영화 ＜아바타＞나 ＜해리포터와 불의 잔＞ 등을 보면 바다의 파도와 물줄기가 살아움직이는 것 같은 느낌을 받는다. 영화 촬영 기술이 참 대단하다고 느껴지는 순간이다. 그러나 이 장면들은 실제 물위에서 촬영한 것이 아니고 컴퓨터에서 방정식을 풀어 그 결과를 Post-Processing 한 결과라고 한다. 이 방정식을 풀어서 영상화를 화여 영화를 만들어 오스카 시상식에서 두번이나 영화 특수 부분의 상을 수상하기도 했다고 한다. 우리가 싫어하는 물리를 생각하면 뉴튼의 운동의 법칙을 생각한다. F=ma ...

그러나 꿀, 기름 같은 끈적끈적한 액체는 이 방정식으로 설명되지 않는다. 이처럼 점성이 높은 유체(액체와 기체)의 실제 움직임을 설명하는 미분 방정식을 나비에-스토크스 유동 방정식, 일명 N-S 방정식이라 한다. 프랑스의 공학자 클로드 루이 나비에가 오일러 방정식을 발전시켜 점성의 효과를 고려한 방정식을 만들어냈고, 영국의 수학자 조지 스토크스가 이 방정식의 수학적 완성도를 높였다고 한다. 유체의 움직임에 영향을 끼치는 복잡한 요인들을 모두 반영하다 보니 N-S 방정식은 수학적인 관점에서 매우 흥미로운 방정식이 되었다. ‘연립 이차 비선형 편미분 방정식’. 수학을 조금 아는 사람은 알겠지만, 미지수가 하나일 때보다 여러 개가 연립되어 있으면 수십 배 어려워지고, 직선적 관계가 아닌 비선형 문제는 선형보다 수백 배 어려우며, 독립변수가 여러 개인 편미분 방정식 문제는 하나의 독립변수만 가지는 상미분방정식에 비해 수천 배 어렵다. 미국 클레이수학연구소는 밀레니엄 7대 난제를 발표하고 각각의 문제에 100만 달러의 상금을 걸었는데, 그 문제 중 하나가 바로 N-S 방정식이다. 그러나 20년이 지난 지금까지도 이 문제를 푼 사람은 없다고 한다.

앤드루 폰첸은 우주론학자로 우주론 시뮬레이션을 이용한 연구를 통해

블랙홀, 암흑물질, 암흑에너지, 등 우주를 이해하고 그 활동을 연구자와 대중에게 공유하고 있다.

그의 책 ＜상자 속 우주＞는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 우주의 이해에 대해 묘사하고 있는데, 그가 아버지의 컴퓨터를 이용해서 경험해보았던 게임StarOrb가 지구 궤도에 인공위성을 쏘아올리는 내용을 담고 있었기 때문이다. 어린이에게 깊은 영감을 남기게 된 시뮬레이션 게임은 우주론학자로 성장하게 되어 시뮬레이션을 이용해 우주와 그 신비를 밝히는데 큰 영향을 미치게 된다.

실제와 비슷한 환경변수를 고려하여 목표나 득점을 얻게되는 내용의 게임을 시뮬레이션 게임이라고 부르는데 불과 2~3년 전에 인터넷 공간에 공장이나 시설을 지어보고 물리적, 경제적 비용 절감 등의 장점이 크게 부각됐었던 메타버스 등 비슷한 맥락으로 읽힌다. 현대물리학에서는 현재의 인류가, 누군가가 설계가 시뮬레이션 속에서 살고 있을지도 모른다는 시뮬레이션 이론도 등장하는데 책속에서도 관련된 내용이 다뤄지고 있다.

