미국의 재즈 색소폰 연주자이자 작곡가인 존 콜트레인을 물리학과 우주 이론에 대하여 영감을 준 인물이라고 말하는 저자의 생각을 보면서 [뮤지컬 코스모스]의 의도를 조금이나마 이해할 수 있게 된다. 우주 팽창 이론, 양자 역학과 같은 다양한 물리학 이론과 더불어 고급 수학으로 우주의 신비를 다루고 있는 상황에서 존 콜트레인의 음악을 통하여 우주를 음악과 연관지어 생각하게 되는 이 책은 기존의 책과는 확실히 다르다는 것을 알게 된다. 실제 존 콜트레인이라는 인물을 전혀 알지 못한 채, 인터넷으로 검색해 본다면 재즈 분야에서 유명한 인물이라는 설명이 대부분이다. 비록 '스텔라 리전스', '인터스텔라 스페이스', '코스믹 사운드'라는 그의 말년에 녹음된 세 앨범이 우주를 연상케 하고 있긴 하지만, 단지 이것만으로 그가 우주 및 물리학에 영감을 주었다고 말하기에는 부족해 보인다. 존 콜트레인의 음악과 우주라는 엄청난 간극을 저자는 어떻게 채우려는 것일까?

 이 책을 접하지 않았다면 음악과 우주의 관계에 대해서는 전혀 고려치 않았을 것이다. [뮤지컬 모스모스]에서는 책의 내용을 이해하기 위하여 현대 물리학의 개념과 고급 수학에 대한 이해가 거의 필요 없다라고 피력하고 있지만, 우리는 대부분 우주를 연구하는 것이 현대 물리학과 고급 수학에 의하여 이루어지고 있는 것으로 인식하고 있기에 음악을 우주의 음악으로 설명하려는 저자의 의도가 쉽게 이해되지는 않는다. 이러한 우리를 위하여 저자는 바로 '유비(類比)'라는 방법을 통하여 우주와 음악의 관계를 좁히면서 매치시키는 과정을 설명한다. '유추'와 비슷한 의미이지만, '유비(類比)'의 서로 다른 분야임에도 불구하고 각각 대응되는 존재의 동일성을 찾는다라는 뜻을 떠올린다면 이 책에서 저자가 말하는 '유비(類比)'는 바로 음악과 우주 또는 물리학을 서로 매치할 수 있는 동일한 부분들을 찾는 것임을 알게 된다.

 저자가 언급한 미치오 가쿠의 끈 이론에 대한 언급은 음악과 우주의 '유비(類比)'에 대한 상징처럼 다가오게 된다. 전공자가 아닌 이상 끈 이론에 대하여 자세히 알지 못함에도 불구하고 기존의 입자 중심의 이론에서 탈피하여 입자를 확대하여 보면 우리가 떠올릴 수 있는 끈의 모양을 하고 있으며, 진동하는 끈의 존재를 통하여 양자장 이론을 설명할 수 있는 상황에서 그러한 끈을 음악의 음표, 끈의 진동을 화음의 법칙으로 매칭시키는 이 표현은 바로 저자가 이 책을 통하여 추구하려는 바를 나타내고 있는 것이다.

 이 시점에서 흥미로운 부분은 저자 스테판 알렉산더가 브라운대학교의 물리학 교수이자 실제 앨범까지 녹음한 재즈 음악가라는 사실이다. 물리학 교수와 재즈 음악가라는 저자의 약력 자체가 이미 그가 추구하는 물리와 음악의 '유비(類比)'의 결과를 보여주고 있다는 느낌마저 든다. 그러나, 그의 시도가 마냥 순조로웠던 것은 아니다. 이 책은 그의 경험을 토대로 쓰여지고 있는데, 그가 음악과 물리학을 연관지어 생각하는 것이 결코 쉽지 않았음을 토로하기도 한다. 두 분야에 대한 연관성을 찾아야 함에도 불구하고, 오히려 두 분야를 완전히 분리하려는 생각이 앞서기 때문이었다. 이것을 극복하기 위하여 그는 피타고라스부터 아인슈타인에 이르는 물리학의 발전 과정을 '유비(類比)'를 통하여 설명하고 있는 것이다.

