1. 시간이 거꾸로 흐르는 곳이 있을까?
우리가 살고 있는 우주 안에 시간이 거꾸로 흐르는 영역이 존재할 수 있을까? 만일 그런 영역이 존재한다면 식은 물체는 점점 뜨거워지고, 깨진 계란은 깨지기 전의 상태로 돌아가고, 커피에 섞여 있던 우유가 스스로 분리되어 나오며, 양초와 별은 빛을 흡수하고, 생명체는 묘지에서 걸어 나와 요람으로 들어가게 될 것이다.

미국의 물리학자 로렌스 슐만에 따르면 충분히 가능하다고 한다. 먼 과거에 고온, 고압 상태에서 팽창한(빅뱅) 우주는 언젠가는 빅뱅을 정확히 거꾸로 재현하는 ‘빅 크런치’의 과정을 거치면서 수축할 것이다. 이때 시간은 정확히 열역학 제2법칙을 거슬러 엔트로피가 감소하는 쪽으로 나아간다. 슐만은 한 걸음 더 나아가, 시간의 정방향과 역방향이 우리 우주에서 공존할 수도 있다고 주장한다. 그는 간단한 컴퓨터 모델링으로 이를 증명하는 실험에 성공했다. 하지만 우리가 시간의 역방향에 있더라도 이상한 점은 아무것도 발견할 수 없을 것이다. 그것은 1,000억 년이나 걸쳐 너무도 서서히 진행되는 과정이기 때문이다.
어떻게 우주가 팽창하면서 동시에 수축할 수 있을까? 어떻게 과거와 미래가 공존할 수 있을까? 한 가지 확실한 것은 시간이 정방향으로 흐르기 위해서는 우주가 고도로 질서 있는 상태에서 출발해야만 한다는 사실이다. 하지만 왜? 인류를 탄생시키기 위해서? 그 이유를 설명하지 못하는 한(물리학자들의 이 오랜 난제를 해결한다면 당연히 노벨상을 받을 것이다) 슐만의 패러독스는 계속 우리의 사고를 자극할 것이다.

2. 하나의 세계가 아니라 여러 세계가 존재할까?
양자이론의 유명한 ‘이중 슬릿’ 실험은 원자와 같은 입자가 동시에 여러 장소에 존재할 수 있다는 사실을 증명했다. 입자가 동시에 두 개의 슬릿을 통과하면서 만들어내는 간섭무늬가 그 증거다. 그렇다면 이때의 입자는 하나인가 둘인가? 왜 입자보다 큰 세계에서는 불가능한 일이 입자의 세계에서는 가능한가?
이 수수께끼에 대한 하나의 응답이 바로 ‘여러 세계’ 이론이다. 하나의 입자가 두 곳에 동시에 존재하는 것은 여러 세계가 존재한다면 가능하다. 공상과학 소설에나 나오는 얘기 같다고? 스웨덴의 젊은 물리학자 막스 테그마크에 의하면, 점점 더 많은 물리학자들이 ‘여러 세계’의 존재를 믿고 있다고 한다. 여러 세계 이론은 원자들의 특성을 잘 설명해줄 뿐 아니라 양자컴퓨터와 시간여행을 가능하게 해줄 대안일지 모른다.

그리고 만일 여러 세계가 존재한다면 우리는 영원히 살 수 있을지도 모른다. 이 세계에서는 사고를 당해 죽기도 하고, 저 세계에서는 질병에 걸려 죽을지도 모르지만, 또 다른 어떤 세계에서는 어떠한 사고나 질병도 없이 영원히 사는 또 다른 우리가 존재할지 모른다. 하지만 이것을 증명하기 위해서는 스스로 목숨을 걸어야 한다.

