현대 우주론을 위해 해결해야 할 문제 중 가장 중요하고 급해 보이는 것은 분명 우리 우주의 주요 성분으로 보이는 암흑 물질과 암흑 에너지에 정면으로 맞서는 것이다. 이 두 성분이 조만간 채워지지 않으면, 이제까지 우리가 우주를 해석하기 위해 배경으로 삼았던 물리적 이론 몇 가지에 대한 심각한 의문을 제기할 수밖에 없는 상황으로 몰아갈 수 있는 빈틈이다. 우리는 야간 비행을 하면서 창밖을 관측하는 여행자의 입장이라고 할 수 있다. 우리 아래에 펼쳐진 풍경은 추측만 할 수 있는 것들에 의해 지배되고 있다. 때때로 인공조명은 분명 질서정연하게 무리를 지어 있는 것처럼 보이지만, 그 조명이 내려앉은 땅이나 거대하게 펼쳐진 바다의 어둠은 그렇지 않다.
---「p. 23, ‘서문’」중에서

맨눈에 보이는 하늘의 별들은 생각보다 적다. 정확한 숫자는 관측 조건에 따라 각기 다르지만, 보기에 가장 좋은 때도 우리의 반구에서는(그리고 반대쪽 반구에서도 같다) 약 3천 개 정도밖에 안 된다. 대부분 별이 우리 은하 주위에 모여 있는 것 같은데, 우리 은하는 가장자리의 윤곽이 불규칙하고 빛나는 띠 형태를 하고 있다. 그 외 밤하늘은 완전히 어둡다. 공간 차원에서 밤하늘을 지배하는 것은 빛이 아니라 어둠이다. 그리고 잘 생각해보면, 천문학의 기원이 되고 우주에 관한 연구를 가능하게 만든 것은 바로 그 별이 빛나는 둥근 천장의 웅장한 광경 속에 펼쳐진 수많은 반짝이는 작은 점이 완전히 어두운 배경과 대조를 이뤄 두드러져 장관을 이뤘기 때문이다.
---「pp. 35~36, ‘낭비되는 광자는 없다’」중에서

과학자들을 곤경에 빠뜨리거나 엄청난 지식의 도약을 일으키는 질문 중에는 의외로 무척 단순한 것들이 많다. 겉보기에 너무 어리석거나 빤해서 사람들 대부분이 코웃음을 치며 답하는 질문들이지만, 사상가들은 수년, 수십 년, 심지어 몇 세기 동안 그 질문에 매달려왔다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)은 십 대 시절 전자기학 법칙을 공부한 후부터 한 가지 의문이 뇌리에 박혀 수년 동안 마치 가시가 살에 박힌 것처럼 괴로웠다고 한다. 빛 바로 옆에서 빛의 속도로 이동할 수 있다면 빛이 어떻게 보일까 하는 의문이었다.
---「p. 58, ‘어두운 밤하늘의 역설’」중에서

우주는 대부분 비어 있고 어둡다. 우리 인간종은, 중간 크기의 별 주위를 도는 작고 습한 암석으로 적절한 환경적 조건을 갖춘 흔치 않은 섬에서 탄생했기 때문에 생존하고 발전할 수 있었다. 지구상의 생명체는 태양이 매 순간 전자기파(Eelectromagnetic wave)의 형태로 빈 공간 속에 쏟아붓는 에너지에 완벽히 의지하며 살고 있다. 이 에너지의 절반가량은 380나노미터(1나노미터는 10억 분의 1미터)에서 760나노미터 정도 길이의 파장에 집중해 있다. 그러니까 우리가 그 협소한 범위의 파장 안에서 반응할 수 있는 시각 장치를 갖추도록 진화된 것도 순전히 우연한 일은 아니다.
---「p. 83, ‘확장된 시선’」중에서

태양 빛은 아주 멀리서만 오는 것이 아니라 아주 오래전 시대에서 오는 것이기도 한데, 태양 중심부의 빛이 우리를 향해 이동하기 시작할 때 우리 선조들은 사바나를 돌아다니며 이제 막 의사소통을 하기 시작했다. 그러나 지구에 오기까지 시간과 공간을 지나야 하는 빛이 태양 빛만은 아니다. 그보다 더 멀고, 훨씬 더 오래전에, 우주가 지금과 완전히 다를 때 출발한 빛이 있다. 이제 보이지도 않을 정도로 오래 이동을 했고, 그 광자는 너무 오래돼 우리 눈으로 감지할 수 없지만, 어떤 식으로든 수집해 연구할 수 있는 빛이다.
---「p. 108, ‘화석 빛’」중에서