 수(數)를 통하여 세상을 바라보았던 피타고라스의 사례는 우리가 전혀 염두해두지 않았던 음악과 과학의 연관성을 떠올릴 수 있게 해준다. 대장장이의 망치질에서 나는 소리가 길이에 따라 각기 다르게 난다는 점을 착안하여 길이에 따른 음감을 정리한 부분은 음악과 우주의 '유비(類比)'적인 측면을 떠올릴 수 있게 된다. 물론 그러한 '유비(類比)'의 과정은 쉽지 않다. 그러나, 기존의 물리학에 대한 저자의 '유비(類比)'를 통한 접근도 넓게 본다면 음악과 일치함을 깨닫게 된다. 즉, 악기를 연주하거나 곡을 쓰기 위해서는 기존에 작곡된 곡들을 분석하거나 연주 연습을 통하여 익숙해진 다음에 자신의 곡을 쓸 수 있다는 점은 이 책의 전반적인 방향과도 일치하기 때문이다. 그 유명한 케플러의 3법칙은 피타고라스가 말하는 소위 '천상의 음악'을 간파하여 행성의 궤도를 화음으로 표현하는 것을 통하여 정의될 수 있는 부분이라든지 뉴턴의 그 유명한 'F= ma'라는 공식에서 퓨리에 변환에 이르는 과정을 통하여 진동과 공명수에 대한 과학적, 수학적인 설명이 악기가 어떤 진동수를 공명하게 할지를 제어하는 것이 핵심이라는 것으로 매치시켜 설명하고 있는 것이다. 이는 끈 이론에서 '끈'의 진동에 따른 공명을 악기의 그것으로 설명할 수 있음을 보여주는 것이기도 하다.

 이제 저자는 음악과 우주에 대한 자신만의 '유비(類比)' 과정을 보여준다. 소리 우주론자인 브라이언 이노를 통하여 우주의 팽창을 파동의 개념으로 설명하는 부분을 시작으로 오늘날 우주에 대한 다양한 이론을 음악을 통하여 매칭하는 것이다. 기타의 브리지가 하나의 현이 공명을 일으켜 여러 음을 발생시키는 데 필요한 경계로 작용하는 것을 우주적 지평선에 대한 설명으로, 초기 우주에서 생겨난 파형들이 별을 생성하는 과정에서 원소들의 융합 과정에서 소리가 발생하는 부분을 우주가 연주하는 음악으로 표현하는 부분은 저자가 지향하는 바를 잘 보여준다. 심지어 재즈 즉흥연주자들이 어느 음표들을 연주할지 결정하는 과정을 양자 입자의 이동 경로를 계산하는 파인만의 이론으로 대응시키는 부분은 전공자가 아닌 이상 결코 동화될 수 없었던 현대 물리 이론에 대하여 색다른 관점으로 다가설 수 있게 해주고 있다.

 [뮤지컬 코스모스]는 결국 음악과 과학의 관계를 사색하는 방법을 설명하고 있다. 사실 이 책의 내용은 저자가 공언한 것처럼 현대 물리학 및 고급 수학에 대한 개념을 모르더라도 이해할 수 있다고는 할 수 없다. 솔직히 비전공자에게는 어렵게 느껴질 수 있다. 그러나, 이러한 어려움은 오히려 '유비(類比)'라는 방법을 통하여 극복할 수 있는 가능성을 시사한다. 저자와 같은 전공자에게는 색다른 관점으로 물리학에 대한 새로운 방향성을 찾을 수 있으며, 비전공자에게는 다소 어려운 물리학을 모두가 공감할 수 있는 음악을 통하여 이해할 수 있게끔 하고 있으니 말이다. 물론 이러한 '유비(類比)'는 한계에 봉착할 수 있다. 물리학을 수학으로만 설명하는 것이 결코 쉬운 일이 아닌데, 전혀 관련이 없는 음악과 우주를 매칭시키는 작업이 쉬울 리가 없지 않은가? 그럼에도 불구하고 저자는 '유비(類比)'의 한계 시점에 새로운 길이 열릴 수 있음을 강조한다. 이렇게 놓고 본다면 '유비(類比)'는 그저 음악과 우주에 대한 매치에 그치는 것이 아니라 음악을 통하여 우주에 대한 새로운 이론을 이끌어낼 수 있음을 우리는 알 수 있게 된다.

