‘백미러 속의 우주’는 수식을 쓰지 않고 수학에서 아주 정교하고 본질적인 개념인 대칭(對稱)을 풀어낸 책이다. 저자는 물리학은 완전히 다르게 보였던 현상들이 동일한 원인의 결과임을 깨달을 때마다 커다란 도약을 이루었는데 그 공통점의 기원을 추적할 때마다 항상 대칭이라는 개념에 도달하곤 했다고 말한다. 물리학에 관심이 있는 문외한으로서 저자 데이브 골드버그의 어법에 기대어 할(떠올릴) 수 있는 말은 현대 물리학은 시간과 공간, 질량과 에너지, 중력장과 가속계가 동일한 원인의 결과라는 말이다.


질량과 에너지는 완전히 동가(同價)가 아니라 등가(等價) 관계이다. 질량 결손을 생각해 보라. 수소 원자핵 네 개가 헬륨 원자핵 하나로 변환할 때 변환 후의 질량이 변환 전의 질량보다 미세하게 작아진다. 이 작아진 질량만큼 에너지가 된다. 핵융합시 나오는 에너지가 그 것이다. 핵융합하는 태양의 질량 손실률은 0.7%에 불과한데 지금과 같은 상태로 약 100억년 동안 타오를 수 있다. 태양의 핵융합 과정에 다량의 양전자가 생성된다. 한편 저자는 시간과 공간은 비슷한 점이 많지만 완전히 같지는 않다고 말한다.(237 페이지)


저자는 조금, 아주 조금 과장해서 말하자면 물리학은 대칭을 연구하는 학문이며 더 이상의 잔소리는 필요 없다는 물리학자 필 앤더슨의 말을 인용한다. 시간과 공간, 질량과 에너지, 중력장과 가속계를 이야기했지만 볼프강 파울리는 두 개의 동일한 입자를 맞바꾸어도 달라지는 것은 없다는 간단한 생각으로부터 배타원리(exclusion principle)를 탄생시켰다. 물론 시간과 공간을 동일한 원인의 결과라 했지만 시간은 미래로만 흐른다. 그런데 물리학의 법칙은 과거로 흐르는 시간을 허용한다.


자연은 크기 변화에 대해 대칭적이지 않다. 이는 부피는 길이의 세제곱에 비례하고 면적은 길이의 제곱에 비례하기에 ‘걸리버 여행기’에서처럼 키가 10배 커지면 10배의 늘어난 하중(荷重)을 받으므로 몸이 와해될 것이라는 점을 생각하면 알 수 있는 내용이다. 저자는 우리가 반물질(물질과 질량, 스핀 등이 같고 전하가 반대인 물질. 전하의 절대값은 같은.)이 아닌 물질로 이루어진 이유를 밝힌다.(PET 즉 양전자 단층촬영에 사용되는 양전자는 전자의 반물질이다.) 저자는 ‘우주는 왜 텅 비어 있지 않고 무언가가 존재하게 되었는가?’란 질문을 던진다.


반물질의 존재를 예견한 사람은 천재 폴 디랙이다. 그는 상대론적 양자역학의 운동방정식을 풀다가 누락된 답이 있다는 사실을 깨달았는데 이 사실의 의미는 모든 입자에 반입자가 대응한다는 것이다.(수학의 중요성) 입자와 반입자는 완벽한 조화를 이루며 생성, 소멸을 반복한다. 중요한 사실은 우주의 C 대칭(charge conjugation: 전하 켤레변환)이 붕괴되었다는 사실이다. 저자는 붕괴 원인과 시점을 해명하는 것이 우주론이 풀어야 할 수수께끼 중 하나라 설명한다.(천지창조를 대칭붕괴로 설명하고 싶지만 요령부득이다.)


아이러니는 물질과 반물질이 항상 생성, 소멸을 함께 해왔다면 지금 우주에 아무것도 남아 있지 않아야 하는데 그렇지 않다는 점이다. 저자는 물리학자들은 우주가 물질로만 이루어진 이유를 아직 알아내지 못했다고 말한다. 저자는 전기전하가 없어 빛과 상호작용하지 않고 약간의 질량이 있는 중성미자(뉴트리노)를 이야기한다. 뉴트리노는 약력(弱力: 약한 핵력)이 발생할 때마다 약방의 감초처럼 끼어드는 입자이다. 약력이 없었다면 태양은 핵융합 반응을 일으키지 못했을 것이다. 참고로 말하자면 광자(光子)는 전지기력을 매개한다. 빛은 전자기파이다. 글루온은 강력(强力: 강한 핵력)을 매개한다. w 보손, z 보손은 악력을 매개한다.


저자는 약력이 개입되면 우주 초기에 물질과 반물질 사이에 비대칭이 야기되는데 우주 초기에 물질이 반물질보다 많이 생성되었다는 증거는 어디에도 없고 다만 물질과 반물질이 서로 다른 방식으로 붕괴된다는 사실만 확인되었을 뿐이라 말한다. 우리는 우주 초기의 대칭 붕괴 결과 생겨난 존재들이다. 저자에 의하면 입자와 반입자가 서로 만나 소멸되고 10억분의 1에 해당하는 초과분이 남아 지금 존재하는 모든 물질을 형성하게 되었다. 물리학의 기본 가정 중 하나는 자연을 관장하는 법칙들이 시간에 대하여 불변이라는 점이다.


시간에 대한 물리법칙의 불변성은 또 하나의 대칭을 낳는다. 물리학의 모든 법칙은 다른 시간대에서도 똑같이 적용되는데 이를 시간이동대칭이라 하고 이는 에너지는 창조되지도 않고 사라지지도 않는다는 에너지 보존법칙의 또 다른 표현이다. 저자는 수학적 관점에서는 미래로 진행하는 전자와, 과거로 진행하는 양전자는 다른 점이 거의 없다고 말한다. ‘백미러 속의 우주’에서 중요하게 언급되는 CPT 변환은 C(charge: 전하), P(partity: 좌우대칭), T(time: 시간) 변환을 말한다.


저자는 돈을 한 곳에 집중시키는 방법은 극히 한정되어 있고 즉 엔트로피가 낮고, 골고루 나눠 갖는 방법은 엄청나게 많다는 즉 엔트로피가 엄청나게 높다는 말을 한다. 우주 전체를 놓고 보면 엔트로피는 항상 증가한다. 저자는 우리의 우주는 왜 낮은 엔트로피에서 출발했을까?란 말을 한다. 저자의 답은 그냥 초기에 엔트로피가 낮았다는 것이다. 아리스토텔레스는 이 우주가 대칭의 지배를 받고 있다고 생각했다. 코페르니쿠스는 “지구가 있는 곳은 우주에서 전혀 특별한 장소가 아니”라는 사실을 가장 먼저 알아낸 사람이다.


사람들은 우주가 팽창한다는 이야기를 들으면 팽창의 중심을 떠올린다. 그러나 전체 공간이 일제히 팽창할 때에는 특별한 중심이 필요 없다. 우주의 시간을 거꾸로 돌리면 은하들 사이의 거리가 가까워지다가 결국 모든 은하들이 하나로 포개진다. 빅뱅이 모든 곳에서 일어난 것이다. 저자는 ‘물리학의 법칙은 우주 전역에 걸쳐 똑같이 적용되는가?’란 질문을 위해 다중(多重) 우주를 이야기한다.


