우주의 구조 : 시간과 공간, 그 근원을 찾아서

책소개

2002년 세계적인 베스트셀러이자, 올해의 책으로 주목받았고 퓰리처상 최종후보작에 오르기도 했던 『엘러건트 유니버스』의 작가 브라이언 그린이 인도하는 또 한 차례의 우주여행으로 그를 따라가는 관광객으로 하여금 전혀 다른 각도에서 우주를 바라볼 수 있도록 만들어주는 책이다.

현대과학이 아직 풀지 못한 수수께기인 우주의 근본적인 구조와 시간과 공간의 궁극적인 실체는 과연 무엇인가에 대한 질문을 던지면서 독자들을 새로운 영역으로 인도하고 있다. 시간과 공간을 절대적인 양으로 간주했던 뉴턴에서 시작하여 아인슈타인의 상대적 시공간, 그리고 멀리 떨어져 있는 입자들까지 신비하게 얽혀있는 양자적 시공간에 이르기까지, 일상적인 상식과 전혀 부합되지 않는 우주의 실체를 새로운 관점에서 명쾌하게 설명하고 있다. 저자는 빅뱅이론을 설명하면서 최첨단의 끈이론인 M-이론이 가장 작은 입자부터 블랙홀에 이르는 우주의 모든 만물과 어떻게 어떻게 부합되고 있는지를 친절하게 설명하고 있다.

전작인 『엘러건트 유니버스』와 마찬가지로 어려워보이는 최신물리학의 여러 이론과 개념을 수식을 빌려 표현하지 않고 탁월한 비유와 위트를 통해 물리학의 정수를 쉽게 전달하고 있다. 왜 우리는 시간과 공간, 우주의 본질을 끊임없이 알려고 하는 것인지에 대한 의문이 드는 사람들과 물리학에 관심이 많은 사람들, 그리고 철학적 주제에 대해 첨단물리학이 가지고 있는 생각들이 궁금한 사람들이 매우 흥미롭게, 그리고 재미있게 읽을 수 있는 책이 될 것이다.

타임지에서 <2005년 빼놓지 말아야 할 6권의 책> 중의 하나로 선정되었으며, 뉴욕타임즈 선정 논픽션부문 베스트셀러와 <이 달의 책 클럽(A Book-of-the-Month Club)>의 주요 선정도서로 선정된 세계적인 베스트셀러이다.

 

목차

I부 진리의 각축장

제1장 진리로 가는 길: 시간과 공간은 왜 지금과 같은 모습을 하고 있는가?
고전적 실체
상대론적 실체양자적 실체
우주론적 실체
통일된 실체
과거와 미래의 실체
차세대의 시간과 공간

제2장 회전하는 물통과 우주: 공간은 물리적 실체인가? 아니면 인간의 상상력이 만들어 낸 추상적 개념인가?
아인슈타인 이전의 상대성이론
회전하는 물통
스페이스 잼(space jam)
마흐(Mach)―공간의 의미
마흐, 운동, 그리고 별
마흐와 뉴턴의 대립

제3장 상대성과 절대성: 시공간은 아인슈타인이 만들어 낸 추상적 개념인가? 아니면 실재하는 물리적 실체인가?
공간은 정말로 비어 있는가?
상대적 공간과 상대적 시간
미묘하지만 해롭지는 않은 존재
그렇다면 물통실험은 어떻게 되는가?
시간과 공간을 조각하다
시간단면도 기울이기
특수상대성이론은 회전하는 물통을 어떻게 설명하는가?
오래된 질문, 그리고 중력
중력과 가속운동의 등가원리
왜곡(warps) 또는 휘어짐, 그리고 중력
일반상대성이론과 회전하는 물통
2000년대의 시공간

제4장 얽혀 있는 공간: 양자적 우주에서 서로 분리되어 있다는 것은 무엇을 의미하는가?

양자적 세계
붉은색과 푸른색
파동을 쏘다
확률과 물리법칙
아인슈타인과 양자역학
하이젠베르크와 불확정성원리
아인슈타인과 불확정성, 그리고 진리를 향한 여정
양자적 해답
벨(Bell)과 스핀
실체를 검증하다
각도를 이용하여 천사의 수를 헤아리다
연기 없이 타는 불
양자적 얽힘과 특수상대성이론: 표준적 관점
양자적 얽힘과 특수상대성이론: 상반된 관점
어떤 결론을 내려야 하는가?