 크리스 이샴 박사가 대학원 시절의 저자에게 했다는 음악을 더 연주하라는 조언이 사실 이 책을 통하여 가장 기억에 남는 부분이다. 훌륭한 물리학자가 되려는 박사 과정의 젊은이에게 취미를 묻고, 그 취미인 음악을 통하여 무의식을 일깨울 것을 말할 수 있는 사람이 우리 사회에도 과연 있었던가? 이러한 조언이 없었다면 저자 역시 물리학을 위하여 닥치고 계산에만 몰두하는 일반적인 물리학자에 머무르고 있지 않았을까? [뮤지컬 코스모스]의 흥미로운 내용이 저자의 실제 삶에 대한 내용을 토대로 하고 있다는 점은 단순히 이 책을 우주 물리학에 대한 책으로만 보이지 않는다. 음악과 우주에 대한 '유비(類比)'의 과정은 저자가 그랬던 것처럼 우리 역시 전혀 관련이 없거나 이질적인 분야들에 대하여 색다른 방법으로 접근할 수 있음을 깨닫게 해주고 있으니까.

( 이 리뷰는 출판사 부키로부터 도서를 제공받아 읽고 쓴 글입니다. )

뮤지컬 코스모스

스테판 알렉산더/노태복

부키/2018.11.14.

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.

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.)

뉴턴 역학에 따르면 육중한 은하 주위로 회전하는 별의 속도는 별이 은하중심에서 멀어질수록 감소한다. 하지만 베라 루빈이 알아낸 바에 의하면 별의 속도는 감소하지 않았고 대신에 일정한 값에 근접했다. 암흑물질, 바리온 물질 및 광자는 전부 양자장이며, 이들과 연관된 입자들은 우주 초기 단계의 진공에서 창조되었다. 우주론의 주요 연구 분야 중 하나는 우주 태고의 플라즈마에서 원소들의 생성을 일으킨 정확한 물리학을 이해하는 일이다. p.194

우주의 불가사의 중 하나를 꼽자면 자기장이 은하와 은하 사이의 거리까지도 미칠 수 있다는 것이다. 어떻게 그럴 수 있는지 그리고 왜 그런지 우리는 지금도 모른다. p.222

우주 내에서 우리 눈에 보이는 물질에 관한 한, 기본적으로 두 가지 유형의 장-페르미온과 보손-이 존재한다. 보손은 힘을 매개하는 장이며, 페르미온은 물질의 내용을 구성한다. 원자의 경우 페르미온은 전자이고 보손은 광자다. 둘은 상호작용을 하는데, 전자는 에너지 준위가 낮아지는 양자 도약을 할 때는 광자를 방출하고, 에너지 준위가 높아지는 양자 도약을 할 때는 광자를 흡수한다. 이제 전자와 광자를 넘어서 우주에는 몇 가지의 페르미온과 보손이 존재하는 셈이다. p.223

우주 어디에나 전자, 광자 및 다른 입자들로 가득 차 있지 않는 이유는 무엇일까? 글쎄, 한 가지 직접적인 해답은 우주는 장으로 가득 차 있지 입자들은 존재하지 않을 수 있다는 것이다. 무언가가 장의 모든 퍼텐셜에너지(위치에너지)를 입자로 변화시키게끔 개입해야 하는데, 이는 마치 언덕 위에 있는 공을 밀어서 아래로 굴려야 운동에너지가 축적되는 것과 흡사하다. p.224

소용돌이는 에너지가 갇힌 관 모양의 영역으로서 자연에 매우 흔하다. 개수대 속으로 빙글빙글 흘러들어 가는 물의 운동이 소용돌이다. 태풍의 눈도 소용돌이다. 양자 영역에서도 자기장은 초전도체에서 소용돌이의 격자를 형성할 수 있었다. 오넷은 자신의 솔로 연주에도 소용돌이 모양의 패턴이 나온다고 했다. 이 만남 이후 오넷의 음악을 들을 때마다 내 귀에는 분명 그가 음표들을 즉흥 연주할 뿐만 아니라 소용돌이와 같은 기하학적 패턴들을 생성하고 있는 것으로 들렸다. p.128

＜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.