저자는 인류원리에 의하면 인간은 진화와 생명활동에 가장 적절한 지역과 시간대에 존재할 수 밖에 없다고 말하며 그것을 만일 지구에 인간이 존재하지 않는다면 이토록 적절한 시기에 생명체에게 우호적인 행성에 살고 있는 것이 얼마나 행운인지를 떠올릴 만한 주체가 존재하지 않을 것이기 때문이라고 설명(92 페이지)하고 물리법칙이 인간의 상존에 걸맞도록 세팅되어 있다는 것은 별로 놀라운 일이 아니라 말하며 그것을, 우리에게 알맞았기 때문에 우리가 존재하는 것으로 그렇지 않았다면 이런 생각을 떠올릴 생명체는 처음부터 존재하지도 않았을 것이라 설명한다.(156 페이지)


이는 형식면에서 신(神)이 인간을 포함한 만물을 창조하지 않았다면 과연 어떻게 신이라는 말을 들을 수 있겠는가, 란 내 이의제기를 닮았다고 할 수 있다. 저자에 의하면 대부분의 물리학자들은 인류원리에 입각한 논리를 별로 좋아하지 않는데 그것은 미래의 어느 날 하나의 기본 원리로 모든 것을 설명하는 만물의 이론이 발견될 것이라는 기대를 누구나 품고 있기 때문이다. 저자는 전자기력의 크기를 결정하는 상수(常數)인 미세구조상수가 실제 값의 14배에 해당했다면 탄소를 비롯하여 이보다 무거운 원소들은 별의 내부에서 만들어질 수 없었을 것이라 말한다.(인간은 탄소에 기반한 생명체이며 별의 잔해에서 생성된 탄소, 수소 등으로 이루어진 존재이다.)


이런 아슬아슬(?)한 예는 강력의 경우에도 마찬가지이다. 강력이 지금보다 4%쯤 약했다면 헬륨보다 무거운 원소는 생성되지 않았을 것이다. 저자는 물리학의 법칙이 우주의 모든 곳에서 동일함을 뜻하는 병진(竝進) 대칭을 도입한다. 또한 물리계를 임의의 방향, 임의의 각도로 돌려도 물리 법칙이 변하지 않음을 뜻하는 회전(回轉) 대칭을 논한다. 저자에 의하면 물리법칙의 회전대칭은 역제곱 법칙(태양과 구면 사이의 거리가 두 배 멀어질 경우 구의 내면에 도달하는 에너지는 1/ 2의 제곱 즉 1/4로 줄어드는 법칙. 광원의 밝기는 역제곱 법칙을 따른다.)을 낳고 여기에 우주의 균질성까지 고려하면 밤하늘이 어두운 이유를 설명할 수 있다.


“1차원인 시간과 3차원인 공간으로 이루어진 이 세계는 우리에게 안성맞춤인 것 같다... 빛의 속도가 일정하고 우주에는 시작이 있었기 때문에 밤하늘은 캄캄하고 지구는 증발하지 않는다.”(179 페이지) 대칭과 관련하여 빼놓을 수 없는 인물이 여성 수학자 에미 뇌터(Emmy Noether: 1882 - 1935)이다. 뇌터의 정리는 대칭의 중요성을 부각시키는 데 결정적 역할을 했다. 뇌터는 수학적 불변량의 전문가였다. 불변량은 대칭을 이해하는 데 가장 중요한 요소이다.(대칭은 계의 속성을 변화시키지 않는 변환을 서술하며, 불변량은 그 대칭 변환에서 변하지 않는 양 자체를 의미한다.)


뇌터의 정리(定理)는 모든 대칭을 하나로 통합하는 원리이다. 뇌터는 물리법칙이 시간에 따라 변하지 않으면 에너지는 새로 창조되지도 파괴되지도 않는다는 것을 수학적 논리만으로 증명했다. 에미 뇌터가 발견한 대칭성을 갖는 물리량은 라그랑지안이었다.(라그랑지안은 모든 상호작용 에너지를 서술하는 양이다.) 아인슈타인은 이 우주에 또 다른 형태의 대칭이 존재한다고 가정했다. 로렌츠 불변성을 말하는 것으로 이는 물리계 전체를 회전시키거나 일정한 속도로 이동시켜도 물리학 법칙은 변하지 않음을 의미한다. 이는 아인슈타인의 상대성이론을 설명하는 장에서 나오는 용어이다.


아인슈타인에게도 최대 현안은 대칭이었다. 아인슈타인은 관성기준계에 있는 모든 관찰자에게 빛의 속도는 똑같다고 선언했는데 이는 당신이 공간 속을 아무리 빠르게 움직이고 있어도 특정한 두 시간 사이의 간격은 변하지 않는다는 의미이다. 저자에 의하면 이로써 우리는 한 단계 더 깊이 들어온 것이다. 대칭이라는 추상적 개념에서 출발하여 시간과 공간 사이에 존재하는 놀라운 연결고리를 찾아낸 것이다. 저자는 시간팽창과 길이수축 효과를 처음 알아낸 사람은 아인슈타인이 아닌 로렌츠와 피츠제럴드였지만 그들이 상대성이론의 발견자로 대접받지 못한 것은 에테르의 존재를 믿었기 때문일 것이라 말한다.(시간팽창과 길이수축은 에테르에 의한 효과가 아니라 시간과 공간 자체가 변형되기 때문에 나타나는 결과이다.)


저자는 E=mc²을 설명한다. 당신이 빠른 속도로 움직이면서 원자를 관측할 경우 원자는 어떻게 보이는가? 가령 당신이 오른쪽으로 방출된 광자를 마주보며 정면으로 돌진한다 해도 당신의 눈에 보이는 광자의 속도는 달라지지 않는다.(상대성이론의 2대 가정 중 하나인 광속불변의 법칙에 따라) 대신 당신의 눈에는 광자의 에너지가 커진 것처럼 보이는데 이는 관측자와 광원의 상대적 운동 상태에 따라 파동의 에너지가 다르게 보인다는 도플러효과에 의해 나타나는 현상이다.


그런데 어떤 경우에도 운동량은 보존되어야 하는데 움직이는 관찰자가 보기에 자신을 향해 다가오는 빛은 운동량이 (정지상태의 관찰자가 느끼는 값보다) 크고. 멀어져 가는 빛은 운동량이 감소하여 둘을 더한 값이 0으로 떨어지지 않는다. 그렇다면 둘을 더해 남은 여분의 운동량은 어디에서 온 것일까? 지금의 경우 이런 일을 벌일 수 있는 용의자는 원자 밖에 없다. 그리고 원자의 속도가 느려지지 않으면서 운동량이 작아지려면 질량을 잃어버리는 수 밖에 없다. 이때 손실된 질량 m은 정확하게 E=mc²에 따라 에너지로 전환된다.


상대성이론에 의하면 시간과 공간은 마술처럼 절묘하게 얽혀 있다. 움직이는 관찰자의 눈에는 거리가 짧아 보이지만 거리와 시간을 조합한 간격은 관측자의 운동 상태에 상관없이 항상 일정하다. 이는 송신과 수신 사이의 시간간격이 절대로 0이 될 수 없음을 의미한다. 저자는 사람들은 한계라는 말을 들으면 흔히 부정적인 이미지를 떠올리지만 우주가 지금과 같은 상태를 유지할 수 있는 것은 물리학적 한계가 부과되어 있기 때문이라 설명한다. 저자는 블랙홀도 나름대로 단점이 있어서 어느 정도 시간이 지나면 사라진다고 설명한다. 이유를 알려면 또 다른 대칭의 세계로 들어가야 한다.