빛의 속도가 유한하다는 점은 우리가 먼 우주를 보는 것이 우주의 먼 옛날을 되돌아보는 것과 같은 의미를 갖는다는 것이다. 우리의 연구가 점점 더 멀리 떨어진 우주 공간에 대해 알아내면서, 지식의 경계도 우주 지평선 방향으로만 향하는 게 아니라 우주 역사의 시간적 한계 쪽으로도 넓혀가고 있다. 우주의 어둠 속을 깊이 파헤치면서 점점 더 오래전 우주의 삶을 관찰하고, 점점 더 빅뱅과 아주 가까운 시기로 다가서고 있다. 점점 더 강력한 도구를 제작하면서 현대 천문학자들은 더 먼 영역까지 시선을 넓히고자 높은 탑에 올라가는 고대의 보초병과 같은 역할을 하게 된 것이다. 그리고 그렇게 멀리 내다보면서 과거의 시간으로 거슬러 올라가고 있다. 현재 인류 최고의 관측 전초 기지 중 몇 곳은 해안을 따라 배치된 것이 아니라, 우리 머리 위에 떠 있다.
---「p. 129, ‘어둠 너머’」중에서

급팽창 때문에 우주가 평탄할 것으로 예측됐는데, 이것은 다른 방법으로는 설명이 되지 않았다. 그리고 부메랑과 맥시마에 이어 더블유맵 실험에서 관측한 곡률의 부재가 이 이론을 강력하게 뒷받침했다. 앨런 구스와 급팽창 모형에 관한 이론들이 높이 평가되는 것이 당연한 분위기였다면, 다른 측면에서 우주의 기하 구조가 유클리드적으로 나타난 점은 꽤 당황스러웠다. 20세기 내내, 천체물리학자들이 의심의 여지 없이, 망원경으로 관측 가능한 모든 질량을 계산할 때 결과치가 놀라울 정도로 낮았기 때문이다. 즉, 관측 가능한 모든 질량을 합쳐도 임계 밀도의 1퍼센트가 안 됐다. 그러나 우주가 평평하다면, 의심의 여지 없이 우주배경복사가 관측된 것처럼 사라진 모든 물질이 어디에 숨겨져 있는지에 관한 설명이 필요했다. 말하자면, 천체물리학자들의 눈에 우주는 너무 어두운 곳으로 보였다.
---「p. 170, ‘우주는 평평하다’」중에서

사실, 우주에 있는 모든 물질이 밖으로 드러날 정도로 충분한 양의 빛(혹은 다른 형태의 전자기 복사)을 방출하는 건 아니라는 생각 자체는 그리 어렵지 않다. 예를 들어, 우리는 별 이외에 나선은하 속에도 수많은 먼지가 있다는 것을 알고 있다. 아주 맑은 날 밤이면 그 먼지들이 어떤 영향을 끼치는지 볼 수 있는데, 은하수가 보이는 영역에 줄무늬를 만드는 검은 띠의 형태로 나타난다. 그러나 원반에 있는 먼지는 회전 곡선의 불규칙을 설명하는 데 사용될 수는 없다. 이미 확인했다시피, 우리에게는 구형 헤일로에 퍼진 어두운 성분이 필요하다.
---「p. 185, ‘사라진 물질이 있다’」중에서

우주는 무엇으로 이뤄져 있을까? 우리는 그것이 무엇인지는 모르지만, 우리에게 익숙한 원소들, 즉 우리가 흔히 접할 수 있는 물질이 우주 전체로 보면 매우 희귀한 물질이라는 점은 확실하게 말할 수 있다. 그보다 더 성가신 점은 이 희박한 원소들이 전혀 존재하지 않을 위험도 있다는 것이다. 사실, 상당히 오래전에 제기됐지만, 아직도 완전한 답을 모르는 문제가 있다. 바로 ‘왜 아무것도 없는 게 아니라 무엇인가 있는 걸까?’라는 문제다.
---「p. 209, ‘아무것도 없는 세계’」중에서

