뷰티풀 퀘스천

과학을 공부한다는 건 우리가 살고 있는
이 세계가 아름답다는 걸 이해하는 것이다!

신(만약 존재한다면)은 어떤 의도로 이 세계를 창조했을까? 역사적으로 이에 대한 해답은 세계를 바라보는 관점에 따라 분분했지만, 모두가 공통적으로 인정하는 단 하나의 진리는 ‘우리를 둘러싼 이 세계는 아름답다’는 것이었다. 때문에 풍부한 창조력을 가진 사람들은 이 세계를 만든 어떤 존재(?)가 본질적으로 예술가이며, 그의 심미안을 공유하고, 느낄 수 있다고 믿었다. 이후 이들의 사상은 수세기에 걸쳐 다양한 질문을 양산하면서 철학과 과학, 문학, 예술 등에 지대한 영향을 미쳤다.
결론적으로, 자연은 조화와 균형 속에서 절묘한 비율을 통해 존재하고 있으며, 최소한의 방법(조금의 낭비도 없이)으로 최대한의 효과를 발생시키고 있다. 대칭과 경제성! 이 두 가지 요소가 바로 21세기 최고의 지성이자 과학자인 프랭크 윌첵이 확신하는, 이 세계를 아름답다고 느끼게 하는, 자연에 내재되어 있는 심오한 원리다.
그렇지만 이러한 자연의 작동원리를 인간의 감각만으로 찾아내는 건 불가능하다. 인간의 감각은 빛이나 색, 원자와 같은 구성 입자 등, 자연이 본래 갖고 있는 요소 중에서 지극히 한정된 것만을 식별할 수 있기 때문이다. 현미경이나 망원경으로 들여다보거나 혹은 원자나 원자핵을 분해하거나 혹은 길고 긴 수학적 논리를 거쳐야만 가능한 일이다. 프랭크 윌첵은 이 눈에 보이지 않는 세계를 눈앞에 그려내기 위해 역사 속에 등장했던 과학자와 예술가, 철학자들을 소환한다. 이 역사 속 인물들은 자연에 존재하는 다양한 현상들을 탐구하고, 아름다움의 비밀을 풀어내기 위해 헌신한 위대한 대가들이다. 프랭크 윌첵은 그들의 영광스러운 족적을 따라가면서 이 세계를 과학적으로 이해하는 것이 아름다움을 이해하는 가장 빠른 길이라는 걸 우리에게 보여준다.

과학의 역사를 통해
‘아름다운 세계’에 대한 답을 구하다!