저자는 그 유명한 쌍둥이 역설(두 자매 중 한 사람은 광속에 가까운 속도로 16광년 떨어진 곳을 우주여행하고 오고 다른 한 사람은 지구에 남아 있는...)을 이야기한다. 저자는 이를 특수상대성이론 때문에 이상한 일을 겪은 쌍둥이 자매라고 하지 않고 굳이 역설이라고 하는지를 논한다. 특수상대성이론은 만물의 상대운동만이 관측 가능하다는 전제에서 출발한 이론이다. 아인슈타인은 이 역설을 풀기 위해 고민하다가 둘 사이의 결정적 차이를 생각했다. 우주여행을 한 사람이 행성에 거의 도달했을 무렵 감속운동을 했을 것이고 그곳을 떠날 때는 정지 상태에서 출발해야 하므로 분명히 가속운동을 했다.(등속직선운동 외의 운동 즉 가속, 감속 운동을 한 것이다.)


아인슈타인인 이 문제(상대적이기에 두 사람의 관점이 같다고 할 수 있을까란 문제)를 놓고 고민하다가 가속운동과 중력의 상관관계를 규명하는 일반상대성이론을 탄생시켰다. 특수상대성이론을 비롯한 거의 모든 이론이 그렇듯 일반상대성이론도 대칭이라는 개념에서 출발한다. 자주 언급한 부분이지만 저자는 지표면에서 400km 떨어진 상공에서 지구 주변을 선회하는 국제우주정거장을 예로 들어 무중력(효과)에 대해 이야기한다. 저자에 의하면 그 거리면 중력이 11%쯤 약해진다. 그런데 무중력 상태인 것은 국제우주정거장이 자유낙하를 하기 때문이다.


우주정거장은 수평 방향으로 매우 빠르게 내달리기에 지표면으로 떨어지지 않고 원궤도를 그리지만 중력의 관점에서 분명 지구를 향해 떨어지는 것이다. 그런데도 대기 중으로 추락하여 지면과 충돌하지 않는 이유는 수평 방향 속도가 충분히 빠르기 때문이다. 자유낙하하는 입자와 관성기준에 있는 입자를 서로 구별할 수 없는 것이 약 등가원리(weak equivalence principle)이다. 앞서 중력장과 가속계를 말했는데 이는 등가원리의 가장 극단적 표현이다. 저자는 종류가 같으면서 동일한 상태에 있는 두 개의 입자를 서로 맞바꿔도 관측 가능한 물리량은 변하지 않음을 의미하는 입자 맞바꾸기 대칭을 이야기한다.


저자는 양자역학의 기본 원리를 설명한다. 1. 물리계의 관측 결과는 동전 던지기 게임처럼 특정 확률분포를 따른다. 2. 우주에는 무작위적 요소가 존재한다. 3. 확률은 파동으로 서술된다.(양자이론의 역학이란 다양한 상황에서 시간과 공간에 따른 확률의 변화를 미리 예측하는 것이다.) 양자역학에서 흥미로운 것 중 하나로 중첩(重疊)을 들 수 있다. 관측되지 않은 전자는 두 가지 스핀이 혼재된 상태로 존재한다. 아인슈타인은 신은 주사위 놀이를 하지 않는다는 말로 양자역학에 대한 거부감을 드러낸 것으로 유명한데 이는 무작위성 때문이 아니라 비국소성 때문이다.


특수상대성 이론에 따르면 어떤 정보도 빛보다 빠르게 전달할 수 없는데 양자적 얽힘(quantum entanglement)은 이 대전제를 따르지 않는 것이다. 양자역학은 입자들 사이에 빛보다 빠른 정보교환을 어떻게든 허용하고 있다. 양자적 얽힘은 공간이동장치의 핵심을 이룬다. 저자는 전자는 거시적인 공의 축소판이 아니라는 말과 함께 스핀은 자전하는 행성과 본질적으로 다르다는 설명을 전한다. 입자는 질량이나 전하와 마찬가지로 각 종류마다 고유의 스핀을 갖고 있다. 모든 입자는 보존과 페르미온이라는 두 가지 카테고리 중 하나에 속한다.(보존boson은 스핀이 정수인 입자이다. 페르미온은 스핀이 반(半)정수인 입자이다.)


쿼크 여섯 개, 전자, 전자뉴트리노, 타우, 타우 뉴트리노, 무온, 뮤우뉴트리노, w(weak) 보손, z(zero)보손, 글루온, 광자, 힉스 입자 등이 자연계의 기본 입자 17 가지이다. 저자에 의하면 양자(量子)가 존재한다는 것은 에너지, 전하, 각운동량 등의 물리량들이 임의의 값을 가질 수 없음을 의미한다. 우리 몸을 비롯하여 모든 물질을 이루는 입자들(양성자, 중성자, 전자. 전자는 대표적 페르미온이다.)은 페르미온이기 때문에 파울리의 배타원리를 따른다. 태양 내부에서는 배타원리가 개입된다. 태양 내부에서는 전자들이 정신 없이 돌아다니는데 부피가 작아질수록 전자의 운신 폭도 좁아지다가 결국 단단하게 뭉친다.


그런데 입자 맞바꾸기 대칭에서 기인한 우주의 물리 법칙에 의하면 두 개의 전자는 같은 위치에 놓일 수 없다. 따라서 태양은 더 이상 (자체중력에 의해) 수축하지 않고 중력과 배타원리가 팽팽히 맞선 상태에서 균형을 유지한다. 얼핏 생각하면 배타원리는 별과 아무 상관이 없어 보인다. 별의 내부는 온도가 높아 항상 밖으로 향하는 압력이 작용하기 때문에 두 개 이상의 입자가 한 자리를 차지하려고 다투는 사건은 거의 일어나지 않는다. 우리의 몸을 비롯하여 우주의 모든 물질을 구성하는 입자는 양성자, 중성자, 전자와 같은 페르미온이다.


여기 스핀의 방향이 같은 두 전자가 있다고 가정하자. 이제 두 전자의 위치를 맞바꾸어보자, 그러면 우주 전체가 혼돈에 빠진다. 우리에게는 두 전자를 구별할 방법이 없어서 파동함수는 달라지지 않아야 한다. 그러나 파동함수 앞에 마이너스 부호가 붙은 것도 사실이다. 전자의 파동함수를 Ψ(프사이)라 했을 때 위의 조건이 만족하려면 Ψ = - Ψ가 되어야 한다. 이 방정식을 만족하는 해는 Ψ = 0 밖에 없다. 파동함수가 그냥 0이라는 뜻이다. 그러면 당연히 전자가 발견될 확률도 0이다. 이로부터 스핀이 같은 두 개 또는 그 이상의 전자들은 같은 시간에 같은 장소에 놓일 수 없다.(파울리의 배타원리)


입자는 아무리 작아도 크기가 있고 두 입자를 같은 장소에 놓는 것은 불가능하기에 입자를 맞바꾸거나 마이너스 부호를 붙이는 것은 이론의 유희처럼 보일 수 있지만 배타원리의 파급효과는 상상을 초월한다.(361 페이지) 우리 몸을 이루는 가벼운 원소들은 별의 내부에서 핵융합 반응을 통해 생성된 것이고 무거운 원소들은 초신성 폭발로 생성된 것들이다. 저자는 결국 인간은 우주적 대혼란의 산물이라 말한다. 그래서 인간과 인간이 모여 이루는 사회는 혼란스러운 것인가? 저자는 우리는 매트릭스matrix에 살고 있다고 말한다.


