우주를 만든 영원불변의 값, 물리상수!

인류는 물리상수를 어떻게 발견해 왔으며 

그것을 통해 우주의 어떤 수수께끼가 풀리고 

또 어떤 수수께끼가 새롭게 등장했을까? 

4대 물리상수를 통해서 우주와 인간의 모습을 그려 보는 

즐거운 여정으로의 초대

물리상수는 우리의 일상부터 우주 저편에 이르기까지, 세상 모든 현상을 지배하는 법칙에 관여하는 물리량들을 수치로 나타낸 것이다. 그렇기에 물리상수는 인류가 우주를 해석하기 위해서 사용하는 키워드라고 할 수 있다. 인류는 물리상수가 뜻하는 바를 알고자 이리저리 머리를 굴리고, 그 값을 측정하는 과정을 거치면서 비로소 우주가 어떻게 지금처럼 이루어졌는지 조금씩 이해하기 시작했다.

여러 물리상수 중에서도 언제 어디서나 항상 값이 일정한 물리상수를 ‘보편 상수’라고 부른다. 이 책의 주인공인 광속 c, 만유인력상수 G, 기본전하량 e, 플랑크상수 h는 모두 보편 상수다. 보편 상수 c, G, e, h를 이해하려면 상대성 이론부터 입자물리학까지, 인류가 지금까지 알아낸 우주에 관한 지식 전부가 필요하다. 반대로 생각하면 이 네 가지 상수를 설명함으로써 우주에 관한 지식을 모조리 이야기할 수 있다는 뜻이기도 하다. 《우주를 읽는 키워드, 물리상수 이야기》는 바로 그 생각에서 출발한 책이다.

그런데 물리상수는 인류가 이해하든 못하든 아무런 영향을 받지 않는 값이다. 따라서 인간을 전혀 언급하지 않고도 물리상수에 관한 이야기는 얼마든지 이어 나갈 수 있다. 그러나 우주뿐 아니라 우주의 법칙을 밝혀낸 인간들의 행위 자체도 매우 흥미로운 만큼, 이 책에서는 물리상수와 관련한 인간의 모습까지 함께 돌아보았다. 

4대 물리상수를 실마리 삼아 이 우주가 어떻게 이루어졌는지, 인간은 이를 어떻게 발견해 왔는지 알아보자. 그리고 우주와 그 안에 사는 인간의 모습을 함께 그려 보자. 물리상수를 잘 모르는 사람도 읽을 수 있도록 쉽고 재미있게 설명한 것이 이 책의 미덕이다. 동시에 물리와 상수를 사랑해 마지않는 과학 애호가들에게도 새로운 발견을 안겨 주는 책이 될 것이다.

시작하며: 우주를 이해하는 실마리가 되어 준 특별한 값

1장 | 광속 c로 이해하는 특수 상대성 이론

2장 | 만유인력상수 G로 이해하는 우주의 구조

3장 | 기본전하량 e로 이해하는 기본 입자

4장 | 플랑크상수 h로 이해하는 양자역학

5장 | 4대 물리상수로 정의한 기본 단위

마치며: 보편 상수가 보편적이지 않을 수 있다는 상상

옮긴이의 말: 물리상수는 악랄한 빌런이 아니라 다정한 히어로

‘광속 c’는 1초 동안 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있는 맹렬한 속도를 나타내는 물리상수입니다. 광속의 놀라운 점은 그 어떤 물질이나 기계도 이 속도를 따라잡지 못한다는 것입니다. 광속이 우주의 최대 제한 속도임은 상대성 이론으로 도출됩니다.

다음으로 ‘만유인력상수 G’는 매우 미약한 물리상수입니다. 그래서 만유인력(중력)의 효과는 지구처럼 거대한 질량을 가지지 않고서는 좀처럼 드러나지 않습니다. 그러나 지구 정도는 비할 바도 못 되는 거대한 질량들이 수없이 존재하는 곳이 바로 우주입니다. 따라서 우주라는 괴물의 중력은 시간을 쪼그라뜨리고 공간을 쭉 늘리며 광선마저도 흐늘흐늘 휘게 만들어 버리지요.