책 속에서 언급된 바와 같이 인간이 우주와 우주의 크기, 속도에 맞춰 이해하려면 거기에 맞는 거리와 속도가 직관적인 수준을 크게 뛰어넘게 된다. 그럼에도 불구하고 우주를 이해하는 방법으로 컴퓨터 시뮬레이션 덕분에 그 이해와 연구를 계속 할 수 있는 점은 천만다행이라 하겠다. 마치 인공지능의 발전과 함께, 반도체의 산업이 점점 가속화되어가고, 이를 위해 전기의 사용량 증가와 그게 맞게 변압기와 전선, 구리의 수요량이 계속 증가되어 그 영향력이 파급을 미치는 현상을 보고 있노라면 세계와 현상을 구성하는 변수가 무엇이 될지 궁금하고 해당 변수가 바뀐다면 세계는 다른 모습으로 변할 수 있다는 사실이 흥미로운 지점이라 하겠다.

우주론이나 물리, 컴퓨터에 관심이 있다면 많이 들어봤을 시뮬레이션 이론이나 엔트로피와 열역학, 영화 매트릭스 등 흥미로운 읽을거리 들이 잔뜩 들어있고 무겁지 않게 진행되고 있기 때문에 가까이두고 여러번 읽기에도 좋은 독서를 경험하게 될 것이다.

제목부터 범상치 않다. 우주가 상자 속에 있다니? 더구나 이 책은 sf 소설이 아니라 영국의 우주론 학자 앤드루 폰첸이 저자다. 앤드루 폰첸의 주된 연구분야가 우주론 시뮬레이션이라는 점을 이해하고 나자 비로소 궁금증이 조금 풀리는 느낌이다. 우주 시뮬레이션이란 컴퓨터를 이용하여 은하와 블랙홀, 암흑물질과 암흑에너지 등 우주 전체를 재현하여 우주의 신비를 이해하기 위한 도구로서 활발히 연구 중인 학문이다. 그러나 연구의 역사가 길지는 않아서 이제 막 걸음마를 시작한 아기 정도라고 볼 수 있다. 그렇기에 연구의 발전 가능성은 더 무한하다고 저자는 말한다.

 시작부터 바로 우주 시뮬레이션 연구에 대해 들어가면 독자들이 준비운동도 하지 못한 채 바로 물에 뛰어들어 허우적거릴 수 있으니 친절하게 독자가 친숙하게 받아들일 수 있는 영역부터 이야기를 풀어간다. 우리가 거의 매일 뉴스에서 접하고 필요한 정보를 얻는 날씨에 대한 이야기다. 기상 캐스터가 내일, 그리고 이번 주 날씨에 대한 정보를 이야기해 주는 것에 대해 의아하다고 생각하는 사람은 거의 없을 것이다. 어떻게 내일과 이번 주 날씨를 미리 아는 것인지 궁금해하지 않고 자연스럽게 받아들인다. 이렇게 매일의 날씨를 예측할 때 지구의 대기 상태를 컴퓨터로 시뮬레이션하여 다가올 날씨를 예견하고, 그 정보를 받아 사람들은 일정에 참고하는 것이 자연스러운 일상이 되어 있다. 일계 예보의 적중률이 갈수록 높아지는 것을 보면 마치 과학계의 점쟁이를 보는 것 같을지도 모른다. 

 이런 시뮬레이션의 작동의 원리가 비슷하기 때문에 기상학자가 하는 일이 천문학자가 하는 일과 크게 다르지 않다. 기상학이라는 단어 meteorology가 meteor(유성)에서 파생된 단어인 것을 보면 알 수 있다. 고대에서 혜성과 하늘을 덮은 구름은 높은 하늘을 연구하는 사람의 연구 대상이었고 기상학과 천문학은 불가분의 관계였던 것이다. 우리가 매일 익숙하게 듣는 일기예보는 사실상 가설이다. 그렇기 때문에 100% 적중은 불가능한 영역에 가깝고 이를 90%에 이르도록 적중시킨 것이 현대 과학의 최고 업적 중 하나라고 볼 수 있다. 