주변에 보이는 모든 사물들은 매우 현실적이고 견고하게 느껴지지만 실제로는 그렇지 않을 수도 있다는 의미이다. 만물의 근원인 입자라는 것이 고정되어 있지 않고 길게 유지되지도 않는다. 지금도 진공 중에서 입자 - 반입자 쌍이 수시로 생겼다가 사라지기를 반복한다. 저자는 게이지대칭을 이야기한다. 게이지 대칭은 모든 상호작용과 간섭을 설명하려면 전자 - 양전자 장 이외에 또 다른 장이 필요하다는 것을 가정한다. 힉스질량은 순수한 에너지로부터 탄생했다. 힉스입자는 다른 입자들에 질량을 부여하기 때문에 유명하다.


힉스입자의 존재를 이론적으로 예견하는 것과 그것을 실험실에서 검출하는 것은 완전히 다른 이야기이다. 저자는 물리학은 우주 전체를 배경으로 벌어지는 흥미진진한 게임이라 정의한다. 저자는 왜 어떤 대칭은 중요하고 어떤 대칭은 찬밥 신세인가? 묻는다. 저자는 자연의 대칭은 양자역학의 무작위 확률에 의해 붕괴되었다고 말한다, “그렇다면 우주가 처음 탄생한 후로 지금까지 이 대칭들이 완벽하게 유지된 순간이 과연 있었을까?“(438 페이지) 저자는 ‘백미러 속의 우주’의 주제는 우주가 얼마나 대칭적인가를 알아보는 것인데 우리가 사는 세상은 별로 대칭적이지 않다고 말한다.


저자는 물이 액체일 때는 대칭성이 없었는데 기체가 되면서 대칭성이 회복되었다고 말한다.(기체가 된 물은 위아래, 앞뒤, 좌우로 거의 똑같이 움직일 수 있다.) 저자는 자연계의 네 가지 힘들(전자기력, 약력, 강력, 중력)에는 각기 다른 종류의 전하가 개입되어 있다고 말한다. 이 네 힘들을 통합한 것이 대통일이론이다. 아직 탄생하지 않았다. 세 힘과 중력을 통합해야 하는 것이다. 저자에 의하면 우주에는 페르미온과 보존이라는 입자가 무더기로 존재하면서 힘이 발생할 징조가 보이면 어김없이 끼어들어 상호작용을 교환하고 있다.


겉으로 드러난 이들의 특징만 보면 이들은 공통점이 별로 없다. 페르미온은 가로줄과 세로줄을 따라 질서정연하게 배열되어 있는 반면 무계획적 대칭으로부터 탄생한 보존은 사방에 제멋대로 흩어져 있다. 그러나 페르미온과 보존은 놀라운 방식으로 서로 장난을 걸고 있다. 우주의 법칙은 대칭적이다. 그러나 여기에 무작위성을 도입하면 전혀 대칭적이지 않다. 지금 우리 눈에 보이는 우주는 바로 이런 모습이다. 양자역학적 우주를 대표하는 단어가 무작위성이기 때문이다. 무작위성은 대칭을 가릴 수도 있지만 우주의 숨은 대칭까지 완전하게 지울 수는 없다.


”거울 속에 비친 우주는 우리 눈에 보이는 실제 우주와 다르다. 우리의 우주는 대칭이 붕괴되어 흥미롭다. 이런 우주에 살고 있다는 것이 기쁘고 자랑스럽지 않은가?“(463 페이지) 이 책을 통해 알게 된 사실은 모든 것을 꿰뚫는 단 하나의 강력한 키워드를 생각해내는 것은 대단히 의미 있는 일이라는 점이다. 대칭을 통해 그야말로 모든 것을 설명한 저자를 보며 다른 개념으로 그렇게 할 여지가 있을까, 란 생각을 했다.


이 책은 도서관에서 빌려 읽다가 소장 가치, 그리고 어렵기에 다시 공부하듯 읽어야 한다는 점 등을 생각하고 새로 주문했다. 이런 일은 처음이다. ‘대칭과 아름다운 우주’(리언 레더먼, 크리스토퍼 힐), ‘우주의 탄생과 대칭‘(히로세 다치시게), ‘아름다움은 왜 진리인가’(이언 스튜어트) 등을 함께 읽어야 나름의 답을 얻을 수 있으리라 생각한다. 이해하지 못한 부분에 대해서도 말할 수 있는 것은 저자의 설명방식이 독특하다는 점이다. 한 두 군데에서 설명이 좀 미진하다는 생각을 했지만 그것은 읽는 나의 내공 부족 탓이라는 말을 마지막으로 하고 싶다.

과학은 누구나 이해할 수 있는 아주 흥미로운 학문임을 재미있는 글을 통해 알리는 과학 전도사인 ' 데이브 골드버그'의 책 [백미러 속의 우주]를 만났습니다.

그동안 어렵게만 생각했던 물리학. 친해지고 싶어도 쉽게 친해지지 않았던 물리학에 많은 관심은 아니지만 아주 조금의 관심을 갖게 만든 건 바로 작년 천만관객을 동원하며 많은 사람을 극장으로 불러들인 크리스토퍼 놀란 감독의 영화 ' 인터스텔라'였습니다. 감독의 이름처럼 영화를 보고 상당히 놀란  1인으로써 영화 속 나오는 과학들에 호기심을 가지면서 부터였습니다. 그러면서 지금은 그렇지 않지만 그당시 영화속에 나오는 과학적 원리들을 알아보자 했던 호기심. 그러한 호기심을 이어가지 못하고 현재는 호기심이 거의 남아 있지 않은 이때, 어려운 현대 물리학을 누구나로 쉽고 재미있게 친해지게 만들어 준다는 반가운 책이 '해나무'출판사에서 출간이 되어 만나게 된 것입니다.

저야 과학지식이 별로 없지만 저자는 자신이 알고 있는 과학 지식을 확인하는 마음으로 SF 영화를 보러 간다는 것은 좋은 생각이 아니라고 합니다.하지만 전 과학지식이 없기때문에 저자의 말은 신경쓰지 않고 책속에 풍덩 빠져서 몇일간 허우적 거리게 만들며 현대 물리학을 이해하게 만든 책.

대칭의 개념을 이용하면 자연을 좀 더 깊이 이해할 수 있고 물리 법칙의 형태까지 유추할 수 있다고 하며 대칭을 통해 대답하기 어려운 질문들에 대한 대답을 하는 저자.20세기 과학에 가장 큰 공헌을 한  '에미 뇌터' 아인슈타인이 칭송해 마지 않았던 여성 과학자. 아마추어 과학자는 물론이고 물리학을 전공하는 학생들조자 이 위대한 인물에 대해서 알지 못한다고 하는 여성 과학자인 뇌터는 대칭의 중요성을 부각시키 데 결정적인 역활을 했다고 합니다. 그녀는 우주를 관장하는 모든 물리 법칙에 대칭이 개입되어 있는 이유에 대해서 명쾌한 답을 제시. 책을 보면 저자는 다양한 종류의 대칭을 통해 우주의 시작분 아니라 최후까지 좌우하는 기본 원리라는 것을, 유머를 곁들이면서 부담없이 읽을 수 있겠금 설명을 하고 있습니다.