이 세계를 하나의 예술작품으로 바라보는 관점의 변천사는 예술의 역사와 비슷하다. 예술 분야에서 하나의 독창적 스타일은 오래되었다는 이유로 폐기되지 않으며, 새로운 스타일에 중요한 영향을 미치면서 긴 생명을 유지하곤 한다. 이와 마찬가지로 역사적 관점으로 과학을 재구성한다면, 과학이론의 단순한 개념에서부터 점차 복잡한 개념으로 옮겨가면서 위대한 과학자들이 거쳐 왔던 길을 되짚어나갈 수 있다. 이를 통해 초기에는 매우 낯설게 느껴지는 개념도 친숙한 단계를 거쳐 자명해지는 과정을 순차적으로 확인할 수 있다. 프랭크 윌첵은 이 세계가 아름다움을 간직한 하나의 예술작품이라는 명제를 역사 속 과학자들의 아이디어와 이론들을 통해 독자에게 풀어내고 있다.
가장 먼저 등장하는 건 피타고라스다. 피타고라스의 정리는 물체의 기하학적 형태가 숫자를 통해 연결되어 있다는 걸 의미한다. 다시 말해 피타고라스와 그를 추종하는 무리들이 신봉했던 ‘이 세계는 정수로 이루어져 있다’(물론 이 논리는 깨졌지만)는 믿음은 ‘아름다운 개념’들이 이 세계에 수를 통해 구현되어 있다는 믿음이었다. 또한 피타고라스는 음의 높이를 좌우하는 두 개의 놀라운 법칙을 발견한다. 진동하는 부위의 길이에 따라 음의 높낮이가 달라지며, 줄에 가해지는 장력이 간단한 정수 비율을 이룰 때 듣기 좋은 화음이 생성된다는 사실이다. 피타고라스의 실험을 통해 알 수 있는 건 사물의 형태와 크기, 무게, 조화 등이 숫자와 밀접한 관계를 갖고 있다는 것이다.
소리의 원천은 결국 진동하는 끈이며, 진동은 주기적인 운동을 의미한다. 주기적인 운동은 일정한 시간 간격으로 이루어지는 운동을 뜻하며, 이는 태양을 비롯한 행성들의 주기운동과 동일하다. 결국 지구상의 어떤 악기가 만들어내는 소리나 화음은 우주를 가득 메우고 있는 ‘천체의 음악’인 셈이다. 다시 말해 피타고라스가 발견해낸 조화로운 화성을 이루는 수학적 비율은 천체를 구성하는 수학적 비율에도 적용이 가능한 자연의 법칙이다. 그리고 이렇게 조화로운 수학적 비율로 만들어진 화성을 인간은 본능적으로 아름답다고 인지한다.
플라톤은 동일한 원자들이 모여 자연의 물리적 실체를 만들어낸다고 믿었고, 이 세계를 구성하는 그 가장 작은 단위에는 아름다움이 내재되어 있다고 믿었다. 플라톤은 이 원자들에 대칭이 반영되어 있으며, 다섯 개의 입체 정다각형으로 이 세계를 설명했다. 물론 원자와 입체도형에 관한 플라톤의 이론은 지금의 과학을 통해 사실이 아님이 판명되었지만, 플라톤의 ‘대칭을 통해 자연을 추적한다’는 발상은 향후 2000년 동안 과학(특히 물리학)의 발전을 견인해왔다.
또한 플라톤의 아이디어는 현대 과학자에게 물리적 실체를 이해하기 위한 핵심적 역할을 해왔다. 플라톤은 ‘동굴의 인간’ 비유를 통해 인간은 실제 세계가 아닌 실제 세계의 그림자만을 보고 있는 동굴 속 인간처럼 제한된 감각만을 지니고 있다고 말했다. 때문에 플라톤은 ‘이 세계의 겉모습을 초월한 실체’를 마주하기 위해 사물의 복잡한 외형을 벗겨내 그 안에 숨어 있는 정수(精髓)에 도달하도록 노력해야 한다고 했다. 다시 말해 자연에서 아름다움을 느끼는 사람이라면, 실체를 보는 훈련을 통해 아름다움의 진정한 근원을 찾아낼 수 있는 것이다. 과학과 물리학이 바로 그 열쇠다!
코페르니쿠스의 지동설로 쏘아진 현대 과학의 불꽃은 뉴턴을 통해 전방위적으로 터지기 시작한다. 이때에 이르러 세계는 관측과 측정, 기하학과 방정식을 통한 정확한 서술, 그리고 이 모든 것을 종합하는 수학 체계를 기반으로 해체되기 시작한다. 뉴턴은 ‘분석과 종합’을 통해 모든 과학의 수준을 향상시킨 인물로 평가받는다. 뉴턴은 수학(무한수열과 미적분학)과 역학(만유인력법칙), 광학(색이론) 분야에서 놀라운 성과를 이루었고, 이후부터는 자연과 우주의 본질이 수학적으로 해결되기 시작한다.
현대물리학의 새로운 장을 연 인물인 맥스웰은 물질을 담는 그릇에 불과했던 ‘공간’을 우주를 가득 채운 매질(媒質)로 바꿔놓았다. 맥스웰 이전까지 공간은 그저 텅 비어 있었을 뿐이다. 프랭크 윌첵은 맥스웰을 가장 위대한 물리학자 중 한 사람으로 꼽는다. 윌첵에 따르면 맥스웰은 자연에 수학적 아름다움이 존재한다면 반대로 아름다움에서 출발해 자연의 법칙을 추론하는 것이 가능할 거라고 예측한 인물이다. 맥스웰은 이러한 가정에 따라 빛의 새로운 형태를 예견했다. 그리고 전기장과 자기장이 어우러져 생성된 파동의 속도가 빛의 속도와 같다는 걸 밝혀내, 결국 빛이 곧 전자기파라는 사실을 증명했다.
맥스웰 이후부터 과학자들은 아름다움으로 자연을 규정해내기 시작했다. 수많은 물리학자를 비롯한 과학자들이 자연에 숨어 있는 가장 아름다운 원리로 대칭을 주장했는데, 그들에 따르면 심오한 물리적 법칙에는 예외 없이 대칭이라는 개념이 존재했다. 대칭은 자연 속에 숨겨져 만물을 지배했고, 그건 그 어떤 원리보다도 심플하고 정확했으며, 아름다웠다.
대칭의 개념은 갈릴레이, 아인슈타인, 에미 뇌터, 그리고 20세기의 물리학자들까지도 매료시켰다. 대칭이란 ‘변화 없는 변화’를 의미한다. 원을 상상해보라. 원을 회전시켜도 원의 모양은 변화가 없다. 갈릴레이에서 아인슈타인으로 넘어오면서 대칭은 우주 전체를 다스리는 최상의 원리로서 자리매김했다. 아인슈타인에 의해 시공간에 국소대칭이 존재한다(시공간에 각기 다른 속도를 더해도 물리법칙은 변하지 않는다)는 법칙이 입증되었고, 에미 뇌터는 이를 확장시켜 물리법칙이 대칭적이기 위해서는 그에 대응되는 보존량이 존재하며, 그것은 바로 에너지라는 것을 밝혔다. 결국 물리학에서 통용되는 모든 보존법칙들은 자연이 갖는 대칭에서 기원하며, 그 법칙들은 아름다움을 내포하고 있는 것이다. 그리고 그 법칙들로 이루어진 이 세계는 필연적으로 아름다울 수밖에 없는 것이다.

