수를 벗어나
우리의 귀로 들을 수 없다.
가청진동수는 20-20,000㎐.
이들은 신과 다르게
우리가 볼 수 없고 들을 수 없지만
자연계에 엄연히 존재한다.
<인터스텔라>에서
영화적 상상력을 이용해
시각적으로 구현해 낸
덧차원은 언제쯤
과학적으로 증명될 수 있을까.
과학계가 증명해 내지 못하면
덧차원은
신을 설명하는
종교의 먹이감이 될 수 있다.
허구소설→SF영화→이론물리학→수학→우주과학
자비네 호젠펠더의 ‘수학의 함정’<출처>알라딘
독일 이론물리학자 자비네 호젠펠더는
저서 <수학의 함정>을 통해
20세기 물리학자들은
상대성이론, 블랙홀, 양자역학, 힉스입자, 중력파 등
자연과 우주의 비밀을 밝히는 데 앞장서 왔으나
최근 40여년 동안은
끈이론, 초대칭 입자, 덧차원, 다중우주 등
실험 불가능한 가설들만 무수히 양산했을 뿐이라며
통렬하게 비판한다.
<목 차>
1장. 물리학의 숨은 규칙
2장. 얼마나 아름다운 세상인가
3장. 통합의 상태
4장. 무너진 기반
5장. 이상적인 이론
6장. 양자역학의 이해할 수 없는 이해 가능성
7장. 모든 것을 지배하는 하나의 법칙
8장. 우주, 마지막 전선
9장. 우주, 그 모든 것, 그리고 그 나머지
10장. 아는 것이 힘이다
<수학의 함정>은 아름다움에 사로잡힌
물리학자들에게 경계의 메시지를 전하는 책으로
2018년
스미소니언 매거진이 선정한 최고의 과학책이다.
현재 이론물리학자들은
수십년 동안
어떤 새로운 법칙도,
유의미한 예측도 도출하지 못했다.
대신 그들은 만물이 너무나도 작아
눈에 보이지 않는 끈으로 이뤄져 있고
아직 발견되지 않은 수십개 입자가 있으며
우리가 사는 우주가 11차원인 데다
심지어 우리가 닿을 수 없는 곳에
수없이 많은 다중우주가 있다고 주장했다.
이론물리학자들이 이런 가설들을 만들고
지지하는 이유는 단 하나,
이 가설들이 ‘너무나도 아름다워서
진실이 아닐 리 없다’고 믿기 때문이다.
하지만 저자는
“내가 아름답다고 생각하건 말건,
자연법칙이 내 생각에
왜 관심을 두겠는가?”라고 대꾸한다.
“지난 수십 년 동안 물리학자들은 세상을 변화시킬 수 있는 새로운 발견이 어디에 있는지 안다고 말했다. 물리학자들은 가속기를 건설했고, 우주 공간에 위성을 쏘아 올렸고, 땅속 깊은 곳에 검출기를 묻었다. 세상은 물리학의 갈망을 실현할 준비가 되어 있었다. 그러나 물리학자들이 새로운 돌파구를 기대했던 그곳에서는 아무 일도 일어나지 않았다. 물리학자들은 실험을 통해 그 어떤 새로운 결과물도 얻지 못했다.
물리학자들은 수학이 아니라 수학의 선택에서 실패했다. 그들은 대자연이 우아하고 단순하며 친절하게 실마리를 내어준다고 믿었다. 그들은 대자연의 속삭임을 들을 수 있다고 생각했지만, 사실 그것은 그들의 혼잣말에 불과했다. 이제 대자연이 입을 열었지만, 대자연은 크고 또렷하게 아무것도 말해주지 않았다.” -P11
1980~1990년대 이론물리학에서
가장 각광을 받은 이론은 초끈이론이다.
모든 것의 이론, 우주의 모든 현상을
통일적으로 기술할 수 있는 이론의 가장 강력한 후보였다.
17세기 이후 물리학 이론은
점점 더 고등한 수학적 언어로 기술되었는데
초끈이론은 그 절정이라는 거다.
그러나 불행하게도 몇십 년이 지난 지금에도
초끈이론의 실험적 근거는 없고
전문가들이 이게 맞나 라면서 초조해 하는 상태라고 한다.
“초끈이론의 문제는
제일 똑똑한 학생들을 아름다운 수학으로 유혹해서
막다른 골목으로 몰아넣는 것이다.”
물리학자들은 우주의 원리가
아름다운 수학으로 기술돼야 한다고 믿지만
저자는 이러한 믿음은 근거가 허약하다고 말한다.
우주가 우리의 믿음, 우리의 감정을
존중해줄 이유가 없기 때문이다.
그래서 요즘 우주를 통합적으로 설명하려는
표준모형을 “용케도 꾸며낸 추한 것”
또는 “임시방편으로 만들어진 추한 것”이라고 공박한다.
“표준모형은 엄청난 성공을 거두었지만, 물리학자들에게는 많은 사랑을 받지 못한다. 미치오 카쿠는 표준모형을 “용케도 꾸며낸 추한 것”이라고, 스티븐 호킹은 “임시방편으로 만들어진 추한 것”이라고 했다. 매트 스트라슬러는 표준모형이 “추하고 지나치게 화려하다”라고, 브라이언 그린은 표준모형이 “너무 유연하다”라고 말했다. 폴 데이비스에 따르면, 표준모형이 “마무리되지 않은 분위기”를 풍기는데 그 이유는 “약전자기력과 강한 핵력을 함께 대충 얽어맨 방법”이 “추한 특성”이기 때문이다. 표준모형을 진심으로 좋아하는 사람이 정말로 있다면 작심하고 찾아내야 할 지경이다.”-P115
프랑크푸르트 고등과학원에서 연구 중인
이론물리학자인 저자는
40여 년 간 자신이 몸담은 학계가 이룬 성과에 대해
“내가 속한 세대는
깜짝 놀랄 만큼 이렇다 할 성과를 내놓지 못했다”며
냉정하게 평가한다.
힉스 입자를 확인하는 데에는 거의 50년이 걸렸다.
중력파를 직접 검출하는 데에는 100여 년이 걸렸다.
이제는 자연의 새로운 기본 법칙을 실험하는 데 걸리는
시간이 과학자의 인생 전체보다 길어질 수도 있다.
독자는 이론물리학에 대한
통렬하고 냉소적인 비판과 함께
자신이 몸담은 학문이
제 역할을 되찾기를 바라는
저자의 애정과 헌신을 느낄 수 있다.
끝으로
덧차원과 관계없이
과학저술가로서
신에 대한 필자의 생각으로
대미를 장식하고자 한다.
가시(可視),
불가시(不可視)와 관계없이
없는 것은 없는 것이다.
눈에 보이지 않는다고
없는 것을 있다고
말장난해서는 안된다.
있는 것은 있는 것이고
없는 것은 없는 것이다.
없는 것을 있다고
믿는 것보다는
무엇이든간에 있는 것에
마음을 주워 보는 것이
정신건강에 좋지 않을까.
신이 있다면
나같은 무신론자는
불경죄로
벌써 수도 없이
잡아 갔을 것이다.
올해로
만 71세지만
아직까지
저승 사자(使者)를
한 번도 본 적이 없다.
모든 생명체는 죽으면
미생물에 의해 분해돼
자연의 물질로 돌아간다.
자연에서 왔다가
자연으로 돌아가는
생태순환이다.
인간만이 천국(天國)간다는
발상은 ‘예수급’ 거짓말이다.
<생사연구가/과학저술가 자연경 신충우>
이글루스 등재 : 2023/02/05
티스토리 이전 : 2023/06/12