또 ‘기본전하량 e’는 전기 현상을 일으키는 전자라는 작은 알갱이가 가진 전기적인 성질을 이야기해 줍니다. 전기 현상은 번쩍하는 불꽃으로 우리를 겁주거나 찌르르한 장난을 치기도 하지만, 동시에 우리에게 밥을 지어 주고 바삐 돌아다니며 바닥 청소를 도맡기도 하는 등 다채로운 활약상을 보여 주고 있지요. 이 모두가 전자(와 양성자)의 작용입니다. 전자는 인류가 발견한 최초의 기본 입자이며, e는 기본 입자들을 이해하는 실마리입니다.

‘플랑크상수 h’는 수수께끼의 물리상수입니다. 이 상수를 만나고 인류는 이것의 정체가 무엇인지를 고민하는 과정에서 양자역학이라는 학문을 만들어 냈습니다. 양자역학은 원자나 전자와 같은 미시적인 물체들의 행동을 밝혀내고, 레이저와 원자력, 전자공학 등 현대 사회를 떠받치는 모든 과학 기술을 만들어 냈지요. 이에 더해 우주의 시작도 설명할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. 

- 〈시작하며: 우주를 이해하는 실마리가 되어 준 특별한 값〉 중에서

질량 근처에서는 시간이 느리게 흐릅니다. 이 때문에 질량을 가진 물체에 시계를 가까이 가져가면 시계의 속도가 느려집니다. 그런데 이 효과는 극히 작습니다. 특수든 일반이든 상대성 이론의 효과는 대체로 그렇습니다. 지구처럼 거대한 질량의 표면에 놓인 시계와 지구에서 저 멀리 떨어진 시계의 속도 차이는 10억분의 1보다도 작습니다. 하지만 최신 시계 기술은 정밀도가 아주 높아서 이 정도로 작은 차이도 검출할 수 있습니다. 2020년, 일본에서는 ‘광학 격자 시계’를 사용한 실험이 진행되었습니다. 도쿄의 랜드마크이자 전파 송신 등을 위해 지어진 스카이트리에는 전망대가 있는데, 이 건축물의 전망대와 지상층에 각각 광학 격자 시계를 두고 시간의 흐름을 측정하는 실험이었습니다. 실험 결과, 두 높이 간의 시간차가 검출되었습니다. 지상에서 450m 떨어진 전망대와 비교했을 때, 지상층에서는 시계가 약 0.000000000005% 느리게 움직였습니다. 평소에 느끼지 못하더라도, 지표면(스카이트리의 지상층과 비슷한 고도)에서 생활하는 우리의 시간은 스카이트리 전망대에서보다 느리게 흐르고 있습니다.

- 〈2장. 만유인력상수 G로 이해하는 우주의 구조〉 중에서

앞에서 ‘위치의 불확정성과 운동량의 불확정성의 곱은 플랑크상수 h보다 작게 만들 수 없다’고 했지요. 이 말을 달리 표현하면 불확정성은 이 세상을 보여 주는 픽셀(화소)과 같다고 할 수 있습니다. 디스플레이에 나타나는 그림과 영상은 얼핏 보면 미세한 특징까지 부드럽게 잘 표시하고 있는 것 같지만, 확대해서 보면 픽셀이라는 작은 구획들이 모여 이미지를 이루고 있는 것이 보입니다. 디스플레이의 세계에서 픽셀보다 작은 구조는 담아낼 수 없습니다. 현실 세계도 디스플레이와 비슷해서, 얼핏 보면 연속적이고 부드럽게 느껴지지만, 사실은 미시적인 픽셀로 이루어졌다고 할 수 있습니다. 그 픽셀들보다 미세한 구조는 어떤 측정 장치를 이용해도 읽어 낼 수 없습니다. 플랑크상수 h는 현실 세계를 그려 내는 픽셀의 크기인 셈입니다.

- 〈4장. 플랑크상수 h로 이해하는 양자역학〉 중에서

우리 우주는 138억 년 전에 빅뱅으로 탄생했습니다. 그리고 c, G, e, h의 값에 따라서 결정되는 무수한 과정을 거쳐서 현재와 같은 모습이 되었습니다. 빅뱅이 왜 일어났느냐 하는 물음에는 아직도 답을 찾지 못했습니다. 몇 가지 가설이 있는데, 그중에는 우리 우주가 부모 우주로부터 태어났다고 설명하는 것이 있습니다. 그렇기에 우리 우주 말고도 자식 우주가 무수히 많다고 주장하는 가설입니다.