피아노를 비롯한 악기를 다루어 본 적이 있거나, 클래식 혹은 재즈 음악 애호가들은 아마 알 것이다. 음악이라는 것이 사실 수학과 굉장히 닮은 부분이 많다는 것을. 그리고 바로 그 수학은 물리학의 언어이다. 물리학의 놀라운 발견들과 복잡한 이론들은 모두 수학적으로 설명이 되어야 하니 말이다. 그러니 물리학을 연구하면서 음악과의 유사성을 찾으려고 하는 시도는 어찌 보면 당연한 말이다. 이 책의 제목인 musical cosmos라는 단어를 보고 우주의 음악? 음악적 우주? 이게 무슨 말이지 싶었던 이들이라면, 물리학자이자 재즈 음악가인 저자의 이야기가 굉장히 색다르다고 느낄 것이다. 하지만 이 책을 읽다 보면 저절로 수긍할 수밖에 없다. 물리학과 음악이 얼마나 닮아 있는지, 그 중에서도 재즈 음악과 우주론 사이의 공통점과 유사점들이 얼마나 놀라운지 깨닫게 될 테니 말이다.

사실 뛰어난 물리학자들은 직관이라는 재능을 타고 내어났다. 그리고 유명한 재즈 연주자들은 즉흥 연주를 뛰어 나게 잘한다. 이는 연습보다는 타고난 직관적인 부분이 필요한 것이기도 하다. 이 책에서 소개되고 있는 전설적인 재즈 뮤지션 존 콜트레인에 대한 사례는 특히나 흥미롭다. 그가 말년에 녹음한 앨범 ＜인터스텔라 스페이스＞가 아인슈타인의 일반상대성이론과 팽창하는 우주 가설에 영감을 받아 만들었다고 하니 말이다. 그는 자신의 악기를 음악과 우주 사이의 새로운 관련성을 탐구하기 위한 도구로 사용했으며, 음악으로 물리학을 연주했고, 그리하여 놀랍게도 우주의 팽창이 일종의 반중력임을 간파했다고 한다. 재즈를 이용해 고대로부터 이어져 내려온 '우주의 음악'에 관한 탐색을 시도한 것이다. 이 책에는 그를 비롯해서 음악과 우주 사이의 관련성을 간파한 위대한 과학자들도 소개되어 있다. 피타고라스, 케플러, 뉴턴, 아인슈타인 등을 따라서 음악과 물리학이 하나였던 고대의 세계를 만나는 여정은 굉장히 매혹적이었다.

이 책에는 저자가 뉴욕 브롱크스에서 음악 레슨을 받은 어린 시절부터 끈 이론의 성지인 런던 임페리얼 칼리지에서 이론물리학을 연구하는 과정까지가 모두 담겨 있다. 색소폰을 불고 방정식을 계산하고 즉흥연주를 하면서 소리를 구성하는 근본적인 파동들과 그것들의 관련성을 파헤치는 저자의 여정 자체가 흥미진진했다. 물리학과 음악이라는 두 분야를 ‘유비’라는 개념으로 연결함으로써 우리는 소리를 통해 물리학을 이해할 수 있다고 그는 말한다. 거기다 피타고라스가 소리를 어떻게 이해했는지, 그것이 케플러와 뉴턴 같은 위대한 사상가들의 노력을 거치면서 현대의 끈과 파동의 역학에 이르기까지의 히스토리가 모두 담겨 있다. 피타고라스는 음악의 기쁨이 어디서 오는지 이해하고자 망치와 현을 연주했다. 케플러는 우주가 음악적이라는 자신의 직관을 이용하여 천문학, 물리학 및 수학 분야들에서 중대한 발전을 이뤘다. 블랙홀의 물리학과 소리 사이의 유사성을 통해 블랙홀의 신비를 밝혀낸 물리학자도 있었고, 우주를 일종의 음악적 현상이라고 본 피타고라스와 케플러의 통찰을 입증해낸 우주론자도 있었다. 게다가 아인슈타인은 “그 직관을 부추긴 것은 음악이었다. 나의 발견은 음악적 통찰의 결과였다." 라고 말했다. 우주와 음악의 유사성은 저자만의 개인적인 주장이나 바램이 아니라, 수많은 사람들이 실제 현실에서 찾아내고 연구한 경이로운 발견인 것이다.