3. 우주는 파동함수로 이루어져 있을까?
원자는 그 어원상 ‘더 이상 나눌 수 없는 것’이란 의미다. 특히, 원자 속의 전자는 여러 물리학자들이 물질의 가장 궁극적인 입자라고 인정하는 것이다. 그런데 누가 전자를 나눌 수 있다고 주장한다면? 영국 물리학자 험프리 마리스가 액체 헬륨의 ‘전자 거품’ 실험을 통해 이를 주장하자 전 세계 물리학계는 핵폭탄을 맞은 듯했다. 어떻게 작은 조각들이 모여 이루어지지 않은 것을 작은 조각들로 나눌 수 있을까? 한 가지 확실한 것은 전자를 나눌 수 있다는 주장이 우리 세계를 이루는 궁극적인 실체의 본질과 밀접한 관련이 있다는 것이다. 그것은 곧 ‘모든 것은 파동함수로 이루어져 있다’는 것이다.

4. 우주의 기본 입자는 타임머신일까?
현대물리학의 가장 중요한 문제는 일반상대성이론과 양자이론을 결합시키는 것이다. 일반상대성이론이 별이나 은하 같은 아주 커다란 것들에 관한 이론으로 절대적 확실성을 추구한다면, 양자이론은 원자와 같은 미시적인 세계에 관한 이론으로 불확실한 확률에 만족한다. 많은 물리학자들이 양자이론을 더 궁극적인 것으로 보는 데 반해, 영국의 물리학자 마크 해들리는 일반상대성이론으로 양자이론을 설명할 수 있다고 주장한다. 그에 따르면 우주의 기본 입자는 타임머신과 같은 시간고리를 갖고 있어, 과거뿐 아니라 미래로부터도 영향을 받는다고 한다. 만일 이것이 사실이라면, 20세기 물리학의 가장 중요한 두 이론이 마침내 통합될지도 모른다.

5. 다섯 번째 차원이 존재할까?
아인슈타인이 상대성이론으로 4차원의 시공간을 성공적으로 설명한 이래, 많은 과학자들은 추가적인 공간 차원을 밝히려 노력해왔다. 자연의 기본적인 힘은 중력 말고도 3가지나 더 있으며, 그것은 숨어 있는 공간 차원으로만 설명 가능하기 때문이다. 2006년 입자물리학유럽센터(CERN)의 거대한 입자가속기 LHC가 성공적으로 가동된다면 우리는 마침내 숨어 있는 차원들의 존재를 발견하고, 더 나아가 그것으로 시공간 구조를 조작해서 블랙홀, 타임머신, 웜홀 등의 공상과학에서나 가능했던 놀라운 것들을 직접 만들어낼 수 있을지도 모른다.

6. 냉장고만 한 블랙홀이 우주를 뒤덮고 있을까?
빅뱅 때 형성된 작은 냉장고 크기만 한 블랙홀들이 전 우주를 떠다니고 있다. 그들은 무려 우주 전체 질량의 99퍼센트나 차지한다. 왜 이런 미친 소리에 귀 기울여야 할까? 천문학자 마이크 호킨스는 20년 넘게 퀘이사의 수수께끼를 풀기 위해 노력하다 마침내 이런 결론을 얻었다. 정상은하보다 100배나 밝은 빛을 내뿜는 퀘이사의 수수께끼는 이 우주를 뒤덮고 있는 보이지 않는 부분, 즉 ‘암흑물질’의 정체를 알려줄지도 모른다.

7. 거울 우주가 존재할까?
중성미자는 항상 왼쪽으로 회전한다. 자연의 물리법칙에서는 모든 것이 대칭이지만 이것만은 예외다. 대칭을 회복하기 위해 과학자들은 실제 세계와 완전히 거울 대칭되는 세계를 가정했다. 그러나 최근 ‘오르토 포지트로늄’이란 입자 실험을 통해 거울 세계가 존재한다고 주장하는 과학자들이 있다. 로버트 푸트와 세르게이 그니넨코가 그들이다. 우리 눈에는 보이지 않는 완전히 똑같은 세계가 존재한다는 이 이론은 거울 은하, 거울 별, 거울 행성, 거울 우주인까지 우리의 상상력을 극한까지 자극한다.