 그런 의미에서 앤드루 폰첸이 책의 말미에서 내세운 하나의 가설이 무척 흥미롭게 다가온다. 영화 ＜매트릭스＞를 보고 큰 충격에 빠졌던 저자는 영화 속 이야기처럼 우리가 살고 있는 세상 자체가 하나의 거대한 시뮬레이션일 수 있다는 이야기를 꺼낸다. 우리는 진짜 인간인가, 시뮬레이션 속의 가상 인간인가. 황당하다는 이유로 가설을 부정할 수는 없으며, 따지고 보면 물리학이야말로 황당함으로 가득 찬 과학이라고 이야기한다. 시간은 위치마다 다른 속도로 흐르고, 입자는 여러 곳에 동시에 존재할 수 있으며, 우주는 풍선처럼 팽창하고 있다는 현대 물리학을 바탕으로 한 우리가 알고 있는 지식은 이렇게 열거하고 보니 정말 황당한 가설처럼 보이기도 한다. 

 최근 넷플리스 시리즈 ＜삼체＞를 흥미롭게 보았다. 중국에서 만든 시리즈도 같이 보고 있고, 시리즈를 다 보고 나면 원작도 읽어 볼 생각이다. 인류가 가설을 세우고, 미지의 존재에 대한 탐구를 멈추지 않는다는 점에서 인류의 가능성은 아직 무한하다고 생각한다. 우리가 가상세계에 존재하고 있건 아니건, 우주에 우리와 같은, 혹은 엄청나게 뛰어난 문명이 존재하건 아니건 현재로서는 입증할 방법이 없다. 다만, 그것을 시뮬레이션 하고 가설을 검증하는 과정을 멈추지 않는 한 무한한 인내를 지닌다면 끝내 밝혀내게 될 것이라 믿는다. 

현대 물리학에서는 아인슈타인의 상대성이론을 적용하면서 발생하는 오류를 해결하기 위해 암흑물질과 암흑에너지를 제안하여 해결하고 있으나 그 실제에 대한 실질적 증거를 발견하지 못하고 있다.

개인적으로는 암흑물질이나 암흑에너지가 존재한다기보다는 방정식 자체의 불완결성에서 발생하는 것이 아닌가 하는 생각이 있지만 문외한으로서 하는 추측일 뿐이고, 현대물리학이 쌓아온 기초에서 바라보면 암흑물질과 암흑에너지가 존재한다고 생각하는 것이 타당한 것 같다.

이 책 상자 속 우주는 우주에 대한 연구를 시물레이션을 통해 연구하는 저자가 이 분야 역구의 역사 및 최신 현황을 소개하고 있으며, 이와 관련하여 물리학 연구에서의 시물레이션의 의미, 장래 전망에 대해서 소개하고 있다. 유체역학 시물레이션 연구를 한 경험이 있어 이 책 내용이 무척 흠미로왔으며, 유체역학 시물레이션에서 사용하는 기법을 우주를 연구하는 시물레이션에서도 사용하는 부분도 있어 무척 흥미로왔다.

다른 우주에 대한 교양서적과 다른 접근법을 사용하고 있는데 오히려 기존의 설명보다 암흑물질이나 암흑에너지의 의미에 대해 이해를 더 잘 할 수 있는 기회가 되었다고 생각된다. 하지만 시물레이션을 연구하는 저자의 책임에도 불구하고 연구 결과를 보여줄 수 있는 그림이나 그래프 같은 자료가 책 내용에는 거의 없어서 아쉬운 느낌이 든다.

우주공간을 시물레이션하기 위해 사용하는 격자계 내부의 세세한 물리현상을 서브그리드 모델을 이용하여 모사한다고 하는데 유체역학에서도 비슷한 장법을 사용하기 때문에 무척 흥미로왔는데, 그 모델의 타당성은 어떻게 증명하는지 궁금하였다. 시물레이션 결과가 단순히 관측한 결과와 비슷하기만 한 것인지 타당한 설명을 줄 수 있는지도 궁금하였는데, 다양한 경우를 시물레이션할 수 있는 공학 문제에 비해 우주현상은 다양하지 않다고 느꼈기 때문이다.