20세기 말경, 천문학자들의 관측과 우주론의 발전에 힘입어 물리학자들은 원자가 우주에 존재하는 유일한 물질의 유형이 아니라는 결론에 도달했다. 실제로, 이러한 물질만으로는 우주의 전체적인 기하학적 특성이나 우주의 구조가 중력에 의해 결합한 방식을 제대로 설명할 수 없었다. 새로운 가설이 필요했고, 이런 경우 흔히 그렇듯 전혀 탐험한 적이 없는 방향으로 넘어가려면 아는 것부터 시작해야 했다. 우리는 암흑 물질에 관해 무엇을 알고 있을까? 우주론 관측 자료에서 나온 대량의 변칙적 결과를 설명할 단 하나의 원인을 찾을 수 있을까? 이것은 우리가 수집해낸 정보 들을 이용해 의심이 갈 만한 용의자를 줄여야 하는 범죄 수사와 비슷하다. 다른 유형의 물질에서처럼 암흑 물질도 기본 입자로 이뤄져 있다고 생각할 수 있다. 그렇다면 이 가상의 입자는 어떤 유형의 특성을 띠고 있을까?
---「pp. 218~219, ‘신비한 입자’」중에서

빠져나갈 구멍이 없다. 천체물리학적 관측 내용을 해석하기 위해 기존의 물리법칙을 사용하고 직접 관측할 수 있는 물질만 검토하면, 상황이 좀처럼 들어맞지 않는다. 천체물리학자 대부분은 이러한 불일치에서 오는 피할 수 없는 결과가, 우주에 우리가 볼 수 없고 또 실질적으로 아무것도 모르는 이상한 물질이 너무 많아서라고 생각한다. 이런 생각은 기존의 물리법칙은 지켜낼 수 있지만, 누군가가 직접적인 증거가 없는 새로운 이론에 불편함을 느껴 다른 해법을 내놓을 수 있다는 사실을 인정해야 한다. 물론, 그 길을 선택한 물리학자가 한 손에 꼽힐 정도여서 문제지만 말이다.
---「p. 244, ‘단서는 많지만, 범인이 없다’」중에서

불안한 우주를 안정시키기 위해 도입한 수학적 속임수였던 우주 상수는 더는 존재할 이유가 없는 것처럼 보였다. 개념의 역사에 도움이 안 되는 지식의 낭비였으며, 알베르트 아인슈타인 본인 또한 이 상수를 도입한 것을 가장 많이 후회하기도 했다. 아인슈타인은 1945년에 출간한 저서 《상대성이론의 의미(The meaning of Relativity)》에서 “중력 방정식에 우주 상수의 도입은, 상대성이론의 관점에서는 가능하지만, 논리의 단순성 차원에서 폐기돼야 한다. (…) 일반 상대성이론이 만들어지던 시대에 허블의 팽창 법칙이 알려져 있었다면 우주 상수를 절대로 도입하지 않았을 것이다. 요즘 장 방정식에 이 용어를 도입하는 것은 훨씬 더 부적절해 보이는데, 그 이유는 유일한 정당화, 즉 우주론 문제에 대한 자연스러운 해법으로 이끄는 기존의 정당화가 실패했기 때문이다”라고 썼다.
---「p. 289, ‘아인슈타인의 실수’」중에서

물리적으로 잘 정의된 모형을 기준으로 하면, 1930년대에는 관측 우주론의 임무가 아주 명확해 보였다. 시간의 경과에 따른(빅뱅 이후의 순간부터 현재까지, 그리고 미래 예측까지) 우주의 전반적인 진화를 설명하기 위해 해야 할 일은 우주 모형에 있는 물리적 매개변수를 실제 우주의 관측 결과와 연결 짓는 것뿐이었다. 일반상대성이론을 개선한 팽창 모형이 아주 매력적으로 여겨지게 된 이유는 두 가지 미지의 양에만 의존한다는 점이다. 이 두 가지 양 모두 원칙적으로 천체물리학적 측정을 통해 정의될 수 있어야 한다.
---「p. 290, ‘가속’」중에서

