천국의 문을 두드리며 : 우주와 과학의 미래를 이해하는 출발점

사이언스 클래식 25

천국의 문을 두드리며 │ 리사 랜들 │ 이강영 옮김

우주와 과학의 미래를 이해하는 출발점

"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 

『숨겨진 우주』의 프리퀄, 『천국의 문을 두드리며』

과학을 한다는 것은 과연 무엇인가? 

리사 랜들의 두 번째 작품인 이 『천국의 문을 두드리며』 는 출간되자마자 미국과 유럽의 과학 베스트셀러가 되었고 《뉴욕 타임스 북 리뷰》가 선정하는 “주목할 만한 도서 100” 중 하나로 선정되는 등 과학 독자들의 뜨거운 관심을 불러일으켰습니다. 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 짓습니다.

리사 랜들은 자신의 이번 책을 『숨겨진 우주』의 후속작이지만 동시에 “프리퀄”이라고 부릅니다. 이 책에서 랜들은 우리가 일상 속에서 만나는 물체들을 이루고 있는 원자나 쿼크 같은 가장 근본적인 구성 요소들이 우리가 직관적으로 알고 있는 일상적인 물리 법칙과는 완전히 다른 법칙의 지배를 받고 있음을 강조합니다. 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 불과하다는 것입니다. 

『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 탐구합니다. 그래서 『숨겨진 우주』의 프리퀄인 것입니다.

힉스 입자, 또 암흑 물질의 정체는 무엇일까?

그리고 우리는 어떤 차원에 살고 있는 것일까?

LHC를 비롯한 최첨단 실험들은 어떤 답을 가져다줄까? 

명실공히 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 안내합니다. 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 줍니다. 

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 있습니다. 진화 생물학자이자 종교의 비판자로 큰 명성을 떨치고 있는 리처드 도킨스는 리사 랜들의 이러한 시도를 높게 평가하며 리사 랜들에게 “과학과 이성의 옹호자”라는 타이틀을 부여할 정도입니다.  

LHC에서 현재 이뤄지고 있는 실험과 연구에 대한 리사 랜들의 평가가 아무리 높다고 해도, 현재의 연구가 이 책의 전부는 아닙니다. 리사 랜들은 현재 이뤄지고 있는 실험들이 어떻게 미래 물리학의 기초가 되는지도 소개합니다. 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 소개합니다.

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 있습니다. 이것은 아마도 급격한 과학 혁명을 동반하는 패러다임 이동을 낳을 것입니다. 우리가 우주에 대해 알고 있는 것은 고작 10년 안에 송두리째 바뀔지도 모릅니다. LHC를 시작으로 지상은 물론이고 우주 공간에서 갈릴레오 이후 400년 동안 그 누구도 상상하지 못했던 실험들과 이론적 도전들이 진행되고 있습니다. 최첨단의 현대 물리학은 과학의 진리가 감춰져 있는 천국의 문을 두들기며, 우주와 세계 이해의 새로운 장으로 우리를 안내할 것입니다.

차례 보기

차례 

책을 시작하며 005

1부 현실 세계의 스케일

1장 당신에게는 아주 작은 것, 내게는 아주 큰 것 025

2장 잠겨 있지 않은 비밀 057

3장 물질 세상에서 산다는 것 077

4장 대답을 찾아서 103

2부 물질의 스케일

5장 마술적인 수수께끼 여행 117

6장 보는 것이 믿는 것이다 151

7장 우주의 끝 175

3부 기계 장치, 측정, 그리고 확률

8장 모든 것을 지배하는 하나의 링 193

9장 반지의 귀환 215

10장 세상을 삼킬 블랙홀 247

11장 물리학과 위험 관리 263

12장 측정과 불확실성 295

13장 CMS와 ATLAS 315

14장 입자 확인하기 349

4부 모형, 예측, 그리고 결과

15장 진리, 아름다움, 그리고 그 밖의 과학적 오해들 371

16장 힉스 보손 395

17장 표준 모형의 후계자들 425

18장 상향식 대 하향식 467

5부 우주의 스케일

19장 안에서 밖으로 483

20장 당신에게는 아주 큰 것, 내게는 아주 작은 것 503

21장 암흑에서 온 방문자 525

6부 다음 탐구를 준비하며

22장 전체적으로 생각하고 구체적으로 행동하라 549

책을 마치며 569

감사의 말 579

옮긴이 후기 583

후주 589

찾아보기 596

저자 정보

리사 랜들(Lisa Randall)