우주에서 최초의 별과 은하들은 우주의 탄생 직후 태곳적 플라스마 내의 소리에 의해 만들어졌으며, 이런 별과 은하들이 씨앗이 되어 더 복잡한 패턴의 은하들, 그리고 특정한 고명 진동수에 맞춰 노래하는 별들을 낳았다. 우주에 가득한 수많은 비밀들을 음악적으로 풀어내려는 시도는 과학과 예술의 경계를 넘어서고 있다. 음악이 우리에게 깊은 감동을 줄 수 있는 까닭은 우리가 우주와 근본적으로 연결되어 있음을 청각적으로 암시해 주는 것이 바로 음악이기 때문이라는 저자의 말이 유독 마음에 남는다. 우주의 기원들이 소리 패턴들 속에 깃들어 있어, 음악 덕분에 우리가 그러한 기원들에 감각적으로 다가갈 수 있다니, 그러한 사고가 너무도 아름답게 느껴졌기 때문이다. 저자는 서문에서 '이 책은 현대 물리학의 많은 영역, 상대론적 우주론 그리고 음악 이론을 탐구하지만, 그런 분야에 대한 배경지식이 필요하지 않으며, 이 책 안의 내용으로 전부 이해할 수 있다'라고 밝히고 있다. 하지만 물리학과 우주, 그리고 음악에 대한 관심이 없다면 이 책은 다소 어렵게 느껴질 수도 있다. 물리학의 복잡한 개념들을 스토리 텔링을 통해서 흥미롭게 전달하고 있지만, 해당 분야에 대한 흥미가 없다면 놀라운 발견과 아름다운 방정식도 그저 개념 파악이 어려운 이론처럼만 보일 테니 말이다. 하지만 물리학과 음악이 함께 춤추는 이 놀라운 여정은 생각보다 어렵지 않다. 당신이 아주 조금만 마음을 열고, 관심을 가진다면 말이다.

급팽창 이론은 일반상대론적 효과와 양자역학적 효과를 둘 다 이용하여 우주의 구조에 씨앗을 뿌린 초기 우주에 만연한 백색잡음을 발생시킨다. 급팽창이 끝날 때 이 잡음은, 마치 우주의 마우스피스에 공기를 불어넣을 때 그렇듯이, 태고의 플라스마의 음파로 변형되어 입자 생성을 촉발시킨다. 이 발견은 급팽창 이론이 처음 나온 지 30년이 넘어서 나온 내용인데, 잡음을 생성하는 대안적 이론을 내놓기가 얼마나 어려운지가 여실히 드러난다. p.240

"우주는 수에서 생기는 조화로움 harmony으로 이루어져 있다" - 피타고라스

p.92

만약 내가 과학의 초기 시절에는 음악과 천문학이 분리될 수 없는 것임을 알았다면 그다지 큰 걱정거리가 되지 않았을 것이다. 현대의 음악가와 과학자에게는 모순적인 소리같지만, 오늘날과 같은 과학적 도구가 없었던 고대인들에게 음악은 우주의 질서와 구조를 드러내는 일종의 과학이었다. 현대인과 마찬가지로 고대인들도 자신이 어디서 왔는지 그리고 우주에서 자신의 위치가 어딘지 궁금해했다. 옛날이든 지금이든 사람들이 출생과 죽음을 목격하면서 그리고 자연의 풍요로움과 역경을 겪으면서 느꼈던 두려움은 사람들로 하여금 자연을 의인화하고 그러한 자연의 힘들을 숭배하고 달래도록 이끌었다.창조신화들은 대체로 이런 요소들의 산물이다. 창조신화로부터 과학적 유형의 연역적 추론의 이행은 2500년 전 피타고라스 학파와 함께 시작되었다.

고대 철학자 피타고라스로부터 시작된 물리학과 음악의 조화는 아리스토넬레스, 플라톤, 프톨레마이오스, 코페르니쿠스, 갈릴레이 갈릴레오,케플러를 거쳐 파인만까지 이어지며 물리학과 우주의 신비가 결코 뗄레야 뗄수 없는 것임을 말해준다.