심지어 각각의 자식 우주가 각자 다른 물리상수를 가진다는 기발한 주장을 펼치는 연구자들도 있습니다. 물리상수가 다른 우주끼리는 서로 영향을 줄 수도, 교류할 수도 없으며, 따라서 상호 관찰도 불가능합니다. 존재를 확인하는 일도 불가능합니다. 실험이나 관찰을 통해서 증명할 수 없는 존재를 논의하는 것이 과연 과학의 영역인지 확신하기는 어렵지만, 어쨌거나 매력적이고 기발한 발상이긴 합니다.

이 책에서 우리는 만약 c, G, e, h의 값이 변하면 어떤 현상이 일어날지 논의해 보았습니다. c, G, e, h가 우리 우주에 어떤 영향을 미치고 있는지 알아보기 위한 탐구였지만, 만에 하나 앞에서 얘기한 저 기발한 우주론이 참이라면, 정말로 어딘가에는 이 책에서 상상했던 것과 같은 또 다른 우주가 있을지도 모르지요. 연구자들 사이에서도 의견이 일치하지는 않지만, 그처럼 물리상수가 서로 다른 우주에서는, 예컨대 기본 입자의 전하량, 색전하, 질량, 섞임각 등의 물리상수가 다를 가능성이 있다고 합니다. 그러니까 기본전하량 e는 다른 우주(만약 존재한다면)에서는 다른 값일지도 모릅니다.

그러나 만유인력상수 G와 플랑크상수 h의 값까지 달라지면 부모 우주에서 자식 우주가 발생하는 시스템마저도 변할 가능성이 있어서 이론적으로 수습이 안 될 것 같습니다. 그렇다면 역시 보편 상수 중에서도 G와 h 그리고 광속 c는 어느 우주에서나 똑같을 것 같은 느낌이 듭니다만, 섣불리 단언할 수는 없겠지요.

- 〈마치며: 보편 상수가 보편적이지 않을 수 있다는 상상〉 중에서

우주를 만든 영원불변의 값, 물리상수

4대 물리상수 c, G, e, h를 설명함으로써

우주에 관한 지식을 모조리 이야기할 수 있다!

여러 물리상수 중에서도 언제 어디서나 항상 값이 일정한 물리상수를 ‘보편 상수’라고 부른다. 이 책의 주인공인 광속 c, 만유인력상수 G, 기본전하량 e, 플랑크상수 h는 모두 보편 상수다. 보편 상수는 우주가 어떻게 해서 지금과 같은 모습인지를 가르쳐 준다. 

광속 c는 특수 상대성 이론을 이해하는 열쇠로, 물리 법칙이 언제 어디서나 똑같이 적용된다는 사실을 확인해 준다. 만유인력상수 G를 통해서는 시공간이 왜곡되는 우주의 구조를 이해할 수 있고, 기본전하량 e는 우주 만물을 이루고 있는 기본 입자에 관하여 다양한 사실을 알려 준다. 그리고 플랑크상수 h는 현대 사회를 떠받치는 모든 과학 기술의 근간이라 할 수 있는 양자역학을 만들어 냈다. 양자역학은 전자와 광자 등의 기본 입자를 비롯해 원자, 분자 등 미시적인 물체를 지배하는 물리 법칙인데, 미시 세계의 물리 법칙이 거시 세계와 다르다는 사실을 인류가 알아차리게 해 준 것이 바로 플랑크상수 h였다. 

아울러 이들 보편 상수는 미터, 킬로그램, 초라는 세 가지 기본 단위를 정의하는 기준이다. 기본 단위란 다른 단위를 짜맞추는 바탕이 되는 단위로, 기본 단위들을 조합하면 다양한 물리량을 나타내는 단위들을 만들 수 있다. 특히 역학에 등장하는 단위는 모조리 만들어 낼 수 있다. 미터, 킬로그램, 초는 각각 길이, 질량, 시간이라는 세 가지 물리량을 나타낸다. 이 세 가지 기본 단위로 역학의 모든 단위를 만들 수 있다는 말은, 역학이 길이와 질량과 시간을 다루는 체계라는 뜻이다. 역학은 이 세계를 제법 광범위하게 설명할 수 있는 체계이므로 우리가 평소에 측정하거나 다루는 물리량 대부분이 길이와 질량과 시간이라는 물리량의 조합이라는 사실을 알 수 있다. 

