[책 요약] 보이는 세상은 실재가 아니다 : 카를로 로벨리

 

보이는 세상은 실재가 아니다 (La realtà non è come ci appare)

1. 개요

《보이는 세상은 실재가 아니다》(원제: La realtà non è come ci appare - La struttura elementare delle cose)는 이탈리아의 이론물리학자 카를로 로벨리가 2014년에 출간한 대중 과학 서적이다. 이 책은 양자중력 이론을 중심으로 현대 물리학이 밝혀낸 우주의 근본적인 구조를 설명하고, 우리가 일상적으로 경험하는 시간과 공간에 대한 직관적인 이해를 뒤엎는 새로운 세계관을 제시한다. 난해한 이론 물리학의 개념들을 명료하고 시적인 문체로 풀어내어, 일반 독자들도 쉽게 이해할 수 있도록 돕는다.

한 줄 소개: 시간은 존재하지 않고 공간은 알갱이로 이루어져 있다. 우리가 보는 세상은 실재와 다르다.

 

2. 저자 소개

카를로 로벨리(Carlo Rovelli) (1956~)는 이탈리아의 이론물리학자이자 작가이다. 양자중력 이론의 한 분야인 루프 양자 중력(Loop Quantum Gravity, LQG) 이론의 선구자 중 한 명으로, 엑스마르세유 대학교 이론물리학센터 교수이자 프랑스 대학연구협회 회원으로 활동하고 있다.

로벨리는 1981년 볼로냐대학교에서 물리학 학사와 석사 학위를, 1986년 파도바대학교에서 박사 학위를 받았다. 이후 이탈리아, 미국, 프랑스 등 여러 대학과 연구소에서 연구 활동을 해왔다.

그는 과학적 업적뿐만 아니라, 대중과의 소통에도 힘쓰는 과학 저술가로도 유명하다. 대표 저서로는 《모든 순간의 물리학(Sette brevi lezioni di fisica)》, 《시간의 질서(L’ordine del tempo)》, 《보이는 세상은 실재가 아니다》 등이 있으며, 그의 저서들은 과학 서적으로는 이례적으로 전 세계에서 100만 부 이상 판매되는 베스트셀러가 되었다.

 

3. 책의 전체 흐름

이 책은 크게 네 부분으로 구성되어 있으며, 고대 그리스 철학에서 시작하여 현대 물리학의 최전선에 이르기까지, 우주에 대한 인간 이해의 여정을 따라간다.

1. 첫 번째 강의: 기원을 찾아서: 고대 그리스의 데모크리토스부터 시작하여 뉴턴, 맥스웰로 이어지는 고전 물리학의 발전 과정을 살펴본다.
   • 01 알갱이들: 데모크리토스의 원자론과 그 현대적 의의를 설명하며, 물질의 근본 구성 요소에 대한 탐구가 어떻게 시작되었는지 보여준다.
   • 02 고전들: 뉴턴 역학과 맥스웰의 전자기학이 어떻게 세계관을 변화시켰는지 논하며, 고전 물리학이 이룩한 성과와 한계를 제시한다.
2. 두 번째 강의: 혁명의 시작: 아인슈타인의 상대성이론과 보어의 양자역학이 가져온 20세기 물리학의 혁명을 다룬다.
   • 03 알베르트: 아인슈타인의 상대성이론이 시간과 공간 개념을 어떻게 바꾸었는지 설명하며, 시공간의 상대성과 중력의 본질에 대한 새로운 이해를 제시한다.
   • 04 양자들: 양자역학의 세 가지 핵심 원리(입자성, 비결정성, 관계성)를 소개하며, 미시 세계의 불확실성과 확률적 특성을 강조한다.
3. 세 번째 강의: 시간과 공간에 관하여: 양자중력 이론, 특히 루프 양자 중력 이론의 기본 개념과 그 의미를 설명한다.
   • 05 시공은 양자다: 일반상대성이론과 양자역학의 통합 필요성과 양자중력 이론의 등장을 다루며, 두 이론의 모순을 해결하기 위한 노력을 설명한다.
   • 06 공간의 양자: 공간의 입자적 구조, 즉 '공간의 원자'에 대한 루프 양자 중력 이론의 예측을 설명하며, 공간이 연속적이지 않다는 파격적인 주장을 제시한다.
   • 07 시간은 존재하지 않는다: 루프 양자 중력 이론에서 시간이 어떻게 사라지는지, 그리고 우리의 일상적인 시간 개념이 어떻게 나타나는지 설명하며, 시간에 대한 근본적인 재검토를 요구한다.
4. 네 번째 강의: 우리가 보는 세계 너머: 루프 양자 중력 이론의 예측과 그 검증 가능성, 그리고 아직 풀리지 않은 문제들을 다룬다.
   • 08 빅뱅을 넘어서: 루프 양자 중력 이론이 빅뱅 이전의 우주에 대해 무엇을 말해주는지 살펴보며, 우주의 기원에 대한 새로운 시각을 제시한다.
   • 09 확증 가능한 것: 이론의 예측과 실험적 증거를 비교하고, 앞으로의 연구 방향을 제시하며, 과학적 이론의 검증 가능성과 한계를 논한다.
   • 10 블랙홀의 열: 블랙홀의 열역학적 성질과 루프 양자 중력 이론의 설명을 소개하며, 블랙홀이 정보를 저장하고 방출하는 방식에 대한 새로운 이해를 제시한다.
   • 11 무한의 끝: 루프 양자 중력 이론이 어떻게 무한의 문제를 해결하는지 논하며, 물리학에서 무한 개념의 의미를 재검토한다.
   • 12 정보, 정의되지 않은 생각: 정보 개념이 물리학에서 갖는 중요성과 양자중력 이론과의 관계를 탐구하며, 정보가 세계를 이해하는 핵심 열쇠가 될 수 있음을 시사한다.
   • 13 신비: 과학적 지식의 한계와 우리가 아직 이해하지 못하는 것들에 대한 성찰을 제시하며, 겸손한 자세로 미지의 세계를 탐구해야 함을 강조한다.