이 책의 저자 스테판 알렉산더 박사 역시 미국 브라운 대학교의 물리학 교수 이면서 2013년 미국 물리학회 부셰상 수상자이다. 이론 물리학자로서의 재즈와 물리학을 융합하는 길을 개척했고, 스탠퍼드 대학교, 런던 임페리얼 칼리지 등에서 방문연구원을 지냈다. 과학자 이면서 색소폰을 연주하는 재즈 연주가 이기도 하며, 2014년에 첫번째 재즈 앨범을 에린 리우와 함께 녹음했다고 한다.

p.118

음악은 단지 영감만이 아니라, 내 신경 통로를 부드럽게 해주는 수단이자 내 연구의 절대적이고 심오한 동반자였다. 나는 내가 진동의 로제타 비석이라고 여기는 것을 해독한다는 발상에 전율을 느꼈다. 어떻게 파동이 소리와 음악을 창조하는지를 알려 줄 (이노가 잘 숙달하고 있는) 규칙들이 존재했다. 이를 이용해 어쩌면 (아직 밝혀지지 않은) 초기 우주의 양자 행동이 어떻게 거대 규모의 우주 구조를 만들었는지가 드러날지 몰랐다. 파동과 진동의 공통점은 있지만, 관건은 구조가 궁극적으로 어떻게 생겨나는지 명확하게 알아내기 위해 그 두가지를 연결하는 일이었다.

이 책을 보며 처음으로 그것을 깨닫는다.

" 과학적 영감과 음악적 영감! 그것은 어쩌면 같은 류의 감이 아닐까?!"

이것을 느끼자 약간의 소름이 돋았다.

p.119

그날 아침 이노의 스튜디오에 갔더니, 파형들을 만지작거리고 있던 그가 빙그레 웃으며 말했다. "이봐, 스테판, 나는 작동시키면 곡 전체를 생성하는 간단한 시스템을 설계하는 중이네." 내 머릿속에 전깃불이 번쩍거렸다. 우리가 사는 우주의 복잡한 구조, 그리고 인간과 같은 복잡한 생명체의 구조를 생성할 수 있는 진동 패턴이 초기 우주에 있었다면 어떻게 될까? 그리고 이러한 구조가 즉흥적인 속성을 갖고 있었다면 어떻게 될까? 내가 처음 배웠던 즉흥연주에 몇가지 실마리가 있었다.

좋아하는 음악을 하며 거기서 얻어진 영감이 학술적인 연구에 도움이 된다? 생각만해도 흥미진진하고 부러운 사람들이 아닌가?!

이 책에서는 저자인 스테판 알렉산더와 같이 과학자이면서 음악가인 사람들이 소개되고 있다.

p. 82~83

크리스 이샴: 세계 정상급 물리학자. 지은이 스테판 알렉산더에게 음악활동을 더욱 독려하는 스승이다.

p. 115
브라이언 이노: 영국 록 밴드 록시 뮤직의 전직 멤버. 신디사이저의 달인.
토킹헤즈와 U2 프로듀싱. 폴 사이먼, 데이비드 보위 및 콜드플레이와 같은 거물들과 합동작업. 프로듀싱.

전설적인 야마하 DX7 신디사이저의 으뜸 프로그래머로 인정받고 있음.

p.122~!23
재런 러니어: 세계 정상급 컴퓨터 과학자 이자 작곡가. 화가이면서 과학자.

화가이면서 작곡가. 과학과 음악 즉흥연주의 달인

한가지 분야에서도 박사학위를 따려면 쉼없이 공부하고 연구해야하는 것이 현실이건만, 이 책을 읽으며 한편으로 부럽기도 하고 한편으로는 대단하다는 생각이 든다.

좋아하는 것과 잘하는 것을 모두 즐길 줄 아는, 그리하여 남고 함께 즐기기 위하여 책으로 펼쳐낸 저자 스테판 알렉산더.

나만 보긴 아까운 그리하여 많은 이들이 함께 보고 우주의 음악과 그의 찬란한 지적 여행을 함께 떠나보길 바란다.

*이 리뷰는 출판사에서 도서를 제공받아 작성되었습니다.

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