20세기 물리학 진보의 산증인 오구리 히로시
삶을 통해 과학을 말하다

오구리 히로시는 138억 년 전 우주의 시작을 연구하는 세계적 물리학자이다. 현재 캘리포니아 공과대학교 교수외에도 카블리 수학물리연계 우주연구기구 기구장과 아스펜 물리학센터 이사장을 맡고 있는 그는 우주의 근원에서 시작된 초기 물질을 하나의 끈으로 보는, 20세기 물리학 개념인 초끈이론에서 다양한 업적을 이뤄냈다.
그는 초끈이론이 전자의 기본적인 성질조차 설명하지 못할 뿐 아니라, 연구자가 10명이 채 되지 않았던 시기에 초끈이론을 공부하기 시작했다. 주변에 초끈이론을 아는 사람도 많지 않았고 최신 논문을 받아보는 데도 3개월 이상의 시간이 걸렸다. 지금처럼 웹상에서 논문을 즉시 볼 수 있었던 시대가 아니었다. 이런 상황에서 연구를 시작했던 그가 이 분야에서 큰 업적을 이룰 수 있었던 것은 당시 물리학의 진보를 바로바로 도입해 공부하고 연구했기에 가능했다.

전기기학과 양자역학을 통합해 장의 양자론(양자장론)을 발전시킨 20세기를 대표하는 물리학자 리처드 파인만, 줄리언 슈윙거, 도모나가 신이치로 덕분에 대학원에 들어가자마자 장의 양자론에 대해 공부할 수 있었다. 그 후 에드워드 위튼이 칼라비 야우Calabi-Yau 공간’이라는 개념을 활용하여 그동안 학계에서 풀지 못한 문제를 해결하는데, 초끈이론으로 우리가 살고 있는 가로, 세로, 높이라는 3차원을 설명할 수 있게 된 것이다. 이 외에도 오구리 히로시는 소립자이론이 어떻게 도출되는지 밝힌 ‘초끈이론 혁명’과 10년 후 초끈이론이 하나의 이론이라는 것이 밝혀진 ‘제2의 초끈이론 혁명’ 등 초끈이론에 있어서 굵직한 역사의 중심에서 그 진보를 목격하며 공부를 해나갔다.

그 후 20세기 물리학의 유산을 활용해 초끈이론 연구의 다음 관문을 이어가는데 이 과정에서도 파인만이 만든 ‘파인만 도형’이 결정적 역할을 하게 된다. 그 결과 초끈이론의 오랜 과제인 중력과 양자역학의 통합에 응용할 수 있는 ‘BCOV 이론’을 만드는 데 성공한다. 이 업적으로 물리학과 수학에 기여한 공로를 인정받아 미국수학협회 아이젠버드상을 받았고, 일본의 니시나 기념상을 수상했다.

호기심 많던 소년, 물리학자가 되다

어린 시절의 오구리 히로시는 가족들과 전망대 레스토랑에서 밥을 먹다가 불현듯 창밖으로 보이는 지평선까지의 거리가 궁금해졌다. 학교에서 배운 삼각법을 떠올려 근처의 커피숍, 지평선상, 지구의 중심을 꼭짓점으로 하는 삼각형을 그린 후 이를 삼각법에 대입해본다. 시행착오를 겪긴 했지만 풀어낸 답은 정답에 가까웠다. 호기심과 관찰, 생각만으로 지평선의 거리를 알아낸 경험은 오구리 히로시에게 스스로 생각하는 즐거움을 알게 해준 경험이었다.

초등학교 때 매주 월요일마다 자신이 연구한 것을 커다란 도화지에 적어서 발표하는 ‘자유연구’도 그런 즐거움을 알아가는 과정이었다. 부모님의 가게를 다녀가는 사람의 수가 하루 동안 어떻게 변하는지 궁금해진 그는 자유연구로 그 변화를 조사해보는데 여기서 시간의 폭에 따라 그래프 모양이 어떻게 달라지는지 그 차이를 생각해보며 재미를 느꼈다.

이렇게 스스로 생각하는 즐거움을 다양한 방식으로 확장해나간 오구리 히로시가 가장 좋아했던 책은 《만유백과대사전》이라는 백과사전이었다. 물리나 수학뿐 아니라 철학과 종교, 세계사, 미술까지 세상의 모든 분야를 모아 놓은 이 책은 그의 지적 호기심을 충족시켜줬다. 특히 좋아했던 부분은 그리스의 과학자와 수학자들의 이야기였다. 책에 나와 있는 피타고라스의 증명 말고 스스로 다른 증명을 생각해보고, 부력에 대한 설명이 마음에 들지 않아 페트병과 간장병, 나사못으로 직접 실험해보면서 관찰한 것을 토대로 자신만의 설명을 생각해보기도 했다.
이론 물리학자의 꿈을 품게 되고, 그의 연구 분야인 중력의 세계를 처음 알게 해준 것도 책을 통해서였다. 어린 시절을 지나 학생이 되고, 연구자의 길을 가는 과정에서도 물리학뿐만 아니라 수학, 철학, 역사 등 다양한 책을 읽으며 과학과 이를 둘러싼 문제를 관통하는 사고력을 키워나갔다.

