뮤지컬 코스모스

스테판 알렉산더/노태복

부키/2018.11.14.

sanbaram

우주는 빅뱅에 의해 탄생했으며 계속 팽창하고 있다는 것이 현재까지 널리 알려진 우주에 대한 이론이다. 그러나 빅뱅 이전은 어떤 상태였으며, 빅뱅은 어떻게 이뤄지게 되었는지 하는 것을 명확히 설명하지 못하고 있다. <뮤지컬 코스모스>는 물리학과 재즈 이론을 융합하여 새로운 빅뱅 이론을 정립해 가는 과정을 보여주고 있다. 저자는 미국 브라운대학교의 물리학교수이며 2013년 미국 물리학회 부셰 상 수상자다. 이론물리학자로서 재즈와 물리학을 융합하는 길을 개척했고 스탠퍼드대학교, 런던 임페리얼 칼리지 등에서 방문 연구원을 지냈다. 색소폰을 연주하는 재즈 음악가이기도 하며, 2014년 첫 번째 재즈 앨범을 에린 리우와 함께 녹음했다.

<뮤지컬 코스모스>에서 저자는 적절한 유비를 찾는 능력이 어떻게 과학의 새로운 지평을 열 수 있는지 보여준다. 숨겨진 양자 세계를 파헤쳐 우주의 거대한 고차원 구조를 드러낸다. 콜트레인과 아인슈타인의 발자취를 좇아 음악과 물리학과 우주가 하나였던 고대의 세계를 설명한다. “피타고라스 등의 옛사람들이 소리를 어떻게 이해하기 시작했는지, 그들의 사상과 실천이 캐플러와 뉴턴 같은 위대한 사상가들의 노력을 거치면서 어떻게 끈과 파동의 역학에 대한 현재의 지식을 낳게 되었는지 알게 될 것이다.(p.16)” 이렇게 말하며 피타고라스 이후 2500년이 지나서 끈 이론의 창안자들은 근원적인 끈들을 이용하여 자연의 네 가지 힘들을 통합하는 데 몰두하고 있는 학자들의 이론을 소개한다. 하지만 그들 중에서 자신들 연구의 핵심 요소인 파동 방정식이 음악과 물리학의 보편적인 관련성에 깊이 뿌리 내리고 있다는 사실을 기억하거나 중요하게 여기는 이는 거의 없었다. 저자가 이 일을 해내는 과정을 성장과정에서부터 시작하여 재즈를 색소폰으로 연주하게 된 계기와 물리학을 전공하게 된 동부터 설명한다.

“아리스토텔레스(기원전 350년경)가 숭배했던 완전한 우주라는 개념은 비록 정확하지는 않지만 오늘날까지도 인정받고 있다. 행성, 별 및 달은 지구 주위를 회전하는 수정구들 속에 끼어 있었고, 이 구들은 에테르라는 제5의 원소로 이루어져 있었다.(p.95)” 아리스토텔레스는 플라톤의 제자였는데 플라톤도 피타고라스의 추종자였다. 플라톤은 구를 음악의 수치적 기반을 기하학적 형태로까지 확장하여 그의 이름을 딴 플라톤 입체를 찬양했다고 한다.

“끈 이론과 더불어 루프 양자중력은 아인슈타인의 일반상대성이론과 양자역학을 통합하는 가장 설득력 있는 접근법 가운데 하나다. 우주의 기본 입자들이 진동하는 끈으로 이루어져 있다고 보는 끈 이론과 달리, 루프 양자중력 이론은 ‘공간’ 자체를 끈 이론에서의 끈과 같은 크기의 고리들이 얽힌 망이라고 여긴다.(p.112)” 양자물리학자가 보기에 입자들은 진동의 물리학으로 기술된다. 그리고 양자 우주론자가 보기에 끈과 같은 근본적인 실체의 진동은 전체 우주의 물리학을 열어젖히는 열쇠가 될 수 있다. 물리학과 음악의 융합으로 빅뱅이 일어나게 되는 과정을 설명하는 이론을 정립하게 된 계기를 설명한다. 그러나 안타깝게도 그런 끈들이 활약하는 양자 세계는 너무나 작아서 심리적으로든 물리적으로든 도저히 엿볼 수 없지만, 그날은 ‘엿들을’ 수 있는 진동의 발현으로서 내 앞에 있었다고 깨달았던 순간을 이야기 한다. 덕분에 그런 관련성이 내 연구에 미치는 효과에 대해, 그리고 브란덴버가 교수가 내게 던진 질문에 대해 다시 생각하기 시작했다. 그 질문이란 바로 이것이었다. 우주의 구조는 어떻게 생겨났는가?