이론 물리학자. 하버드 대학교 물리학과 교수로서 입자 물리학과 우주론을 연구하고 있다. 프린스턴 대학교 물리학부, 매사추세츠 공과 대학 및 하버드 대학교 물리학과에서 이론 물리학자로서는 종신 교수직을 취득한 첫 번째 여자 교수이기도 하다. 1962년 미국에서 태어났으며 뉴욕의 스타이버선트 고등학교를 졸업하고 하버드 대학교 물리학과에서 입자 물리학과 우주론을 연구했다. 하워드 조자이 교수의 지도로 이론 물리학 박사 과정을 마쳤으며, 현재 하버드 대학교 물리학과 교수로 재직하고 있다. 1999년 라만 선드럼 박사와 함께 발표한 「비틀린 여분 차원(Warped extra dimensions)」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받았고, 21세기 들어 가장 많이 인용되는 영향력 있는 이론 물리학자 중 한 사람이 되었다. 그녀가 제안한 여분 차원 이론은 ‘랜들-선드럼 모형’으로불리며 현대 이론 물리학의 여러 난제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 그리고 급팽창 우주론, 초대칭성 이론, 대통일 이론, 끈 이론 등에 공헌했다.

미국 물리학회는 물론이고 미국 과학 아카데미, 아메리카 철학회, 아메리카 예술 과학 아카데미의 정회원이기도 하다. 앨프리드 슬론 재단의 연구상, 미국 자연 과학 협회가 주는 젊은 과학자 상, 미국 물리학 교육자 협회가 주는 클롭스테드 상, 미국 물리학회가 주는 ‘최다 인용 논문상’ 등을 수상했다. 다수의 물리학 학회를 기획하고 여러 물리학 학회지의 편집 위원으로 활동하며 전 세계 이론 물리학계에서 중심적인 역할을 하고 있다.

《피직스 레터스》, 《네이처》, 《사이언스》 같은 전문 학술지는 물론이고 《디스커버리》, 《이코노미스트》, 《뉴스위크》, 《사이언티픽 아메리칸》 등 세계 유수의 언론에 그 업적이 거론되었고, 《시드 매거진》에서 ‘2005년의 과학 아이콘’으로, 《뉴스위크》에서 ‘2006년의 주목할인물’로, 《타임》에서 ‘세계에서 가장 영향력 있는 100명’으로, 《롤링 스톤》에서 ‘변혁의 사자 100명’ 중 한 사람으로 선정하기도 했다. 첫 번째 책인 『숨겨진 우주: 비틀린 5차원 시공간과 여분 차원의 비밀을 찾아서(Warped Passages)』는 《뉴욕 타임스》가 선정한 ‘올해의 책’ 중 하나이기도 했으며, 서구는 물론 일본과 우리나라 등 전 세계 과학 독서계에서 베스트셀러가 되기도 했다. 취미로 암벽 등반과 스키를 즐기며, 예술과 과학의 가교를 놓는 데 공헌하고 있다. 그녀가 각본에 참여한 오페라 「하이퍼뮤직 프롤로그(Hypermusic Prologue)」는 2009년 파리 퐁피두 센터에서 상연되기도 했다. 2007년에는 일본을 찾아 NHK 방송에 출연해 일본 국민의 큰 관심을 모았다.

저서로는 『숨겨진 우주』, 『이것이 힉스다(Higgs Discovery)』, 『암흑 물질과 공룡(Dark Matter and the Dinosaurs)』 등이 있다.

옮긴이 이강영

서울 대학교 물리학과를 졸업하고, KAIST에서 입자 물리학 이론을 전공해서 석사 및 박사 학위를 받았다. 물질의 근본 구조를 어떻게 이해하고 또한 이것을 어떻게 검증할 것인가 하는 문제를 가지고 힉스 입자, 여분 차원, 중성미자, 암흑 물질 등에 관련된 현상을 연구해 오고 있으며, 대칭성의 양자 역학적 근본 구조 및 확장에도 관심을 가지고 있다. “Direct search for heavy gauge bosons at the LHC in the nonuniversal SU(2) model” (2014) 등 60여 편의 논문을 발표했고, 『LHC 현대물리학의 최전선』, 『보이지 않는 세계』, 『파이온에서 힉스 입자까지』 등을 썼으며, 『이것이 힉스다』를 옮겼다. 현재 경상 대학교 물리 교육과 조교수로 재직하고 있다.

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