책을 보면 당연하고 어찌보면 황당하기까지 한 질문들이 나온다. 그런데 저자는 아무리 두서없고 단순한 질문이라도 절대 가볍게 여기지 말라고 말한다. 질문이 아무리 하찮게 보여도 그 답을 찾는 와중에 완전히 새로운 사실을 발견하는 경우가 있기 때문이라고 질문에 중요성에 대해서 얘기하고 있는데, 책을 통해 현대 물리학을 재미있게 알아가는 것도 중요하지만 저자가 말하는 질문의 중요성을 잊지 않는 것도 이 책에서 건지는 하나의 수확이라면 수확이다.

우주만큼 신비스러우면서도 미스터리한 장소도 없을 것이다. 무수히 많은 행성들과 이름 모를 블랙홀들, 여기에 별, 달, 태양이 서로를 마주보며 자태를 뽐내는 곳이 우주다. 이 우주란 공간에서 수많은 일들이 일어나고, 그 일들이 우리를 기쁘게 할 수도 있지만, 지구를 떠돌아다니는 소행성과 지구가 충돌하기라도 한다면 그 결과는 예측불허에 지구가 멸망할 수 있다는 비관론이 나오기도 한다. 그도 그럴것이 1km가 넘는 행성이 초속 30km(1초에 30km의 속도)로 지구와 충돌한다면 지구가 그 힘에 의해 폭발할 수도 있기 때문이다. 이런 이유로 많은 나라의 천문학자와 과학자들이 우주의 미스터리를 풀기 위해 동분서주하고 있지만 워낙 방대하고 베일에 가려 꽁꽁 숨어있는 우주 속에서 그 결과물이 언제 나올지는 여전히 미지수다.

이런 우주의 미스터리를 우리에게 쉽게 알려주고, 과학이라는 학문이 무조건 어려운 학문이 아니라 누구나가 이해할 수 있으며 아주 흥미로운 학문임을 알려주는 이가 바로 데이브 골드버그 교수다. 그 유명한 프린스턴대학에서 천체물리학으로 박사학위를 받았고, 대학교에서 물리학 교수로 재직중이니 그의 우주에 관한 경력은 이미 검증된 것이고, 그가 쓴 《백미러 속의 우주》를 읽어본 사람이라면 그가 교수가 아닌 SF 소설가나 우주의 미스테리물을 연재하는 작가라고 해도 믿을만큼 그의 글솜씨는 가히 천재적이라고 말하고 싶다. 어려운 학문이나 용어를 쉽게 설명하는 것도 타의 추종을 불허하지만 논리 정연하게 과학적인 근거를 가지고 접근하는 그의 해박한 지식을 읽고 있으면 나도 모르게 고개가 끄덕거려진다.

이 책에서는 책의 제목처럼 백미러 속에 숨어 있는 우주의 실체를 밝히는 책이다. 우주를 구성하고 있는 반물질부터 시작해서 시간의 실체를 밝히기 위해 아인슈타인의 특수상대성이론을 인용하고, 시간의 무질서를 열역학 제2법칙으로 설명하면서 ‘엔트로피’란 개념을 시간의 실체에 대입한다. 밤이 되면 어두워지는 이유를 ‘지구는 둥글다’는 기본적인 가설에서부터 시작하고, 이 책의 핵심인 ‘대칭’과 ‘에미 뇌터(Emmy Noether)’라는 여성 수학자의 이야기를 통해 우주의 시간과 공간을 설명하고 있다. 은하들 사이에서 실시간 통신이 불가능한 것은 빛보다 빠르지 못한 신호의 속도적 한계를 상대성 이론으로 설명하고, 모든 물체를 늪처럼 빨아들이는 블랙홀을 통해 우주의 미래에 대해 상상하기도 한다. 그리고 물리학 속에서 대칭의 실상을 통해 우주의 작동원리는 ‘대칭(질서)’과 ‘무작위성(혼돈)’이라는 표현으로 이 책을 마무리하고 있는데, 이 두 단어가 질서정연한 듯 보이면서도 혼돈의 상태에 빠져 있는 우주의 특성을 잘 표현한 단어라고 생각한다.

앞으로 별과 행성, 그리고 우주먼지들은 나선을 그리며 블랙홀로 빨려 들어가고, 1000조 년(10에 15승년)이 지나면 블랙홀마저 모두 증발되어 사라질 것이다. 그 사이에 우주는 계속 팽창하여 차가운 기체구름들은 완전히 고립된다. 결국 우리의 우주는 아무것도 없이 엔트로피만 존재하는 차가운 공간으로 남게 될 것이다.(본문 308쪽 中)

아인슈타인부터 에미 뇌터, 대칭, 엔트로피, 중력, 블랙홀, 힉스입자 등 난해한 용어나 법칙, 물리학 공식들이 많이 등장하는 책이라서 접근하기가 어려웠던 부분도 있었고, 우주의 특성을 물리학과 법칙을 통해 설명하고 있어서 이해가 안 된 부분이 있었던 것도 사실이지만 결론적으로 말하면 보는 거와 다르게 어렵지 않은 책이라고 말하고 싶다. 물리학과 우주에 대해 흥미를 일으킬만한 요소들이 이 책 여기저기에 숨어 있고, 이 책의 저자인 데이브 골드버그의 설명이 너무나도 명쾌해서 이 책을 다 읽고 나면 재미있는 물리학 강의를 들었다고 생각할지도 모르겠다. 지금도 우주 속에서는 우리가 모르는 많은 일들이 벌어지고 있다. 그 흥미로운 일들을 이 책이 대신해줄 거라고 믿으면서 여러분들께 이 책을 과감히 추천해드리고 싶다.

대칭이라는 개념은 참 막연한 형이상학적인 표현이다. 
기본적인 질문은 무엇에 대한 어떤 대칭이야는 것이다.
모든 것에 대칭인 경우에는 그 어떤 이야기도 할 수 없다.

어느날 어느 순간에 어떤 이유로 대칭이 깨진다.
놀라운 것은 그 대칭이 깨지며 '무엇' 인가가 생긴다는 것이다.
빅뱅이 생기고 물질이 생기고....모든 일이 생긴다.

그리고 남아있는 대칭에 대해 보존되는 물리현상을 이야기한다.
“모든 대칭에는 그에 대응되는 불변량이 존재한다”
 
대칭과 비대칭에 의해 물리현상들을 다룬다. 
시간을 두고 여러번 곱씹으며 봐야하는 책이며,
교과서에서 다루는 수학적으로 너무 어려운 상대론과 양자 역학적인 물리적 세계관이 아닌
우리가 이미 알고 있는 미술과 음악의 아름다움에 대한 선험적인 세계관을 확인 시켜준다.  

내가 지금까지본 최고의 물리학 책이다.

이 책을 처음 손에 들었을 때는 별로 기대하지 않았다.

그냥 여러가지 물리 상식들을 좀더 자세히 알게 되지 않을까? 기대했을 뿐이다.

그리고 또 하나 기대 했던 것은 내가 안 지 그다지 오래 되지 않은 여성 수학자 에미 뇌터에 대해서 좀더 구체적으로 알게 되지 않을까 하는 정도 였다.

