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사랑하지 않을 수 없는 물리학, 뭐가 매력이라는 걸까?
과학자처럼 생각하고 바라보기의 멋짐에 대하여

40여 년 전, 십대 시절 물리학과 사랑에 빠졌다는 저자의 고백으로 이 책은 시작된다. 대부분의 사람들에겐 좀처럼 다가가기 쉽지 않은 과목인 물리학, 무엇이 과학자 짐 알칼릴리로 하여금 평생토록 물리학을 ‘사랑하게’ 만들었을까?
알칼리리는 몇 가지 이유를 꼽는다. 우선 자신이 물리학에 다소 재능이 있다는 걸 깨닫고 나니 더 좋아지기도 했다는 솔직한 고백을 시작으로, 퍼즐 풀이와 상식을 재미있게 섞어놓은 듯하고 자연과 우주의 비밀을 풀어나가는 물리학이 너무나 매혹적이었다고 말한다.

또한 그는 실험과 이론이 완벽하게 협력하면서 진보를 향해 나아간다는 특징을 물리학의 특별한 지점으로 꼽는다. 지질학이나 생물학 같은 관찰과학이 데이터 수집, 꼼꼼한 실험 설계와 검증으로 이해를 넓혀간다면, 물리학은 그런 실험을 바탕으로 이론적 도약을 감수해야 하는 부분이 존재한다. 기존에 확립된 이론에 부합하는 이론을 발판으로 물리학자는 다시 연구하고 검증하고, 새로운 이론을 세상에 내놓는다. 알칼리리는 이를 ‘물리학만큼 이론과 실험이 나란히 손을 잡고 끌어주면서 서로에게 다음 발 디딜 곳을 가르쳐주는 학문은 없다’는 말로 표현한다.

현대 물리학은 지금도 끝없이 변화하고 연구를 거듭해나가고 있는 학문이다. 뉴턴, 디랙, 힉스, 슈뢰딩거, 아인슈타인, 스티븐 와인버그에 이르기까지, 이미 규명되었다고 생각한 지점에서 또다시 생겨나는 새로운 난제를 물리학은 꿋꿋이 놀라운 방식으로 풀어왔다. 『어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까?』에서는 이렇게 복잡한 미로 속을 헤매고 때로는 부침을 겪으면서도 마침내 진리를 향해가는 물리학의 멋짐을 모두와 공유하고픈 저자의 진지하고도 다정한 에너지가 행간마다 전해진다.

이론물리학자이자 과학 커뮤니케이터인 저자가 알기 쉽게 설명하는
방대하고 고차원적인 물리학의 흐름과 발전

이 책의 특별한 점은 비전공자에게는 특히 멀게 느껴지는 물리학이라는 학문을 대중에게 명확하고 간결한 언어로 설명하는 데 성공했다는 점이다. ‘과알못’은 물론이고 과학에 관심이 있는 사람이라도 현대 물리학의 정수라고 불리는 양자역학, 상대성이론 등을 충분히 잘 이해하기란 무척 어렵다. 시간과 공간, 넓디넓은 우주와 작디작은 양자세계, 이론물리학과 생활 속 물리학까지 직관적으로 이해할 수 있게 다루는 이 책의 내용은 과학적 지식뿐 아니라 방법론과 철학적인 부분까지 망라한다. 물리학 전반의 흐름과 현대 물리학을 이끄는 3대 이론과 가장 최신의 논의도 비전공자가 알아두면 좋을 선에서 짚어준다.

이 방대한 부분을 작은 책 한 권에 효과적으로 펼쳐 보일 수 있었던 비결은 그 자신이 양자물리학자이면서 과학 커뮤니케이터로서 BBC 과학 다큐멘터리를 인기리에 진행한 바 있는 저자의 내공이다. 복잡한 공식을 설명하는 교과서 같은 설명들을 떠올렸다면, 이 책에서 저자가 어려운 수식 없이 펼치는 친근한 스토리텔링에 놀라게 될 것이다. 저자는 실제로 과학 팟캐스트와 다큐멘터리를 통해 동시대 과학자들의 최신 지식을 대중에게 잘 소화되게 전달하는 탁월한 능력으로, 대중과 과학의 소통을 진전시킨 공로자에게 수여하는 스티븐 호킹 메달을 최초 수상하기도 했다. 아무리 들어도 잘 이해할 수 없었던 물리학의 개념과 흐름에 대해 감을 잡고 싶다면 이 책을 펼쳐보자.