이렇듯 물리상수는 인류가 우주를 해석하고 설명하기 위해서 사용하는 키워드라 할 수 있다. 인류는 물리상수가 뜻하는 바를 알고자 이리저리 머리를 굴리고, 그 값을 측정하는 과정을 거치면서 비로소 우주가 어떻게 지금처럼 이루어졌는지 조금씩 이해하기 시작했다. 물론 그 과정이 순탄하지만은 않았다. 수많은 과학자의 도전과 시행착오가 있었고, 천재로 불리는 과학자들이 물리상수를 발견해 놓고도 정작 그 값이 의미하는 바를 몰라서 헤매기도 했다. 책 속에는 물리상수를 발견하고 우주의 법칙을 밝혀낸 과학자들의 이야기가 중간중간 등장하는데, 인간적이거나 괴팍한 면모를 보여 주는 천재 과학자들의 일화는 물리상수를 하나씩 알아 가는 여정에 재미를 더해 준다.

물리상수는 우리의 일상부터 우주 저편에 이르기까지, 세상 모든 현상을 지배하는 법칙에 관여하는 물리량들을 수치로 나타낸 것이다. 만약 우리 우주와는 다른 우주가 있어서 그곳에서도 생명이 발생해 지성을 기르고 있다면, 그들도 우리와 마찬가지로 c, G, e, h에 관해서 고찰하고 이 책과 같은 논의를 거쳐서, 이들 물리상수가 자신들의 우주를 그런 모습으로 구성하는 기초라는 결론을 내렸을 것이다. 그리고 그들의 보편 상수 c, G, e, h를 둘러싼 탐구 역시 때로는 어렵고 때로는 이치에 맞지 않아 보이겠지만, 그럼에도 감동적인 이야기를 써 나가고 있을 것이다. 

NASA 연구원 출신 고타니 다로 교수가 

다정다감하게 설명해 주는 우주의 물리학!

“이 세상을 살아가는 것이 얼마나 특별한지 세심하게 설명해 주는 명저.” 

- 일본 ‘아마존’ 독자 서평

“내용은 정말 진지한데 웃음이 나는 즐거운 물리책.” 

- 일본 ‘아마존 오디블’ 독자 서평

“미끼 같은 농담과 촉촉한 감성에 젖어 빼꼼 열린 마음의 문틈으로 

과학자의 지식을 꽉꽉 눌러 담은 유쾌한 설명이 직구로 날아든다.” 

- ‘옮긴이의 말’ 중에서 

《우주를 읽는 키워드, 물리상수 이야기》는 물리학을 잘 모르는 사람도 쉽고 재미있게 읽을 수 있는 대중 과학서다. 저자 고타니 다로 교수는 우주물리학을 전공하고 NASA 연구원을 거쳐 대학에서 학생들을 가르치고 있는데, 무엇보다 과학의 재미를 널리 알리는 일에 진심이다. 그런 만큼 대중에게 어렵거나 낯설게 느껴질 수 있는 물리학 용어를 일상의 언어로 세심하게 풀어썼다. 특히 재미있는 비유와 다감한 설명 방식은 물리학이 딱딱하고 지루할 거라는 선입견에 슬쩍슬쩍 균열을 내면서 어느 틈엔가 물리상수 c, G, e, h를 독자 가까이에 데려다 놓는다. 그렇기에 지금 물리를 공부하는 학생들은 물론이고 학창시절 우주를 동경했으나 딱딱한 교과서의 벽 앞에서 좌절했던 어른들에게도 이 책을 권한다. 책을 다 읽고 나면 물리상수 c, G, e, h는 우리의 학습 과정을 괴로운 암기로 채우기 위해 존재하는 악랄한 ‘빌런’이 아니라, 우리가 동경하는 우주의 모습을 자세히 그려 주는 다정한 ‘히어로’임을 알게 된다.