Ⅱ부 시간과 경험

제5장 얼어붙은 강: 시간은 정말로 흐르고 있는가?
시간과 경험
시간은 정말로 흐르고 있는가?
끈질긴 환영―과거, 현재, 미래
경험과 시간의 흐름

제6장 우연과 화살: 시간은 방향성을 갖고 있는가?
수수께끼
과거와 미래―물리학의 기본 법칙들
시간되짚기 대칭(time-reversal symmetry)
날아가는 테니스공과 깨진 계란
원리와 실제의 차이
엔트로피
엔트로피와 열역학 제2법칙, 그리고 시간의 방향성
엔트로피: 과거와 미래
수학에 순종하기
궁지에 몰리다
관망하기
계란과 닭, 그리고 빅뱅(big bang)
엔트로피와 중력
결정적인 입력
아직도 풀리지 않은 수수께끼

제7장 시간과 양자: 양자의 세계에서 시간의 본질을 추적하다
양자적 과거
오즈(Oz)로 가는 길
선택
과거 골라내기
수정된 과거
과거 지우기
과거 만들기
양자역학과 경험의 세계
양자적 관측의 수수께끼
양자적 실체와 양자적 관측
결어긋남(decoherence)과 양자적 실체
양자역학과 시간의 방향


Ⅲ부 시공간과 우주론

제8장 눈송이와 시공간: 우주의 대칭성과 진화
대칭성과 물리법칙
대칭성과 시간
공간 늘이기
팽창하는 우주 속의 시간
팽창우주의 미묘한 특성
우주론과 대칭성, 그리고 공간의 형태
우주론과 시공간
다른 모양의 우주
우주론과 대칭성

제9장 증발된 진공: 열(熱)과 무(無), 그리고 통일
열과 대칭성
힘과 물질, 그리고 힉스장
차가운 우주 속에 존재하는 장
힉스의 바다와 질량의 근원
물리법칙의 통일
대통일(grand unification)
에테르(aether)로 되돌아가다
엔트로피와 시간

제10장 빅뱅의 재구성: 무엇이 폭발했는가?
아인슈타인과 ‘밀어내는 중력’
뛰는 개구리와 과냉각된 우주
인플레이션
인플레이션의 구조
인플레이션과 지평선 문제(horizon problem)
인플레이션과 평평성문제(flatness problem)
진보와 예견
암흑물질의 존재를 예견하다
도망가는 우주
잃어버린 70%
수수께끼와 진보

제11장 다이아몬드를 가진 하늘의 양자: 인플라톤과 양자적 요동, 그리고 시간의 일방통행
우주공간에 새겨진 양자적 문자
우주론의 전성시대
우주의 창조
인플레이션, 매끈함(smoothness), 그리고 시간의 방향성
엔트로피와 인플레이션
볼츠만으로 되돌아가다
인플레이션과 계란
끈적거리는 연고 속에서 날아가기


Ⅳ부 근원과 통일

제12장 끈 위의 세계: 끈이론이 말하는 시공간의 구조
양자적 요동과 텅 빈 공간
양자적 요동과 불일치
무엇이 문제인가?
해답으로 가는 미심쩍은 길
끈이론의 1차 혁명기
끈이론과 물리법칙의 통일
끈이론이 들어맞는 이유는 무엇인가?
초미세 영역에서 바라본 시공간의 구조
점(point)보다 분명한 끈(string)
끈이론이 말하는 입자의 특성
너무 많은 진동패턴
높은 차원에서의 통일
숨어 있는 차원
초끈이론과 숨겨진 차원
숨어 있는 차원의 형태
초끈이론과 여분의 차원
끈이론이 말하는 우주의 구조

제13장 막(Brane) 위의 우주: M-이론이 예견하는 시간과 공간
끈이론의 제2차 혁명기
변환의 위력
11차원
브레인(brane, 막膜)
브레인세계(braneworld)
끈끈한 브레인과 진동하는 끈
우리의 우주는 브레인인가?
중력, 그리고 거대한 여분차원
거대한 여분차원과 거대한 끈
끈이론과 실험의 만남?
브레인세계 우주론
주기적 우주론
간단한 평가
새로운 개념의 시공간