그러나 이 책을 읽을수록 빠져들었다. 무엇보다 어려운 이론들을 쉽고 재미있게 풀어 준 작가의 능력 덕분이었던 것 같다. 

난 문과 출신인데다  어렵다고 소문난 물리를 꼭 공부해 보고 싶은 생각은 더더욱 없었다.

그리고 내가 다니던 여고의 화학 선생님이 총각인데다 엄청 잘 생겼었다.

그러니  물리와의 관계는 더욱 멀어질 수 밖에 없었다.

 처음 물리, 특히 천체 물리학에 관심을 갖게 된 책은 스티븐 호킹의 [시간의 역사]였다.

당시 베스트 셀러여서 쉽게 읽힐 줄 알았다. 그런데 책읽기가 즐겁지 않았다. 

호킹박사가 설명하는 법칙이 어렵고 생소했다.

그후 [E=mc²]을 읽고 상대성이론을 어렵지 않게 이해할 수 있었다.

그런데 장회익 선생님의 [공부도둑]을 읽으면서 양자 역학에 관한 설명을 도저히 이해할 수 없었다.

그러면서 기초 과학에 관한 무지에서 벗어나 보려고 여러 물리학 서적들을 찾아 읽었더니 조금씩 지식이 쌓여갔다. 

이 책에서 언급한 에미 뇌터는 [위대한 수학자의 수학이야기]이란 책을 통해 처음 알게된 여성 수학자였다.

그 책에서 에미 뇌터에 대한 소개는 간단했다.

20C의 가장 튀어난 수학자 중 한 사람이며, 불변이론, 상대성이론, 특히 대수에 기여했다는 것과 유대인이며 여성 학자라 차별과 편견으로 제대로 평가 받지 못했다는 내용이었다.

그런데 이 책에서는 에미 뇌터의 대칭이론이 우주의 근원을 알아가는데 얼마나 중요한지 입이 마르도록 칭찬하고 있다.

 이 책을 다 읽고 나서 든 생각은 다시 읽어봐야겠다는 것이었다.

새롭게 알게된 내용이 너무 많아서 머리 속에 다 저정되지 않았다.

엔트로피,상대성이론, 중력, 스핀, 힉스입자, 무엇보다도 대칭이론.

재미있는 이야기를 들려주듯이 어려운 물리 이론들을 술술 풀어주었다.

 읽을 때는 다 이해 한 것처럼 넘어 가 놓고  다 읽고 나서는 힉스 입자가 뭐였지?

엔트로피는 뭐였나? 대칭이 어떤 영향을 미쳤었지? 이러고 있는 나를 마주하게 되었다.

그중 그래도 건진 것은 상대성 이론을 제대로 이해했고 스핀을 제대로 알게 된 것 같다.

빅뱅을 이해하게 된 것도 큰 수확이다. 블랙홀에 대해서 자세히 알게 된 것은 두 말할 것도 없다.

뉴턴,아인쉬타인이 왜 위대한지를 무한히 느끼게 해 준 책이기도 했다. 

삼라만상에 이를 관통하는 법칙이, 그것도 지극히 단순한 형태로 존재한다고 믿는다면, 그것은 어쩌면 너무도 소박하고, 유치하며, 무모하거나 만용에 가까운 기대일는지도 모르겠습니다. 뉴턴이 중력을 G와 두 개의 질량변수, 두 물체 사이의 거리라는 팩터만을 사용하여 도식화하였을 때, 유럽의 지성은 그에게 절대권위를 부여하지 않을 수 없었습니다. 하지만 이후 인류는, 다섯 세기가 지나도록 이 기본적인 힘(중력)에 대해 더 이상의 상위 법칙, 원리에로의 포섭을 이룰 수 없었습니다. 보편적이긴 하나 보이지도 않는 양상으로 작용하거나(전자기력), 아예 육안으로 관찰할 수도 없는(장비를 쓴 후에도 여전히 그 관측이 까다로운) 나머지 세 힘(force)에 대해서는 제법 인식의 진전을 이룬 형편인데도 말입니다.

반물질 역시, 처음 이 가설이 제창되었을 때는 그저 만인의 비웃음을 살 뿐이었습니다. 사물을 양과 음으로 일일이 나누는 것부터가 원시 신앙의 흔적이고, 설사  그런 시도를 벌인다 한들 실체적으로 존재하는 사물 하나하나에 그에 대응하는 반(反) 실체가 대기하며, 다만 우리의 세계와는 접촉, 관측이 불가한 다른 영역에 머물 뿐이라는 말이, 황당무계하게 받아들여진 건 어찌 보면 당연합니다. 그러나 지금은 이에 대해, 주류 입장에 속한 물리학자라면 어린이처럼 순수한 마음으로 일단 긍정한 후 이론 전개를 시작합니다. 아울러, 공자 이래 동양의 철학자들이 한 번도 그 견지와 탐구를 중단한 적 없는 영원한 도그마인 음양(陰陽)이기설 역시, 서세동점의 험악한 시대상에서 일거에 폐기되었던 역사가 있음에도 불구, 오늘날에 와서 다시 한 번 열렬한 주목의 대상이 되고 있는 것도 이론상의 이런 신 조류의 반영 결과 중 하나입니다.

표준모형? 한때는 아인슈타인이 통일장 이론을 구상할 때만 해도 이를 두고 미친 시도라며, 그의 위명이 버젓이 살아 있던 시점에조차 세인(이라기보다 학자, 지성인)들은 조소를 퍼부었습니다. 그러던 것이 입자론 분야에서 점점 발군의 성과를 이루고, "만물의 이론"이 더 이상 환상이 아니라는 데에 다시금 합의가 이뤄지자, 이 표준 모형이라는 얼기설기 사상누각 구조가 조심스레 복수의 학자들에 의해 도식화되었습니다. 처음 제창된 이래 유의미한 진전이 많지 않았음에도, 아직도 학자들은 이 가설을 포기하지 않습니다. 최근 신의 입자 발견(이 책 저자 데이브 골드버그는 이 인기 있는 별칭 사용에 대해 반대합니다)에 의해 이 표준모형은, 물리학자들 사이에서 금과옥조로서의 위상을 한층 더 굳힌 모습입니다.

이름이 거창하게도 표준모형이라고 붙은 공식조차 모습이 저처럼 번잡하니, 이를 지지하고 이에 집착하는 해당 분야 학자들의 주관적 의욕과 개인적 신조의 강도가 어떠하든, 우리 인류가 "세상 만사를 꿰뚫을 이치"를 한 큐에 장악하기란 여전히 갈 길이 멀리 남은, 어쩌면 무망한 과업처럼 보입니다. 20세기 중반 아인슈타인이 망집에 빠져 호기를 부린다고 비난하던 당시의 보수적이고(?) 겸허했던(...) 그의 후배 과학자들의 태도가 온당했는지도 모릅니다. 과학은 더 이상 단순화에의 예찬, 근거 없는 숭배를 중단하고, "현상의 정확한 기술"에 만족해야 할지 모릅니다. 실제로 인문과학 중 언어학 같은 경우 이런 트렌드가 최근의 주류입니다.