138억 년 전 우주의 시작을 설명하는 초끈이론과 같은 어려운 문제도 관찰과 사고의 힘으로 풀 수 있다는 자신감은 전망대 레스토랑에서 지평선의 거리를 풀어낸 경험에서 비롯되었다는 그의 말처럼 ‘스스로 생각해나가는 힘’이 소년을 지금의 오구리 히로시로 이끈 중심축이었다.

응용의 시대, 기초과학의 의미를 묻다

이 책에는 수많은 물리학자가 등장한다. 양자역학의 성질을 고양이 사고 실험으로 설명한 에르빈 슈뢰딩거를 비롯하여 리처드 파인만, 닐스 보어, 유카와 히데키, 도모나가 신이치로 등 이들이 어떻게 연구하고, 그 과정에서 어떠한 갈등에 부딪쳤는지를 그리고 있다. 그중에서도 하이젠베르크의 《부분과 전체》를 통해 원자폭탄 개발을 놓고 물리학자들이 고뇌하는 모습을 상세히 다루는데 이를 통해 물리학자의 연구는 자신의 호기심, 가치관뿐만 아니라 그 연구를 둘러싼 사회, 정치, 문화와도 연결되어 있음을 보여준다. 자신의 호기심을 포기할 것인지, 위험을 안고 연구를 감행할 것인지와 같은 선택의 문제도 결국 그 문제가 속한 사회와 문화를 밑바탕에 두기 때문이다. 이를 통해 오구리 히로시는 기초과학은 과학이라는 분야를 넘어서 우리가 살아가는 일상과 불가분의 관계라는 메시지를 전한다.

당장엔 쓸모없는 것처럼 보이지만 역사상 인류에게 큰 혜택을 가져다준 발견은 쓸모없을 거라고 생각했던 연구에서 나오는 경우가 많다. 전자 기술에 널리 사용되는, 맥스웰이 발견한 전기와 자기처럼 그것이 무엇에 도움이 될지 모른 채, 발견 그 자체에 가치를 두고 연구가 시작되기 때문이다. 오구리 히로시는 이렇게 시작된 연구일수록 보편성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 우리 일상과 떼려야 뗄 수 없는 응용으로 이어질 수 있는 가능성을 갖게 된다고 말한다.
기초과학의 사회적 가치는 바로 단번에 보이지 않지만 그 가능성 또한 누구도 예측할 수 없다.

과학자에게 필요한 세 가지 힘

오구리 히로시는 해결하지 못한 자신의 연구를 무려 20여 년에 걸쳐 푼 경험이 있다. 수학자 라마누잔의 공식을 초끈이론에 적용해서 완성한 박사 논문이었는데, 이렇게 긴 시간 동안 하나의 문제를 풀릴 때까지 포기하지 않는 모습은 이후 그의 연구에서 계속 찾아볼 수 있다.
위상 끈이론에서 ‘양’에 대한 방정식이 풀리지 않아 막혀 있을 때 그는 일 년 가까이 여기에만 매달렸다. 매일 칠판 앞에서, 방에서, 심지어 지하철 안에서도 그 생각 하나에만 몰두한다. 그러던 어느 날 파인만 도형을 이용해 ‘양’의 방정식을 풀어내는 데 성공하고, 이는 BCOV 이론을 만드는 결정적 역할을 하게 된다.
이렇게 오랜 시간 연구에 몰두해온 학자답게 오구리 히로시는 과학자의 길을 가거나 연구자가 되기 위해 길러야 할 세 가지 힘에 대해 이야기한다. 새로운 지식을 창조하기 위해서는 고등학교나 대학교에서와는 다른 공부 방법이 필요하기 때문이다.

첫 번째는 문제를 찾는 힘, 두 번째는 그 문제를 푸는 힘, 마지막은 그 문제를 풀기 위해 끈기 있게 생각하는 힘이다. 현존하는 지식과 기술로 성과를 얻을 수 있는 문제를 찾고, 필요한 기술과 지식을 활용해서 문제가 풀릴 때까지 끈기 있게 생각하는 힘이 중요하고 말한다. 이 세 가지는 오구리 히로시가 학자로 오랜 시간 연구해오면서 체득한 것이기도 하다.
실제 박사 과정의 자격이 주어지는 ‘박사 후보자’가 되기 위해서는 가치 있는 연구를 수행할 잠재력을 가장 중요하게 여기는데, 여기에는 문제에 대한 답을 찾을 때까지 ‘끈기 있게 생각할 수 있는 힘’도 포함된다. 이는 박사 과정뿐만 아니라 그 후 이어지는 연구에서 오구리 히로시처럼 20년이 걸릴 수도 있고, 그의 동료처럼 30년이 지나도 풀리지 않는 문제를 연구할 수도 있기 때문이다.