4. 상세 요약

4.1. 1부: 기원을 찾아서

로벨리는 고대 그리스 철학자 데모크리토스의 원자론에서 시작하여 과학적 사고의 기원을 탐색한다. 데모크리토스는 만물이 더 이상 나눌 수 없는 원자와 빈 공간으로 이루어져 있다는 혁명적인 아이디어를 제시했다.[1] 이 아이디어는 오랫동안 잊혔지만, 뉴턴 역학과 맥스웰 전자기학을 통해 부활하며 근대 과학의 토대가 되었다. 뉴턴은 원자론적 세계관을 바탕으로 운동 법칙과 중력 법칙을 발견하여, 천체의 운동과 지상의 물체 운동을 통합적으로 설명하는 데 성공했다. 맥스웰은 전자기 현상을 파동으로 설명하는 전자기학을 완성하여, 빛의 본질을 밝히고 전자기파의 존재를 예측했다.

4.2. 2부: 혁명의 시작

20세기에 들어 아인슈타인의 상대성이론과 보어, 하이젠베르크, 디랙 등의 양자역학은 고전 물리학의 패러다임을 완전히 뒤바꾸는 혁명을 일으켰다. 아인슈타인의 상대성이론은 시간과 공간이 절대적인 것이 아니라 관찰자에 따라 상대적으로 변한다는 것을 밝혀냈다. 특히 일반상대성이론은 중력을 시공간의 굽음으로 설명하며, 뉴턴의 중력 이론을 대체했다. 양자역학은 물질과 에너지의 입자성, 비결정성, 관계성을 제시하며 고전 물리학의 결정론적 세계관을 뒤흔들었다. 양자역학에 따르면, 미시 세계의 입자들은 확률적으로 행동하며, 관찰되기 전까지는 확정된 상태를 가지지 않는다.

4.3. 3부: 시간과 공간에 관하여

일반상대성이론과 양자역학은 각각 거시 세계와 미시 세계를 성공적으로 설명하지만, 두 이론은 서로 모순되는 것처럼 보인다. 일반상대성이론은 시공간을 연속적이고 매끄러운 것으로 묘사하는 반면, 양자역학은 물질과 에너지가 불연속적인 양자(quantum)로 이루어져 있다고 주장한다. 이 두 이론을 통합하는 것은 현대 물리학의 가장 큰 난제 중 하나이며, 이를 해결하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 루프 양자 중력 이론은 이러한 시도 중 하나로, 양자역학과 일반상대성이론의 원리를 결합하여 중력을 양자화하려는 이론이다.
루프 양자 중력 이론은 공간과 시간이 양자화되어 있다는 파격적인 주장을 제시한다. 이 이론에 따르면, 공간은 더 이상 나눌 수 없는 '공간의 원자'로 이루어져 있으며, 이 원자들은 서로 연결되어 스핀 네트워크라는 네트워크를 형성한다. 시간은 이러한 공간의 양자들의 상호작용 속에서 나타나는 현상이며, 근본적인 물리 법칙에는 시간 변수가 존재하지 않는다. 시간은 우리가 미시적인 상태를 무시하고 거시적인 관점에서 세계를 바라볼 때 나타나는 '흐릿한' 효과일 뿐이다.

4.4. 4부: 우리가 보는 세계 너머

루프 양자 중력 이론은 빅뱅 이전의 우주, 블랙홀의 내부 구조, 무한의 문제 등에 대한 새로운 통찰을 제공한다. 이 이론에 따르면, 우주는 빅뱅 이전에 수축하는 단계를 거쳤을 수 있으며, 블랙홀 내부는 무한히 작은 점으로 붕괴하는 것이 아니라 양자 효과에 의해 유한한 크기를 유지한다. 또한, 루프 양자 중력 이론은 무한의 문제를 해결하고, 물리량을 유한하게 만든다.

루프 양자 중력 이론은 아직 실험적으로 완전히 검증되지 않았지만, 최근의 관측 결과들은 이 이론의 예측과 일치하는 경향을 보이고 있다. 예를 들어, 플랑크 위성의 관측 결과는 우주 배경 복사의 요동이 루프 양자 중력 이론의 예측과 일치함을 보여준다.