Ⅴ부 실체와 상상의 세계

제14장 이상과 현실: 실험을 통해 시간과 공간의 실체를 규명하다
그물에 걸린 아인슈타인
파동 따라잡기
여분의 차원을 찾아서
힉스장과 초대칭, 그리고 끈이론
우주의 기원
암흑물질과 암흑에너지, 그리고 우주의 미래
시간과 공간

제15장 순간이동과 타임머신: 시간과 공간을 마음대로 넘나들 수 있을까?
양자세계에서의 순간이동
양자적 얽힘과 양자적 순간이동
현실적인 물체의 순간이동
시간여행의 수수께끼
수수께끼의 재고
자유의지와 다중우주, 그리고 시간여행
과거로의 시간여행은 과연 가능한가?
웜홀 타임머신의 설계도
웜홀 타임머신 만들기
우주적 호기심

제16장 암시적인 미래: 시간과 공간의 전망
시간과 공간은 과연 근본적인 개념인가?
양자적 평균
번역된 기하학
블랙홀 엔트로피
우주는 홀로그램인가?
시공간의 구성요소
내부와 외부의 공간


후주

용어해설

역자후기

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저자 소개

저 : 브라이언 그린 (Brian Greene)

 

컬럼비아대학교의 물리학과 및 수학과 교수이자 초끈이론(superstring theory) 분야에서 중요한 업적을 남긴 이론물리학자다. 그의 전작인 『엘러건트 유니버스(The Elegant Universe)』와 『우주의 구조(The Fabric of the Cosmos)』, 그리고 『멀티 유니버스(The Hidden Reality)』는 〈뉴욕타임스〉 베스트셀러에 65주 동안 연속으로 선정되었으며, 이 내용은 과학다...

역 : 박병철

연세대학교 물리학과를 졸업하고 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하여 박사 학위를 받았다. 이후 약 30년 동안 대학에서 학생들을 가르치다가 지금은 번역과 저술 활동에 전념하고 있다. 번역한 책으로는 『엘러건트 유니버스』, 『평행우주』, 『페르마의 마지막 정리』, 『파인만의 여섯 가지 물리 이야기』, 『마음의 미래』, 『힉스, 신의 입자 속으로』, 『뷰티풀 퀘스천』 등 과학 서적 80여 권이 있다. ...

 

 

관련 자료

아마존에 올라온 독자서평

마음 같아서는 긴 서평을 쓰고 싶지만, 앞서 다녀간 독자들이 이미 긴 서평을 많이 남겨 놓았으므로 몇 가지 평가만 간단하게 내리기로 한다.

(1) 결코 쉽게 읽을 수 없지만 읽을 만한 가치가 충분한 책이다. 독자들은 이 책으로부터 엄청난 양의 정보와 함께 고전물리학과 현대물리학이 이루어 낸 놀라운 업적을 마음으로 ‘느낄 수’ 있을 것이다(일부 독자들은 이 책을 두고 “엘러건트 유니버스의 모조작” 정도로 생각하고 있다. 그러나 내가 보기에 그것은 이 책의 진가를 이해하지 못한 상태에서 내린 성급한 판단에 불과하다. 사실, 이 책에는 『엘러건트 유니버스』와 중복되는 내용도 일부 들어 있다. 그러나 이 책이 지향하는 기본적인 방향은 『엘러건트 유니버스』와 전혀 다르다).
(2) 기존의 상투적인 교양과학서적과는 달리, 이 책은 결코 읽는 이들을 실망시키지 않는다. 대부분의 책들은 내용의 80% 정도만을 설명한 후 어렵고 추상적인 부분에 도달하면 더 이상의 설명을 생략한 채 결론을 내려 버리지만, 브라이언 그린은 적절한 비유를 들어가며 모든 내용을 100% 완벽하게 설명하고 있다.
(3) 쉽게 읽을 수는 없지만 정말 재미있는 책이다. 일단 첫 장을 넘기면 도중에 책을 덮기가 어렵다. 특히 몇 개의 장은 끝까지 읽기 전에는 다른 일을 도저히 할 수가 없을 정도였다.
(4) 저자는 어려운 개념이 등장할 때마다 여러 가지 다양한 비유를 들어가며 독자들의 이해를 돕고 있다. 내용을 잘 아는 사람이라면 이런 식의 설명이 필요 없겠지만, 물리학을 잘 모르는 나에게는 다양한 각도의 설명이 큰 도움이 되었다.
(5) 기술적이고 구체적인 내용을 더 알고 싶은 독자들을 위해 충실한 후주가 달려 있다.
(6) 물리학이 말하는 시간과 공간, 그리고 우주론에 대하여 알고 싶은 독자라면 이 책을 반드시 읽을 것을 권한다. 별 관심이 없는 독자들도 이 책의 1장만은 반드시 읽어 보기 바란다.
-R. 스틸만 (Brooklyn, NY)