아름다운 세계, 아름다운 인간!
우리는 하나의 빛으로 이 세계에 머물다 간다!

역사를 통틀어 수많은 과학자들이 자신들의 이론을 발명해내면서 질서와 조화를 추구했지만 보다 완벽하고 순수한 아름다움은 이미 이 세계에 존재하고 있었다. 태양계는 정교한 역학법칙에 의해 형성되어 있었고, 빛은 불완전한 인간의 시각 범위와 상상력 너머에서 완벽하게 존재하고 있었다. 자연 역시 대칭이라는 강력한 원리에 따라 구현되어 있었다. 어느 하나, 예외는 없다.
프랭크 윌첵은 말한다.
“이 세계는 물리학의 법칙을 따르며, 그 법칙은 아름다움을 내포하고 있다.”
결국 이 세계는 본질적으로 아름다움을 가지고 있는, 하나의 놀라운 예술작품인 것이다. 세계는 아름답다. 프랭크 윌첵은 이 책을 마무리하며 우리가 자주 잊어버리는 사실에 대해 다음과 같이 이야기한다.
“당신과 나는 물질로 이루어져 있으며, 물리학의 법칙을 따른다. 당신과 나는 무언가를 선택할 수 있으며, 그 결과에 책임을 져야 한다.”
프랭크 윌첵은 결론 내린다. 결국 이 세계의 구성요소인, 자연의 한 부분을 차지하고 있는 우리 역시 아름답기 그지없는 하나의 놀라운 예술작품이라고. 프랭크 윌첵은 이 책에서 세계의 아름다움을 말하지만 동시에 우리 인간 역시 그 자연의 일부이며, 세계의 한 구성요소임을 깨닫게 함으로써 우리가 추구해야 할 궁극적인 삶에 대한 태도를 돌아보게 한다. 이 책은 자연을 바라보는 시각을 넓히는 동시에 결론에 이르러 사유의 영역을 세계의 차원에서 인간 개개인의 차원으로 환원시킨다.
우리 모두는 궁극적으로 아름답게 태어났다. 아름다운 생을 만들어가는 건 물론 각자의 몫이다. 하지만 그 사실을 잊지만 않는다면, 우리는 아름다운 존재로서 이 세계에 찬란한 빛으로 머물다 사라질 것이다(물리법칙에 따라 빛은 계속 나아가니까), 라고 프랭크 윌첵은 말하고 있다.

행복한 사람이란 오늘 하는 일이 자신의 인생과 연결되어 있음을 깨닫고 영원의 작업을 구현하는 사람이다. 그러므로 인간은 자연의 신성한 과정을 가능한 한, 비슷하게 흉내 내면서 유한과 무한을 결합하는 데 힘써야 한다. 단명할 존재라며 자신을 가볍게 여겨도 안 되고, 시간의 신비를 영원히 밝히지 못할 것이라며 눈앞에 보이는 현실을 외면해서도 안 된다. _ 제임스 클러크 맥스웰

저 : 프랭크 윌첵

Frank Wilczek
조너선 그로스, 데이비드 폴리처와 함께 원자핵의 강력이론에서 점근적 자유성을 발견한 공로로 2004년 노벨물리학상을 받았다. 윌첵이 1989년에 발표한 《조화를 향한 갈망(Longing for the Harmonies)》은 그해 〈뉴욕타임스〉에서 ‘가장 주목받은 책’으로 선정되었다. 미래의 과학도에게 영감을 주기 위해 ASC(아시안 사이언스 캠프) 등 다양한 분야에서 멘토로 활약하고 있는 그는 현재 매사추세츠 공과대학(MIT) 물리학과의 허먼 페쉬바흐(Herman Feshbach) 석좌교수로 재직 중이다.

