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.