고전 과학자들에게 진공은 뺄셈으로 정의됐다. 즉, 공간 영역에서 물질 전체를 제거했을 때 남은 것이 진공이었다. 진공을 현실 세계에 구현하는 것은 상당히 어려운 문제인데, 실험실에서는 용기에서 최대한 효율적으로 기체를 빨아들이는 방식으로 단순화했다. 완벽한 진공에 도달할 수 있을 거라는 생각은 실질적으로 불가능해 보였고, 지향해야 할 이상적인 목표일 뿐이었다. 그러면 어쨌든, 공간은 아주 작은 마지막 한 영역까지 파괴도 제거도 되지 않는 에테르가 스며든 채로 남아 있을 것이다.
---「pp. 318, ‘빈 공간’」중에서

최근 들어서 과학이 관측 가능한 우주의 진화가 시작된 물리적 조건에 관해 어느 정도 뚜렷한 관점을 갖기 시작했지만, 만물의 기원은 인류가 오랫동안 가장 크게 마음을 빼앗긴 주제였다. 그러나 수 세기 동안 일관된 논란은 그 대칭의 문제, 즉 우주 최후의 운명에 관한 것이었다. 우주가 끝이 난다면, 언제 어떻게 끝날까? 이제 어느 정도는 진화 초기의 우주 상태에 관해 파악하기 시작했고, 우주의 깊은 곳을 탐사하고, 우주의 경계까지 밀고 나갈 수도 있으며, 우주 인생의 다양한 시기에 만들어진 은하를 비롯해 아주 먼 퀘이사와 현재 우주의 골격을 구성하는 거대한 섬우주의 초창기 흔적까지 관측하면서 시간을 거슬러 올라갈 수도 있다.
---「pp. 338~339, ‘불확실한 운명’」중에서

우주론 연구자들은 우주 가속 팽창의 원인을 파악하기 위해 다시 한번 기본적인 상호작용을 연구하는 물리학자들과 같은 길을 걸어야 했다. 진공 에너지 문제에 대한 답은 사실 수십 년 전부터 지구에서 가장 명석한 학자들까지도 골머리를 앓았던, 훨씬 더 보편적인 문제의 답에서 찾을 수 있었다. 이미 알려진 모든 상호작용을 통합한 프레임에서 다루는 이론의 공식화, 아마도 기본적인 물리적 매개변수가 현재와 같은 값을 갖게 된 이유를 설명하는 것(이른바, 모든 것의 이론 Theory of everything, TOE)이 해결책일 것이다. 결정적인 결과가 없는 현재로서는 굉장히 어려운 작업임이 분명하다.