8. 무수히 많은 우주가 존재할까?
물리학의 발달과 더불어 우주의 전체 크기는 점점 확대되었다. 그리고 마침내 우리가 살고 있는 우주는 무수히 많은 우주 가운데 하나일 뿐이라는 ‘멀티버스’ 이론까지 이르게 되었다. 이것은 단지 상상에 불과한 것일까? 2장에서 여러 세계 이론을 주장한 막스 테그마크는 이를 심각하게 연구한 지지자 중 한 사람이다. 우리가 살고 있는 우주가 생명체가 진화하기에 그토록 잘 조율되어 있다는 사실은 역으로 무한히 많은 우주가 있다는 증거일지 모른다. 우리가 이 우주에서 별로 특별한 존재가 아니듯, 우리 우주도 그런 여러 우주 속에서 그다지 특별한 존재가 아닐 것이다.

9. 우주는 만들어진 것일까? 생성된 것일까?
왜 우리 우주는 생명체가 번성하기에 그토록 잘 조율되어 있을까? 이것은 과학자들의 가장 오래된 수수께끼 중 하나였다. 여기에 아주 간단한 해답을 제시하는 과학자가 있다. 미국의 물리학자 에드 해리슨에 의하면, 우리가 우리 우주를 이해할 수 있는 까닭은 그것을 우리가 이해할 수 있는 존재들이 만들었기 때문이다. 즉 우리 우주는 다른 우주에 사는 지적으로 우월한 존재들의 실험실에서 탄생했다는 것이다. 이것은 멀티버스의 우주 창조에 대한 대담한 진실일까, 아니면 그저 공상에 지나지 않는 것일까?

10. 우주생명체는 어디에 있을까?
별과 별 사이, 암흑의 추운 공간을 떠도는 행성들이 있다. 이 성간 행성들은 스스로 빛을 낼 수도, 태양으로부터 빛을 받을 수도 없기 때문에 이제껏 이론상으로만 존재해왔다. 그런데 바로 이런 성간 행성이 생명체가 살기에 가장 이상적인 장소라고 주장하는 과학자가 있다. 미국의 행성학자 데이비드 스티븐슨에 의하면, 우리 은하의 생명체 대부분은 지구와 같은 이상적인 장소가 아니라 캄캄하고 울고 싶을 정도로 추운 성간 행성에 있다. 그곳의 생명체들은 어떻게 에너지를 얻고 생명을 유지할까? 그런 성간 행성을 과연 언제쯤 발견할 수 있을까?

11. 지구상의 생명체는 우주에서 왔을까?
지구상에 생명체가 나타난 것은 약 38억 5,000만 년 전이다. 그토록 오래전에 무생물에서 생물이 탄생했다는 것은 과학자들의 오랜 수수께끼였다. 영국의 유명한 천문학자 프레드 호일과 찬드라 위크라마싱헤에 따르면, 생명체는 지구에서 발생한 것이 아니라 우주 공간에서 이식된 것이라 한다. 즉 우리 모두는 다른 별에서 온 외계인인 것이다. 어떻게 이런 주장이 가능할까? 해답은 우주 공간을 떠도는 먼지의 정체에 있다. 그 먼지는 바로 박테리아로 혜성을 통해 전 우주로 생명을 퍼트린다는 것이다.

12. 외계인의 흔적은 어디 있을까?
SETI처럼 과학자들은 외계의 지적인 존재를 찾으려고 노력해왔다. 그런데 우크라이나의 천문학자 알렉세이 아르키포프에 의하면, 외계인의 흔적은 다름 아닌 우리 발밑에 있다고 한다. 우주여행을 할 수 있을 정도로 발달한 외계인들이 방출한 후추통만 한 크기의 우주 쓰레기가 지난 46억 년 동안 4,000개나 지구에 추락했을 것이란 주장이다. 어떻게 그 쓰레기들은 지구로 날아올 수 있었을까? 4,000개란 수치는 어떻게 나왔을까? 그 외계인들의 유물을 과연 어디에서 찾을 수 있을까?