별 10개를 줘도 모자라는 최고의 도서!

고등학교와 대학 수준의 물리학을 근 30년 간 가르쳐 온 교사의 입장에서 볼 때, 이 책은 지금까지 내가 접해 왔던 그 어떤 책보다 많은 정보와 흥미를 담고 있다. 5년쯤 전에 브라이언 그린의 『엘러건트 유니버스』를 읽고 감탄했었는데, 내가 볼 때 이 책은 그 수준을 훨씬 능가하고 있다.
일부 독자들은 이 책이 『엘러건트 유니버스』를 간단하게 축약시킨 것이라고 주장하고 있는데, 이는 결코 사실이 아니다. 『우주의 구조』는 적절한 비유와 명쾌한 설명으로 수준 높은 내용을 아주 쉽게 설명한 책이다. 내가 보기에는 『엘러건트 유니버스』보다 더 쉽게 쓰인 것 같다. 그러나 『우주의 구조』에 담겨 있는 내용들은 『엘러건트 유니버스』와 사뭇 다르다. 이 책은 물리학자들이 오랜 세월동안 고민해온 우주의 근원 ― 시간과 공간을 주제로 다루고 있다. “공간은 실재하는가? 양자적 얽힘이란 무엇인가? 시간은 왜 한쪽 방향으로만 흐르는가? 끈이론은 과연 검증될 수 있는가?” 이런 질문들은 너무 난해해서 물리학자들조차도 기피하는 경향이 있으며 과학평론가들도 피상적인 설명밖에 하지 못하고 있다. 그러나 이 책에는 이 난해한 문제들이 일반인들도 이해할 수 있는 수준으로 명쾌하게 설명되어 있으며 나름대로의 해답까지 제시하고 있다. 지금까지 내가 읽어 본 그 어떤 교양과학서보다도 알차고 쉽게 쓰인 책이다.
이 책에 나오는 내용에 대하여 여러 해 동안 대학에서 강의를 해 온 물리학과 교수와 대화를 나눈 적이 있었는데, 그 역시 브라이언 그린의 책에서 많은 내용을 발췌하여 강의했다고 한다.
또한, 이 책은 내용을 과장하거나 은폐하지 않고 있는 그대로 서술했다. 그린은 아직 결론이 나지 않거나 논란의 대상이 되고 있는 문제들도 각자의 의견을 자세히 소개하여 독자들이 어떤 편견을 갖지 않도록 세심하게 배려하였다. 이 책의 주제는 끈이론이 아니라 시간과 공간의 구조를 가능한 한 정확하게 밝히는 것이다. 물론 쉬운 주제는 아니지만 그린은 이 작업을 훌륭하게 해냈다.
할 수만 있다면 이 책에는 별 10개를 주고 싶다.
-J. 투렌버그 (New Brunswick, NJ)

최고의 걸작!

우주의 첨단이론에 대하여 이처럼 잘 쓰인 책은 지금까지 단 한 번도 본적이 없다.
물리학자 브라이언 그린은 적절한 비유와 위트를 구사해 가며 시간과 공간에 얽힌 비밀을 꾸준하고 명쾌하게 파헤치고 있다. 특히 시간에 관한 그의 설명은 단연 최고이다.
나는 과학관련 도서를 몇 년간 읽어왔는데, 이 책을 통해 양자역학의 불확정성원리가 과거와 미래까지 지배한다는 것을 처음으로 알게 되었다.
첨단물리학의 정보뿐만 아니라 ‘우주에 관하여 현재 우리가 아는 것과 모르는 것’을 분명하게 알고 싶은 독자들은 이 책을 반드시 읽어보기 바란다.
별 다섯 개 이상을 줄 수 있다면 얼마든지 주고 싶은 책이다.
-로버트 아들러, 『사이언스 퍼스트』의 저자