데이브 골드버그는 이런 점에서, 대단히 야심만만한 성격과 정신의 특질을 갖춘 저자, 갑갑하고 굴곡 많은 구조적 제약에 인간이라는 유기체가 지각적으로 감당 못 할 만큼 큰 스케일을 지닌 이 물리계를 "말 몇 마디로 후려치는 게 가능하다고 믿는", 우리 독자들에게 록스타적 열광을 부르기에 충분한 엔터테이너입니다. 아름다운 비주얼과 조화로운 음율로, 우리의 눈과 귀를 만족시키는 일도 중요하지만, 존재하지 않는 가상의 픽션 내러티브를 구수히 오싹오싹하게 들려 주는 전기수도 요긴한 직분이지만, 그에 대한 무지가 인간 존재에 근원적 불안감을 드리우는 "세상 돌아가는 근본 이치"를 두고서, 시원하고 통쾌하게 해명해 줌으로써, 지적인 갈증을 채워주는 이런 이야기꾼이 어쩌면 우리에게 더 소중한 동료인지도 모릅니다.

그러잖아도 복잡하게 꼬인 논의 구조에서 만인이 지쳐가고 있을 때, 다 필요 없으니 이거 하나면 된다면서 들고 나온 게, 연식은 제법 된 뇌터의 이론입니다. 지금까지 그 숱한 단순화 시도가 실패로 돌아간 끝에, 불난 집에 부채질이나 하듯 더 단순한 걸 펄럭이는 기치로 내세운 당돌함이란.... 그는 정말로, 이거 하나면 다 된다고, 실현 가망성이 없어 보이는 초단순 원리를 전면에 부각시키고 있습니다. 물론 그가 이 가능성을 처음으로 제기한 건 아니지만, 어떤 이론이 그 끝장을 보겠다며 강력한 추동력까지를 부착하는 건 주장자의 인문적 상상의 저력에 달려 있다고 해도 과언은 아닙니다. 저자는 현역 물리학 담당 교수이지만, 동시에 풍부한 인문적 통찰 능력까지 지니고 있는 터에, 신명 나는 미학적 리듬과 통섭적 시야로, 물리학에 무지한 일반 독자들의 의욕까지 성공적으로 자극하고 있습니다.

이 책에서 아마 공간구조적 대칭성은 많은 독자들에게 익숙한 개념일 겁니다. 당장 저만 해도 정규 초등과정에서 점대칭 선대칭 개념을 배우며 경시대회 대비를 위해 온갖 난해도형을 이리 뒤집고 저리 꼬는 연습을 숱하게 수행하고 자란 기억이 있습니다. 하지만 시간의 대칭은 어떨까요? 저자는 "시간의 화살"이라는 문학적 표현을 상기시키며, 시간보다 더 일방통행인 개념은 아마 인간에게 알려져 있지 않을 거라며 어리석은 독자들을 도닥인 후, 본격 황야와도 같이 거친 이 생소한 개념 속으로의 탐사를 독려합니다.

왜 시간의 대칭이 낯설 수밖에 없냐면, 일견 엔트로피 제2법칙에 정면으로 반하는 것처럼 보이기 때문입니다. 엔트로피 법칙이나 그 중핵을 이루는 개념은 말만 거창할 뿐, 그 내용이 우리 일반인의 직관에 그처럼 잘 부합하는 것도 없습니다. 사물의 질서란 어질러지기가 쉽지, 그 반대로 알아서 정돈되는 건 거의 불가능하다는 겁니다(책 중에서 골드버그 교수-왠지 이름으로 데이브라고 막 불러도 될듯한 - 는, "혼란의 극에 일단 달한 후 그보다는 쬐끔 나은 상태로 잠시 회귀할 수는 있다면서, 이 법칙의 예외를 인정하죠. 하지만 이미 유일 상태에 가까운 극점에 도달하는 자체가 확률적으로 극히 어렵습니다). 여기에 대해 반대하는 사람도 설마 있을까요? 시간이 만약 역방향으로 흐른다면, 엔트로피 진행의 불가역성이 깨진다는 뜻이니까요.

그전부터 학자들은, 시간여행이 가능하다면 시간의 역설(인과가 뒤집히고 기 발생 실체가 무[無]로 돌아감) 때문에 장벽을 만난다고 합니다. 그러면서도 꼭 단서를 달기를, "이것이 시간여행의 불가능성을 증명하는 건 아니다"라고 합니다. 즉 귀류법의 판정 범주에 이걸 포함시키면 안 된다고 유보 조항을 단 건데, 저는 예전부터 그 이유, 근거가 참 궁금했습니다. 왜 이 영역에서만은, 유클리드가 수천 년 전 확립한 수학적 증명이 통하지 않는 걸까요? 물리학과 수학이 전혀 별개의 왕국에서 놀고 있다 착각하는(대중서만 읽으면 그렇게 되죠) 백치는 이해 못할 수 있으나, 수학 없는 물리는 교각 없는 금문교와도 같습니다. 언젠가는 공법이 발달하여 교각없이 구조를 세우는 게 가능할 수도 있겠지만, 경제성이 없거나 먼 미래의 가능성에 불과합니다.

저자 역시 개념상의 난점을 몇 들며, "어쩌면 시간이야말로 가상의 추가 차원에 불과할지도 모른다"며 확언은 피하고 있습니다. 그러나 아마 독자들은, 과감한 시간 대칭 방법론으로 사고를 확장하는 중에, 심지어 이중 나선 구조조차 뇌터의 이론으로 모두 일원적 설명이 가능할 수 있는, 전인미답의 신세계로 발을 한 걸음 들여 놓을 수 있을 겁니다. 중력만 여태 통일장 포섭의 달콤한 제의를 회피하고 있고, 시간 차원만이 여러 역설의 덫에서 시원하게 발을 못 빼고 있다면, 이 둘 사이에 어떤 연계가 있는 것 아닌지, 가장 단순하나 가장 꾀까다로워 보이는 대칭성이란 처방으로 일거에 난제가 풀리는 건 아닌지, 데이브 골드버그 박사의 이 책은 개그콘서트처럼 직설적이고 재치 있는 화법을 통해, 대중들의 "물리 울렁증" 치료를 돕고 있습니다.

 거울 속 세상은 우리가 사는 곳과 대칭 세계다. 내가 왼손을 들면 거울 속 나는 오른손을 들고, 심장은 왼쪽이 아닌 오른쪽에 위치하고 있으며, 내가 쓴 글씨는 거울에 비추었을 때 좌우로 뒤집혀있다. 운전석은 왼쪽이 아닌 오른쪽으로 뒤바뀌고, 도로 위의 차들은 좌측 차선으로 역주행을 하는 것처럼 보인다. 이제 거울에서 눈을 떼고 현실 세계로 눈을 돌리면 수많은 대칭 구조를 발견할 수 있다. 나비의 양 날개는 찍어낸 듯이 같은 모양과 무늬를 가지며, 대칭을 갖춘 건축물은 안정적으로 보인다. 대칭형으로 피어난 꽃은 그렇지 않은 꽃보다 당도가 높은 꿀을 더 많이 생산한다고 알려져 있고, 사람들은 대칭이 완벽에 가까운 얼굴일수록 멋지고 아름답다고 느낀다. 그렇다면 우주에서 대칭은 어떤 의미를 갖고 있는가?『백미러 속의 우주』는 이처럼 대칭이라는 개념을 바탕으로 현대 물리학을 풀어내고 있다. 