 

5. 핵심 개념 및 아이디어

• 원자론: 만물이 더 이상 나눌 수 없는 원자와 빈 공간으로 이루어져 있다는 고대 그리스 철학자 데모크리토스의 사상. 현대 물리학의 양자역학과 루프 양자 중력 이론은 원자론의 현대적 변형으로 볼 수 있다.
• 상대성이론: 아인슈타인이 제시한 이론으로, 시간과 공간이 절대적인 것이 아니라 관찰자에 따라 상대적으로 변한다는 것을 밝힘. 일반상대성이론은 중력을 시공간의 굽음으로 설명한다.
• 양자역학: 미시 세계의 현상을 설명하는 이론으로, 물질과 에너지의 입자성, 비결정성, 관계성을 핵심 원리로 한다.
  • 입자성: 물질과 에너지가 불연속적인 양자(quantum)로 이루어져 있다는 것.
  • 비결정성: 미시 세계의 입자들은 확률적으로 행동하며, 미래를 정확하게 예측할 수 없다는 것.
  • 관계성: 물리량은 다른 물리계와의 상호작용을 통해서만 의미를 갖는다는 것.
• 루프 양자 중력: 일반상대성이론과 양자역학을 통합하여 중력을 양자화하려는 시도 중 하나. 공간과 시간이 양자화되어 있으며, 더 이상 나눌 수 없는 최소 단위(공간의 원자)로 이루어져 있다고 주장한다.
• 스핀 네트워크: 루프 양자 중력 이론에서 공간의 양자 상태를 나타내는 수학적 도구. 노드(node)와 링크(link)로 구성된 그래프 형태로, 각 노드는 공간의 양자를 나타내고 링크는 양자들 사이의 연결 관계를 나타낸다. 노드는 부피를, 링크는 면적을 양자화하여 표현한다.
• 스핀 거품: 스핀 네트워크의 시간에 따른 변화를 나타내는 것으로, 루프 양자 중력 이론에서 시공간의 양자 상태를 기술하는 데 사용된다. 스핀 네트워크가 시간에 따라 변화하면서 면(face), 선(edge), 꼭짓점(vertex)으로 이루어진 4차원 구조를 형성한다.
• 열 시간: 시간이 근본적인 물리량이 아니라, 많은 미시적 변수들의 평균적인 행동에서 비롯되는 거시적인 현상이라는 아이디어. 시간의 흐름은 우리가 미시적인 상태를 알지 못하기 때문에 발생하는 '착각'일 수 있다.

 

6. 평가 및 반응

《보이는 세상은 실재가 아니다》는 출간 이후 과학계와 대중으로부터 큰 호평을 받았다. 복잡한 물리학 이론을 쉽고 명확하게 설명하면서도, 철학적이고 시적인 문체로 독자들을 사로잡았다는 평가를 받는다. 특히, 추상적인 개념들을 설명하기 위해 일상생활의 비유와 은유를 적절하게 활용하고, 독자들에게 끊임없이 질문을 던지며 생각할 거리를 제공한다는 점이 돋보인다.

• "카를로 로벨리는 물리학의 시인이다." - The Guardian
• "이 책은 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 잠재력을 가지고 있다." - The New York Times
• "가장 복잡한 과학적 아이디어를 이토록 아름답고 명료하게 설명할 수 있다는 것은 놀라운 재능이다." - The Wall Street Journal

일부 비평가들은 이 책이 루프 양자 중력 이론에 편향되어 있으며, 다른 양자중력 이론(예: 끈 이론)에 대한 충분한 설명을 제공하지 않는다고 지적하기도 한다. 그러나 대부분의 독자들은 이 책이 현대 물리학의 최전선에서 벌어지고 있는 지적 탐험을 생생하게 보여주는 흥미로운 책이라고 평가한다.

 

7. 여담 및 트리비아

• 카를로 로벨리는 젊은 시절 히피 문화에 심취했으며, 반전 운동과 학생 운동에 적극적으로 참여했다. 그는 기성 권위에 대한 비판적인 시각을 유지하며, 과학적 진리를 탐구하는 데 있어서도 끊임없이 의문을 제기하는 자세를 강조한다.
• 로벨리는 1970년대 이탈리아의 극좌파 정치 운동에 참여했다가 체포된 적이 있다. 이러한 경험은 그의 세계관과 과학 철학에 큰 영향을 미쳤다.
• 로벨리는 과학자이자 철학자이며, 예술과 문학에도 깊은 조예를 가지고 있다. 그의 저서에는 과학적 내용뿐만 아니라, 철학, 역사, 문학, 예술에 대한 다양한 언급이 포함되어 있어, 독자들에게 풍부한 지적 자극을 제공한다.

 

8. 관련 문서

• 카를로 로벨리
• 루프 양자 중력
• 일반상대성이론
• 양자역학
• 모든 순간의 물리학
• 시간의 질서

 

9. 각주

[1] 데모크리토스, 《단편》(DK 68 B 125)
[2] 르메트르는, "단일 양자가 시공간을 폭발시켜 세상을 만들어 내기 전에는, 시작이란 것이 있을 수 없었다."고 서술.