<b>“태양 빛에만 의존하는 인간은 어떻게 ‘어둠’을 인식하는가?”<br/>아메데오 발비, 별 너머로 사라진 ‘95%의 존재’를 묻다</b><br/><br/>우주배경복사(Cosmic microwave background radiation)의 비등방성을 세계 최초로 규명하며, 우주의 구조가 유클리드(평면) 구조임을 확인했던 이탈리아 최고의 천체물리학 석학이자, 특히 우주론과 우주 생물학 분야에서 빼어난 활약을 펼치고 있는 아메데오 발비(Amede Balbi) 교수의 신작으로, 우주의 95%를 차지하는 것으로 추정되는 암흑 물질과 암흑 에너지를 둘러싼 신비와 논쟁을 흥미롭게 추적한 책이다. 저자는 이 책에서 암흑 물질로 유력한 입자로 추정되던 윔프(WIMP)의 발견이 불확실해지고, 암흑 에너지로 추정되는 진공 에너지값에 관한 물리적 난제가 풀리지 않으면서, 일반상대성이론에 기초해 빅뱅(Big Bang)으로 정점을 찍은 표준 우주 모형(Standard model of cosmology)이 그 아성을 위협받고 있다고 진단한다. 수정 뉴턴 역학 같은 표준 우주 모형에 대한 합리적인 대안 이론이 등장하는가 하면, ‘지적 설계’, ‘인류 원리’, ‘지구 평면설’ 등 유사 과학까지도 그 약한 고리를 비집고 들어오며 우주론의 성역이 일대 도전의 시간을 겪고 있다는 것이다.<br/><br/>하지만 저자는 암흑 성분(암흑 물질과 암흑 에너지)의 추정이 단순히 과학자들의 상상으로 만들어진 것이 아닌, 인류가 별빛 너머에 있는 어둠을 이해하는 과정에서 필연적으로 탄생할 수밖에 없었음을 지적하며, 유사 과학이 직접적인 증거의 부재를 틈타 ‘관측 불가능성’에 기초한 불가지론에 기대어 과학을 희화화하는 것이 아닌지 강력히 의심한다. 과학의 진전이 다소 더디게 진행될 때 일어나는 전형적인 부작용이라는 것이다. 따라서 이 모든 것의 처음으로 되돌아가 암흑 물질과 암흑 에너지의 탄생을 재고함으로써 빠진 것이 없는지, 계산상의 오류 혹은 전혀 다른 3의 가능성을 과학적 개방성의 원칙에 따라 충실히 생각해보는 시간을 갖는다. 별 너머에 존재하는 어둠에 관해, 과거의 모든 과학자가 그랬던 것처럼 처음으로 돌아가 우주를 가득 채우고 있는 미지의 어둠을 재고하는 것이다. 어둠의 본성을 이해하는 것이야말로 위기에 빠진 우주론을 다시 정립하고, 무엇보다 ‘우리가 여전히 모르고 있는 95%의 우주’를 이해하는 실마리가 되기 때문이다. 이 과정은 마치 일련의 알리바이를 두고 벌이는 용의자와 수사관 사이의 치열한 심리 싸움을 연상시킬 만큼 흥미진진하게 전개되는데, 독자들도 단순한 과학의 수용자가 아닌 관찰자로서 암흑 성분을 함께 추리해볼 수 있다.<br/><br/><b>“왜 밤하늘은 어두운가?”에서 시작된,<br/>‘빛’과 ‘어둠’을 둘러싼, 우주에서 가장 우아하고 지적인 논쟁!</b><br/><br/>불과 수 세기 전까지만 해도, 하늘을 올려다보고 별자리를 그리기 시작한 최초의 관측자들은 맨눈으로 보이는 작은 별 뒤에 무엇이 숨겨져 있는지 감히 상상조차 하지 못했다. 그 후, 과학의 눈부신 진전으로 인류는 놀라운 결과를 얻었고, 우주의 가장 먼 곳까지 탐험하면서 우주의 전체 구조와 그 기원과 진화를 지배하는 체계에 관해 매우 만족스러운 그림을 얻어내기에 이르렀다. 하지만 여전히 우리가 우주를 안다고 하기에는 턱없이 우주를 모른다. 천문학자들은 전체 우주의 5%에 불과한 물리적 특성만을 이해했을 뿐, 남은 95%의 존재를 특정하지 못하고 있다. 간접적으로나마, 유력한 용의자로 암흑 물질과 암흑 에너지를 의심하지만, 수십 년이 지금도 그 혐의를 입증할 결정적 증거를 손에 쥐지 못하며 위기에 봉착해 있다.<br/><br/>지금까지 밝혀진 바에 따르면, 암흑 물질은 입자 형태이면서 보통의 물질과 잘 섞여 있으며, 자연계에 알려진 네 가지 힘(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력) 중에서 중력으로밖에 상호작용을 하지 않는다. 그래서 어디에 있는지 곧 찾아낼 수 있을 것 같아도 빛에 반응하지 않으므로 그 정체를 파악하는 데 어려움이 많다. 