 

전문가 리뷰

'시간과 공간의 정체가 과연 무엇인가'하는 문제를 쉽게 풀어쓴 책

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수

분명 이 책을 읽는 대부분의 독자는 최첨단 물리이론인 끈이론학자도 아닐 것이며, 브라이언 그린과 같은 천재성을 가지고 있지도 않을 것이다(브라이언 그린은 다섯 살 때 이미 30자리 숫자를 곱했다고 한다). 그러나 이런 사람의 생각을 간접적으로 경험할 때 마음속 깊은 곳에는 오래가는 감흥이 생기게 된다. 브라이언 그린의 첫 번째 책인 『엘러건트 유니버스』를 읽은 독자는 그러한 감흥을 이미 경험하였기에 두 번째 책인 『우주의 구조』를 읽기 시작할 것이다. 이 두 번째 책에서는 ‘시간과 공간의 정체가 과연 무엇인가’하는 보다 근본적이면서도 어려운 문제를, 친숙한 예들을 들어 가며 훨씬 더 쉽고 재미있게 풀어 나가고 있다.

“과연 삶이 살 만한 가치가 있느냐”하는 질문이 “공간이 왜 3차원이냐”하는 질문보다 더 중요하다고 주장했던 카뮈와는 달리, 저자(그린)의 삶에 있어서는 후자가 더 중요했다는 것을 이야기의 출발점으로 잡고 있다. 사실 이 책에서 논하고 있는 중요한 문제들에 대해 한 번도 생각해 보지 않은 사람은, 21세기를 사는 지성인이라 불릴 자격이 없다고 말해도 틀리지 않을 것이다. 그린은 시간과 공간에 대한 인간 이해의 역사 (거의) 모든 것을 뉴턴의 정적인 시간과 공간의 개념으로부터 시작해서, 보다 역동적인 아인슈타인의 이론으로 연결하여 2장과 3장에 걸쳐 설명하고 있다.

4장에서는 양자역학적 우주의 실체에 대한 새로운 개념을 이야기하고 있다. 이 장의 내용이 처음부터 편안하게 이해가 되면, 그것은 오히려 이상한 것이다. 왜냐하면 우리의 우주는 양자현상으로 가득 찬 곳임에도 불구하고, 우리가 가지고 있는 개념과는 너무도 다른 것이기 때문이다. 이러한 것을 설명하기 위해 저자는 《X-파일》이라는 인기 TV 프로그램을 이용한다. ‘외계인이 주고 간 이상한 상자’라는 설정을 통해 매우 설득력 있고 재미있게 이해시키고 있다.

5~7장에서는 더욱 근본적인 문제를 다루고 있다. “과연 시간의 흐름이라는 것이 무엇인가?”하는 질문에 대한 열역학적인 견해를 밝히고 있다. 이를 위해 우리는 엔트로피가 무엇인지 열역학이 무엇인지 하는 것을 배우게 된다. 물리학자들 간에 논란의 여지가 남아 있는, 양자적 세계에서의 시간의 성질에 대해서도 알게 될 것이다.

8~11장에서는 우주에 대해 다룬다. 특히 “우주의 빅뱅에서 무엇이 터졌는가?”하는 질문을 하게 된다. 이를 위해 눈송이의 예를 들어 ‘대칭성’을 설명한다. “진공이 과연 무엇인가”하는 질문을 물리에서 던진다는 것을 알게 될 것이며, “우주를 어떻게 만들 수 있는가”하는 질문도 접할 것이다.

12~13장에서는 앞에서 다뤘던 끈이론이 제시하는 시공간의 개념들, 고차원의 시공간에 떠돌아다니는 낮은 차원의 ‘막-우주’와 이들의 충돌에 의해 시작된 빅뱅의 가능성에 대해 듣게 된다. 빅뱅 이전에 대해서는 생각을 하지도 못했던 20세기와는 달리 21세기 물리학에서는 빅뱅 이전에 대해서도 논의하고 있구나하는 것을 엿보게 될 것이다.