감수 : 김상욱

1970년 서울에서 태어났다. 고등학생 때 양자물리학자가 되기로 마음먹은 후, KAIST 물리학과를 졸업하고 같은 대학원에서‘상대론적 혼돈 및 혼돈계의 양자 국소화에 관한 연구 ’로 박사학위를 받았다. 이후 포스텍, 카이스트, 독일 막스-플랑크 복잡계 연구소 연구원, 서울대 BK조교수를 거쳐 2004년부터 부산대 물리교육과 교수로 재직 중이다. 아태이론물리연구소 과학문화위원으로도 활동하고 있다.
동아일보에 [김상욱 교수의 과학에세이], 경향신문에 [21세기 고전], 스켑틱에 [이상한 양자세계의 물리학자]를 연재하며, 저서로는 『영화는 좋은데 과학은 싫다고?』, 『과학수다 1, 2』(공저), 『과학하고 앉아있네 3, 4』(공저), 『김상욱의 과학공부』 등이 있다.
다른 사람들과 앎을 공유하는 것을 행복하게 생각한다. 가르치는 것이 가장 좋은 배움의 방법이라고 여기기 때문이다. 과학을 널리 알릴수록 사회에 과학적 사고방식이 자리 잡을 것이고, 그러면 이 세상이 좀 더 살 만한 곳이 될 거라 믿고 있다.

역 : 박병철

 1960년 서울에서 태어나 연세대학교와 동 대학원 물리학과를 졸업하고 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하여 박사 학위를 받았다. 현재 대진대학교 물리학과 초빙교수이며, 과학 전문 번역가로도 활동하고 있다. 저서로는 어린이 과학동아 『라이카의 별』이 있고, 옮긴 책으로는 『엘러건트 유니버스』, 『우주의 구조』, 『블랙홀을 향해 날아간 이카로스』, 『파인만의 물리학 강의 Ⅰ, Ⅱ』, 『일반인을 위한 파인만의 QED 강의』, 『리만 가설』, 『타이슨이 연주하는 우주 교향곡 Ⅰ, Ⅱ』, 『허수』, 『페르마의 마지막 정리』, 『평행우주』, 『불가능은 없다』, 『미래의 물리학』 등이 있다. 2005년에 한국출판문화상을, 2016년에 미래창조과학부 장관상(번역부문)을 받았다.

그의 이름을 듣고 초끈이론을 널리 알리는 데 공헌한 브라이언 그린의 책 번역을 떠올리는 사람이 많겠지만, 실은 『초끈이론의 진실』(승산)이나 『실체에 이르는 길』『무로부터의 우주』처럼 물리학의 현 상황을 독자들에게 올바르게 알리는 일에 주력하고 있다.

이 책에 쏟아진 찬사
감수의 글_ 김상욱 경희대학교 물리학과 교수
이 책의 사용설명서

1장 질문
2장 피타고라스: 사고와 객체
3장 피타고라스: 수와 화음
4장 플라톤: 대칭 구조-플라톤의 입체도형
5장 플라톤: 동굴 밖으로 나온 인간
6장 뉴턴: 방법론과 광기
7장 뉴턴: 색(色)
8장 뉴턴: 역학적 아름다움
9장 맥스웰: 신의 미적 감각
10장 맥스웰: 인식의 문
11장 대칭 입문
12장 양자적 아름다움 I: 구(球)의 음악
13장 대칭 I: 아인슈타인의 두 단계
14장 양자적 아름다움 II: 원기 왕성한 전자
15장 대칭 II: 국소적 색상
16장 양자적 아름다움 III: 자연의 핵심에 존재하는 아름다움
17장 대칭 III: 에미 뇌터 - 시간과 에너지, 그리고 온전한 정신
18장 양자적 아름다움 IV: 우리는 아름다움을 믿는다
19장 아름다운 해답?

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