책 내용이 무척 흥미로왔고, 저자의 연구결과를 자세히 소개하는 보다 전문적인 책이 출간되어도 좋을 것 같다,

  상자와 우주. 언뜻 떠오르는 게 바로 양자 우주라고 할까. 다중 우주라고 할까. 그런 종류의 책이라고 생각했다. 책은 펼치면 바로 일기 예보 이야기가 나온다. 우주와 날씨는 어떤 관계가 있을까? 인간에게 날씨는 굉장히 어려운 문제였고 그건 지금 우주를 대하는 인간의 모습과 흡사하지 않았을까? 나비의 날갯짓이 태풍을 만들 수도 있다는 '카오스 이론'은 하나의 파라미터가 얼마나 큰 변화를 주는지 얘기하고 있다. 그럼 이 책은 어떤 얘기를 하고 싶은 걸까?

  날씨와 우주. 그것을 쫓는 사람들의 이야기는 알에이치코리아의 지원으로 읽어보았다.

  인간의 지식은 대부분 관측 후 이론을 꾸리는 일이 대부분이었다. 그것은 많은 부분 무지했기 때문이라고 할 수 있지만 지금의 인간도 크게 다르지 않다. 우리는 여전히 모르는 것 투성이며 우리가 모르는 어떤 존재하지만 알지 못하는 물질에 대한 영향을 알 수 없기 때문이다. 그래서 인간의 학문은 늘 '근삿값'을 이용할 수밖에 없다. 알지만 측정할 수 없는 것들도 많기 때문이다.

  일기 예보는 근사를 이용하는 대표적인 것이 아닌가 싶다. 지구 전체 대기를 파악하는 것은 어렵다. 그렇기 때문에 국소적인 데이터를 이용한다. 이를 서브 그리드라고 한다. 우주를 대할 때도 마찬가지다. 대기의 상태도 파악하지 못하는 인간이 우주 전체를 파악한다는 건 어불성설이다. 우주 또한 잘게 쪼개서 그 현상을 예측하고 관측한다. 

  아인슈타인에 이르러서야 이론은 현상을 예측했다. 아인슈타인에 말한 대부분의 현상들은 실제로 관측되었다. 눈으로 볼 수 있는 영역은 늘 관측되어야 인정된다. 하지만 어느 순간부터 우리의 과학은 관측할 수 없는 것들을 다루기 시작했다. 설명은 가능한데 볼 수가 없는 것들이 많아졌다. 양자가 그 대표적인 것이다.

  컴퓨터의 발달로 연산의 속도는 기하급수적으로 늘어났다. 손으로 계산하던 시절에 비해 더 많은 요소를 적용하여 계산할 수 있게 되었다. 하지만 세상은 우리가 감당할 수 없는 수준의 요소를 가지고 있다. 그래서 여전히 우리는 근삿값을 이용한다. 하지만 컴퓨팅 기술이 발달하면 그 오차도 점점 줄어들게 될 것이다.

  저자는 시뮬레이션 전문가다. 이런 여러 이야기를 한 이유가 바로 시뮬레이션의 중요성을 알리고자 하는 것이다. 시뮬레이션은 우리가 아는 세상을 예측하는데 중요하다. 이론과 실험을 잇는 중요한 역할을 한다. 실험이 어려운 경우에는 더더욱 시뮬레이션의 역할은 중요해진다.

  앞으로 우리가 밝히려고 하는 건 어쩌면 실험의 영역에서는 어려울지 모른다. 너무 미시적인 세계이거나 너무 오랜 시간을 기다려야 하는 일뿐이다. 측정하고 증명하는 것이 과학의 역할이지만 그 자체가 어려운 일인 것이다. 매초 수 조개의 미자가 우리를 통과하고 있지만 아무런 일이 일어나지 않고 있다고 해서 아무 역할을 하지 않는 게 아닐지도 모른다. 이제부터 이론의 파트너는 시뮬레이션이 될지도 모를 일이다.