“파인만의 경로 적분이라는 훌륭한 개념적 도구 덕분에 물리학자들은 양자 물질의 파동적 및 입자적 속성들이 어떻게 함께 작용하여 양자 운동이 발생하는지 이해할 수 있게 되었다. 한편 에너지가 높은 경우에는 입자 및 입자와 관련된 파동이 장으로 대체되어야 함을 파인만과 동료 연구자들이 알아냈다.(p.220)” 경로 적분은 또한 양자장 연구의 기본 틀이 되었는데, 이는 양자 입자의 운동뿐만 아니라 진공상태의 생성과 소멸까지도 그것으로 기술할 수 있다는 뜻이다. 양자장의 즉흥적 속성이 어떻게 진공에서 작동했는지 이해하는 일은 우주 내 물질의 구성 요소들을 생성하는 데 필수적이다. 그런 구성요소들이 CMB 내의 광자, 전자 및 양성자들의 우주 바다를 구성하는 플라스마를 발생시켰다고 저자는 설명한다.

“음악과 물리학을 함께 엮어서 하나의 원리로 파악하게 되면서 나는 음악의 개념들을 이용하여 현대의 물리학과 우주론의 여러 분야에 접근하는 방법을 터득했다. 양 분야의 유사성을 간파하고 나니 물리학이 더욱 접근하기 쉽고 흥미진진해졌다.(p.256)” 우리 선조들의 발자취를 따라간다고 생각하면 마음이 벅차다. 소리를 통해 물리학을 이해하고 물리학을 통해 소리를 이해하려고 했던 위대한 고대 사상가들의 발자취. 피타고라스는 음악의 기쁨이 어디서 오는지 이해하고자 망치와 현을 연주했다. 케플러는 우주가 음악적이라는 자신의 직관을 이용하여 천문학, 물리학 및 수학 분야들에서 중대한 발전을 이루었다. 각각의 악기는 저마다의 소리와 특징이 있는데, 우주도 마찬가지다. 바로 그런 까닭에 물리학자들은 암흑물질이나 암흑 에너지의 독특한 흔적을 찾아내려고 CMB의 진동을 살피는 것이다. 그리고 이런 진동은 오늘날 은하단 및 초은하단의 패턴 속에서 쉼 없이 발생하고 있다는 것이다.

“‘빅뱅 이전에는 무슨 일이 있었나?’ 답은 우주가 연속적인 수축과 팽창을 겪었다는 것이다. 따라서 시작은 없었다. 빅뱅 특이점은 없었고 시간은 언제나 존재했다. 이것은 우주가 연주할 수 있는 가장 순수한 음이다. 그음 자체가 우주라는 음계의 진동이다.(p.259)” 아인슈타인은 자신의 일반상대성이론이 진동하는 우주를 인정함을 알아차렸다. 이 경우 우주의 시공간은 과거에 이미 무한히 팽창과 수축의 반복을 겪었다. 우리 우주의 빅뱅은 무한한 빅뱅들 가운데 하나일 뿐이었다. 급팽창과 흡사하게 순환적 우주는 장점과 단점을 안고 있기에 우주론에서 현재 활발히 연구가 이루어지고 있다. 순환적 우주의 가장 큰 문제점 중 하나는 유령(ghost)이라고 불리는 고약한 장의 존재라고 말하며 유령 장에 대한 설명을 한다.

“순환적 우주가 얻어지려면 수축하던 과거의 우주가 팽창하는 우주로 다시 출현해야 한다. 우주론자들은 이런 현상을 우주적 바운스라고 부른다.( p.260)” 공이 떨어지는 모습을 상상해보자. 공이 방향을 바꾸려면 바닥을 치고 감속되며 멈추었다가 아래쪽을 향했던 속도가 위쪽을 향하는 속도로 바뀌어야 한다. 이 과정은 운동량 보존 법칙과 공의 탄성으로 인해 자연스럽게 일어난다. 마찬가지로 감속하던 우주는 ‘속력’이 영에 도달하여 멈추었다가 다시 바운스를 일으켜 팽창하게 된다. 이렇게 되려면 시공간을 일종의 ‘탄성’공처럼 만드는 장이 필요하다. 유령 장이라고 하는 이 장은 음의 에너지의 무한한 저장고다. 물리학자들은 유령 장을 좋아하지 않는데, 이 장은 양자역학적으로 무한한 양의 빛 에너지로 변환될 수 있기 때문이다. 이렇게 되는 까닭은, 교환 파인만 다이어그램에 따르면, 자연에서 가장 가벼운 입자인 광자는 유령 장으로부터 음의 에너지를 훔쳐서 엄청난 양의 광자들을 생성할 수 있기 때문이라고 한다.

“음악이 우리에게 깊은 감동을 줄 수 있는 까닭은 우리가 우주와 근본적으로 연결되어 있음을 청각적으로 암시해 주는 것이 바로 음악이기 때문일지 모른다.(p.267)”는 저자의 말처럼 음악도 우주도 진동으로 이루어진 것이 공통점이기 때문에 이 진동의 이론을 가지고 빅뱅이 일어나고 우주가 팽창하고 있음을 물리적인 식으로 정리하게 되었다. 우주의 기원과 빅뱅으로 팽창하는 우주에 대해 궁금한 사람이 읽으면 빅뱅을 끈이론으로 설명하려는 이치를 이해하게 되리라 생각된다. 이로 인해 더 다양한 우주연구의 시발점이 될 수도 있으리라는 기대감도 생긴다.

(이 책은 예스24를 통해 출판사 부키로부터 책을 제공받아 작성되었습니다.)