또, 암흑 에너지는 입자라기보다 어떤 에너지의 형태로 우주 전 공간에 퍼져 있는 것으로 추측되는데, 놀랍게도 밀어내는 힘인 척력을 작용한다고 알려져 있다. 이 척력이 우주가 팽창하고 있는 그 비율을 점점 더 빨라지게 만드는, 즉 가속 팽창을 유발한다고 생각하고 있다. 실제 여러 가지 관측 결과를 잘 설명하기 때문에 암흑 에너지의 필요성에 관해 많은 학자가 공감하고 있으나, 정작 가장 큰 문제는 이 베일에 싸인 에너지가 무엇인지 알 수 없다는 점이다.<br/><br/>그렇다면, 왜 이 모든 것의 실체적 증거가 나오지 않는 걸까? 또 오랜 시간이 경과했음에도, 왜 명확해지는 것이 아니라 혼란스럽게 보이는 걸까? 중력과만 상호작용한다는 전제부터 지나친 억지 시나리오가 아닐까? 보이지 않으니, 물리적 도구로도 발견될 수 없는 건 아닐까? 우리가 아는 중력의 규칙과 또 다른 물리법칙이 존재하는 것은 아닐까? 마치 모든 것이 밑바닥부터 논리적이고 조화로운 방식으로 올라오는 놀라운 형식의 일반상대성이론처럼, 암흑 성분 또한 중력과 양자가 공존하는 영역에서 의심의 여지 없이 이론적 토대 위에 설 수 있을까? 그것도 아니라면, 애초에 아예 존재하지 않은 물질과 에너지를 실체로 상상한 것이 아닐까? 이 책은 이 모든 의문에 대한 답을 찾는 과정을 담아냈다.<br/><br/><b>“누가 스티븐 호킹만이 과학을 대중화할 수 있다고 말했던가?”<br/>‘우주의 어둠’에 관한 아메데오 발비의 가장 아름다운 교양 과학서!</b><br/><br/>암흑 물질과 암흑 에너지의 존재를 예측한 지 무려 40여 년을 넘겼다는 것이 어쩌면 심각한 결함으로 보일 수 있다. 하지만 기껏 한 세기 이내의 짧은 수명을 기대할 수 있는 인류의 조바심일 수도 있다. 뉴턴과 아인슈타인으로 대표되는 17세기, 20세기의 두 과학혁명도 우주의 시간으로 보자면 보잘것없는 최근에서야 이뤄졌다. 우리는 여전히 혼란스럽지만, 과거에 가지지 못했던 새로운 도구들(이를테면, 중력파의 발견처럼)을 하나둘 손에 얻고 있다. 언젠가는 이 둘의 진위가 밝혀지는 날은 올 테지만, 정체가 밝혀지기 전까지 모든 가능성에 대해서 이리저리 맞춰보는 게 더 재미있을 수 있다. 마치 직소 퍼즐을 다 맞추기 위해서 며칠 동안 낑낑대며 괴로워하는 시간이 지나야 나중에 완성된 멋진 그림을 보면서 그 힘들었던 시간을 추억하듯이 말이다. 다행히 이 책의 저자인 아메데오 발비 교수는 별 너머 저편, 어둠의 속성을 이해하려는 독자들에게 암흑 탐사의 길잡이로서 훌륭한 역할을 해낸다. 서울대학교 천문물리학부 황호성 교수의 추천사를 빌려 표현하자면, “일반인들이 암흑 물질과 암흑 에너지에 접근하려면, 중력이 결정적인 거시 세계와 중력이 무시되는 미시 세계가 결합된, 감히 상상하기 어려운 우주의 시작점을 이해해야 하고, 그 후 방정식 안에서나 존재하는 무수히 많은 우주적 각본을 고려해야 하는데, 저자는 이를 탁월하게 설명해낸다.”<br/><br/>저자 아메데오 발비는 천체물리학과 우주론 연구 현장을 떠나지 않으면서도, 일반 대중을 위한 과학 교양서를 꾸준히 발간하는 몇 안 되는 과학자로 유명하다. 그래서 그런지 개념에 관한 직접적인 설명보다 ‘왜’라는 문제 제기를 통해 과거 천문학자들이 밟았던 생각의 궤적을 이해하도록 하며, 독자들이 자연스럽게 우주의 실체에 다가설 수 있도록 돕는다. 어쩌면 저자의 이러한 과학 글쓰기는 철학보다 더 철학적이고, 역사보다 더 역사적인 추론으로 자칫 메말라 보이는 우주 탐사를 참 서사적이게 하는 면이 있다. 그래서 이 책이 더욱 우아하게 느껴지는지도 모르겠다. 암흑 물질과 암흑 에너지로 상징되는 암흑 성분을 규명하는 일은 우리가 여전히 모르는 95퍼센트를 알아가는 매우 중요한 일로서, 우주의 기원과 구조에 관한 우리 지식의 토대가 맞는지 확인시켜줄 매우 중요한 과제다. 독자들도 어딘가 신비롭지만 기묘하고, 손에 잡히지 않는 ‘어둠의 세계’를 이해함으로써 드넓은 우주의 신비에 한 발 더 다가서는 기회를 얻을 수 있을 것이다.