14~15장에서는 어떻게 실험을 통해 시공간의 실체를 규명하는지, 그리고 시공간에서의 여행 특히 타임머신에 대한 이야기를 하고 있다. 시공간에 구멍을 내는 것부터 시작하여 너무나도 흥미로운 주제인 타임머신의 제작방법이 소개된 부분이다.

이와 같이 인간이기에 던질 수 있는 가장 의미 있고, 심오한 질문들에 대해 재미있는 이야기꾼 브라이언 그린이 쉽게 설명을 하고 있다.

이 책을 읽는 동안은 잠시나마, 지구라는 좁은 공간의 제약을 떠나, 먼 우주 끝까지 여행하는 기분이 들게 될 것이다. ‘100년도 안 되는 한 인생’이라는 짧은 시간 여행만을 할 수 있는 우리들이, 우주의 초기 때까지 거슬러 가 보는 경험을 하게 될 것이다. 이는 우리의 상상력이라는 최고의 도구를 이용하여 미답(未踏)의 세계로 여행을 하는 것이며, 이 여행의 동반자로서 세계 최고의 지성이 함께하는 독특한 경험을 하게 될 것이다. 현란한 말솜씨를 뽐내는 브라이언 그린이, 가장 어려운 주제를 가장 쉽게 설명할 때 감탄에 감탄을 거듭하게 될 뿐이다. 감칠맛 나는 번역을 늘 해오는 박병철 박사가 이번에는 더 심혈을 기울인 것을 확인할 수 있다.

항상 옆에 두고 참고하고 싶은 도서

김선명 (연세대학교 문리대학 물리학과 조교수)

공상과학 영화나 소설 속의 공상과학보다 더 공상과학처럼 보이는 현대물리학은 일반인들이 생각하는 진리와 물리학자들이 생각하는 진리 사이의 괴리를 더욱 심화시킨다.

‘시간과 공간’은 물체의 운동을 설명하기 위해 필요한 가장 기본적인 개념이지만 역설적으로 물리학에서 완벽히 정립되지 않은 매우 어려운 개념 중의 하나이기도 하다.

‘우주의 구조’는 Newton과 Einstein의 시대를 거쳐 가장 최근에 이르기까지 역사적인 변천과정 속에서 시간과 공간 그리고 우주를 구성하고 있는 근본 원리에 대한 내용들을 수식이 없이 쉽게 풀어 설명하여 일반인들이 전문적인 지식이 없어도 이해할 수 있으리라 생각한다.

따라서 ‘우주의 구조’는 자연의 근본에 관심을 가진 일반인으로부터 해당 분야의 전공자에 이르기까지 다양한 사람들에게 만족을 줄 수 있으며 자연을 움직이는 궁극적인 진리에 대하여 모든 사람들에게 공통분모를 제공하려고 노력한 훌륭한 책이라고 생각한다. 개인적으로는 하나의 교양도서 뿐만 아니라 항상 옆에 두고 참고하고 싶은 도서이기도 하다.

 

추천평

브라이언의 그린 특유의 입담은 ‘시간과 공간의 과학적 역사’라는 쉽지 않은 주제를 명쾌하게 풀어가고 있다. 그의 책에 대해 가장 자주 듣는 평가 중의 하나가 ‘핵심을 피하지 않으면서도 명쾌한 설명’이라는 것이다. 교양과학도서로서의 한계와 이론물리학자로서 물리학의 정수(精髓)를 담아내려는 노력 사이에서, 그는 ‘수식 없는 물리학’이란 방식을 취하고 있다. 그의 고뇌는 15장에서 잠깐, 간접적으로 드러난다. “몇 년 전에 내가 『엘러건트 유니버스』를 집필했을 때에도 어머니는 처음 한두 페이지를 읽더니 머리가 아프다며 더 이상 읽기를 포기하셨다.” 일반인들은 이해할 수 없는 수학 대신 그가 택한 것이 바로 비유이다. 그의 전작에서도 그랬지만, 두 번째 책에서는 더욱 탁월한 비유들을 만나 볼 수 있다. 그의 첫 작품을 읽어보지 않았다면, 혹은 사 놓고 읽어 보지 않았다면, 이 책을 먼저 읽어 보길 권한다.

"This is one popular-science book that won't be left on the coffee table half read."
The New York Times