 사실 책 내용이 결코 쉽지 않았기에 읽는 내내 손에 땀을 쥐었다. 그럼에도 생각보다 즐겁게 읽을 수 있었던 것은 천체물리학 박사 출신의 물리학과 교수인 글쓴이 데이브 골드버그의 재치 넘치는 서술 덕분이었다. 글쓴이가 지치지도 않고 끊임없이 던져대는 유머에 결국 실소가 터질 수밖에 없다. 예를 들어 불활성 기체(noble gas)인 헬륨이 에너지가 가장 낮은 궤도에 겨우 두 개의 전자만 수용할 수 있음에도 noble gas(고귀한 기체)로 불리는 것은 좀 오버인 것 같다거나, 어느 방향으로 돌려도 모양이 변하지 않는 ‘구’를 대칭성이 높은 도형으로 소개하면서 “어느 모로 보나 괴짜인 사람을 ‘구형 괴짜’라고 부른다.”고 하질 않나, 멋진 저녁파티에 초대되어 갔더니 옆자리에 물리학자가 앉아있더라는 예를 들면서 사실 썰렁한 사람이 많은 것으로 알려진 물리학자가 파티에 초대되는 일은 거의 불가능하므로 독자들이 탁월한 상상력을 발휘해야 한다는 식이다. 더불어 옮긴이(알고 보니 현직 물리학 교수이자 과학도서 전문 번역가였음)의 매끄러운 번역도 가독성을 높이는 데 한몫을 했다. 

 어렵긴 하지만 우주 이야기는 언제 읽어도 흥미진진하다. 인플레이션 이론(책 150쪽 참고)에 따르면 우주의 크기가 무한하고 그 수가 어마무시하게 많다면 그 중 우리 우주와 원자배열이 완전히 일치하는 경우가 적어도 하나 이상 존재한다. 즉,

우주의 개수 ＞ 그 우주를 구성하는 모든 원자들이 배열될 수 있는 경우의 수

가 성립한다면 또 다른 내가 우주 어딘가에서 나와 똑같은 생각과 행동을 하며 살고 있다는 것이다. 만약 우주가 무한히 크다면 나와 똑같은 존재도 무한히 많다! 이게 무슨……. 기괴해 보이지만 이론적으로는 사실이다. 물론 우주가 ‘무한할 때’ 가능한 일이지만.

 SF영화나 소설에 나오는 공간이동장치는 나를 A에서 B로 고스란히 이동시키는 기계로 묘사된다. 내가 기계에 들어가고 버튼을 누르면 A에서 뾰로롱~ 하고 사라진 후, B에 뾰로롱~ 하고 등장하는 식이다. 그러나 현실적으로 이루어지는 공간이동은 이것과 좀 다르다. 우선 A에는 원본인 내가 있고, B에는 현재 내 몸을 이루고 있는 모든 원자들을 동일하게 준비해둔다. 그리고 A에서 내 몸의 원자 정보를 몽땅 읽은 후 목적지로 전송하면, B에 준비된 원자에 그 정보를 주입해서 새로운 나를 만들어 내는 것이다. 그럼 새롭게 만들어진 나는 진짜 내가 맞는 것일까? A에 있던 나는? 궁금하다면 책을 확인하시길.

 책 속에는 수많은 과학자들이 등장하는데, 특히 눈길을 끄는 것은 글쓴이가 한 장을 통째로 할애하여 소개하고 있는 ‘에미 뇌터’라는 수학자다. 그녀는 여성이자 유태인이라는 이유로 생전에 학계에서 푸대접을 받고 이 대학 저 대학을 전전하며 자신의 업적에 대해 정당한 평가를 거의 받지 못했다. 그러나 에미 뇌터가 제시한 ‘뇌터의 정리’, 즉 대칭세계에 관한 수학적 정리는 대칭과 보존법칙 사이의 관계를 오로지 수학적 논리만으로 증명해낸 것이며 표준모형이론에 수학적 기초를 제공하는 데 지대한 공헌을 한 것으로 평가받고 있다. 이처럼 대칭에 규칙을 부여한 뇌터의 정리는 책 전반에 걸쳐 꾸준히 등장하고 있다. 

 대칭의 세계를 허우적댔더니 책을 덮고 나서도 여운이 쉽게 가시지 않는다. 중간 중간 혼자 엉뚱한 길로 가느라 길을 좀 헤매긴 했지만, 끝내고 나니 나름 재미있는 여행이었다. 우주란 참 알면 알수록 신기하고 오묘한 것 같다.

 역사를 이끈 인물들을 떠올려보면, 여성에 비해 남성의 수가 압도적으로 많다. 세계사에서는 떠올려지는 인물이 퀴리부인이나 나이팅게일이 가장 먼저 떠오르지 않나 싶다. 국사에서는 유관순, 선덕여왕 그리고 명성황후 정도랄까. 인류사에서 정확히 밝혀지진 않았다고 하지만 선사시대의 모계사회가 깨어진 후로는 모든 역사의 중심엔 남성이 있었다. 여성은 그저 남성의 보조물로서의 역할을 다할 뿐 언제나 동등한 대우를 받지 못하고 있었다. 현대에는 과거에 비해 그 대우가 과거에 비해 월등히 나아졌다고 할 수는 있으나, 완전히 평등하다고 보기에는 무리가 따른다. 꼭 아랍문화권까지 가지 않아도 충분히 그런 것 같다.

이 책은 오직 에미 뇌터에 대한 책이 아니다. 오직이라는 말은 책 전체를 관통하는 부분에서 오직 그녀에 관한 전기나 업적을 기리는 내용이 아니라는 것이다. 그럼에도 책을 다 읽고난 다음에도 그녀에 대한 이야기들이 가장 강렬하게 떠오르는 것은 어쩔 수 없다. 아인슈타인이야 너무나 유명하고 익숙하기에 새삼스러울 것도 없는 반면, 에미 뇌터라는 여성 수학자는 너무나도 생소한 인물이었기에 그럴 지도 모른다.

물리학과 천체학은 땔래야 땔 수 없는 학문이다.천체학의 카테고리 중에서도 천체물리학은 우주를 연구하는 학문으로 수학적인 계산법을 토대로 별들의 크기나 거리, 구조, 대기 등을 관찰하고 밝혀내는 학문이다. 어릴 때부터 우주에 대한 관심이 지대했지만, 수학이라는 벽앞에 무릎꿇고만 내게는 아쉽기만 한 학문이기도 하다. 수리능력이 보통사람들보다 현저하게 떠어지는 탓에 어쩔 수 없었던 아쉬움만 남지만, 이렇게 책으로라도 만나게 되는 것이 너무 기뻤다. 책의 저자인 데이브 골드버그는 대칭을 이용해 설명하며 에미 뇌터의 업적을 되돌아본다. 이는 에미 뇌터의 천재성을 볼 수 있는, 과학사에서 너무나 유명해져야만 될 것 같은 사실들이었는데, 어째서 이렇게도 알지 못하게 되어버린 걸까. 답은 그녀가 여성이었기 때문일 것이다. 

과학에 관심이 많고 좋아하지만, 그저 평범한 수준에서밖에 알고 이해하지 못하는 내게는 조금은 어려운 책이었지만, 어쩜 그래서 더 좋았는지도 모르겠다. 책의 모든 부분을 이해했다고 하긴 어렵지만, 중요한 개념들은 나름 이해했다고 생각하니까. 대칭이라는 평범한 명제에서 다른 관점으로 세상을, 우주를 바라볼 수 있다는 걸 배웠다.