“물리학, 어디까지 와 있는가?”
가장 최신의 물리학을 한눈에 보기

지금 이 순간 가장 최신의 물리학이 어디까지 와 있는지 쉬운 언어로 알아보고 싶은 독자에게도 이 책은 무척 유용하다. 양자역학, 상대성이론 이후의 물리학이 어디까지 와 있는지에 관심 있는 과학 덕후들에게도 흥미진진할 것이다.
19세기가 저물 무렵 물리학은 완성된 듯 보였다. 뉴턴역학, 전자기학, 열역학을 발전시켜 모든 물체와 현상(포탄, 시계, 폭풍, 증기기관, 자석, 모터, 진자, 행성…)을 성공적으로 설명할 수 있는 것 같았다. 하지만 물리학자들이 물리학의 미시 구성성분인 원자와 분자로 관심을 돌리자, 기존 물리학으로는 설명할 수 없는 새로운 현상들이 발견되기 시작했다.

이것이 현대 물리학의 시작이자 이 책이 주목하는 부분이다. 저자는 단순히 물리학의 이론과 개념에 대해 설명하기보다 물리학 이론이 어떻게 발전해왔느냐에 집중한다. 양자역학의 개척자 에르빈 슈뢰딩거의 이야기부터 시작해 끈이론, 고리양자중력 등 양자이론에서 시작한 물리학계의 이야기를 펼쳐놓는다. 예컨대 소립자가 사실 숨겨진 차원에서 진동하는 작은 끈이라고 말하는 ‘끈이론’은 시공간 안 ‘물질’의 양자역학적 속성에서 시작한다. 고리양자중력은 시공간이 담은 물질보다 ‘시공간 자체’가 더 근본적 개념이라고 보는 데서 시작한 이론이다.

이렇게 기존의 이론을 발판 삼아 새로운 이론으로 뻗어나가는 과정을 통해 물리학자의 연구는 진보한다. 실험과 이론이 함께 발맞추어 나아가는 그 과정이 저자가 사랑하는 물리학의 핵심이라 할 수 있다. 이 책의 물리학 설명이 쉽게 와닿는다면 이렇게 과학적 진보의 흐름에 주목하는 저자의 시선 때문일 것이다. 이론의 심연을 파고들기보다는 이론의 전개를 따라가면서, 물리학이 발전하고 진보하는 원리를 알려주는 것이다.

과학과 지식에 대한 사랑에서 자연스럽게 스며 나오는
세상에 대한 개방적 자세

물리학자처럼 생각하고 검증하며 세상을 바라보는 방법을 이야기하는 이 책에서 가리키는 과학자적 태도의 핵심은, 바로 의심을 수용하는 개방성이다. 편견이나 고정관념에 지배당하지 않고, 새로운 실험이 나오면 기존 이론이 폐기될 수 있음을 가정하는 개방성의 학문이 과학이라는 것이다. 대중은 과학자들이 실험실에서 혼자 연구를 하거나 완벽한 공식만을 추구하여 현실과 유리된 일을 한다고 생각하지만, 과학, 특히 물리학은 실험과 이론이 협력해야만 진보하는 학문이며, 기존의 이론과 실험 위에서 새로운 이론이 발전할 수밖에 없으므로 어떤 학문보다도 공동체적 학문의 속성을 가지고 있다고 말한다.
과학적 방법론의 ‘동료심사’ 과정은 바로 이런 공동체로서의 내부수정 절차다. 과학자에게 비판적 평가는 당연한 절차다. 견고한 이론을 이뤄내고, 정직한 이론에 다가가기 위해 꾸준한 의심과 비판을 수용하는 과학자의 개방성은 저자가 ‘이 세계를 이해하는 데 다른 대안은 없다’고 자신 있게 말하게 하는 객관적 과학적 방법론의 본질이다.

저자가 말하는 ‘물리학자가 세계를 바라보는 방식’은 과학자들만이 아니라 이 세계를 살아가는 사람 모두에게 필요한 것이기도 하다. 자신이 믿는 것이 근본적으로 언제든 바뀔 수 있음을 염두에 두는 태도, 지식을 사랑하는 동시에 다른 의견에 개방성을 가지는 자세. 그럼으로써 세상의 진리에 다가가는 길을 찾을 수 있다는 점. 이 책이 말하는 물리학을 ‘사랑하지 않을 수 없는’ 이유일 것이다.

물리학의 눈으로 바라보는 세계는 몇 가지 법칙으로 깔끔하게 설명되는 명쾌함과 우리의 상식으로는 도저히 이해되지 않는 미지의 신비가 공존하는 세계다. 복잡한 미로를 헤매고 때로는 부침을 겪어도 마침내 다 같이 진리를 향해 나아가는 세계다. 누구나 물리학을 사랑하기는 쉽지 않겠지만, 누구나 물리학이 보여주는 세계에, 또 과학자들이 모여서 한 발 한 발 나아가는 모습에 감탄하게 될 것이다. 그리고 감탄은 사랑의 첫 번째 단계다. 어쩌면 이 책이 당신의 첫 번째 단계가 될 수 있을지도 모른다.
- 김겨울 (작가이자 유튜버)