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현대 과학의 가장 먼 곳까지 떠나는
경이로운 미지로의 여정!

이 책은 양자물리학과 우주론, 지각과 인식, 신경과학 등 첨단과학의 경계를 탐험하면서 현재 상황에 대한 자신의 의견과 각 분야 전문가들의 의견을 일목요연하게 정리해놓았다. 저자는 현재 알려진 과학적 지식의 한계점까지 나아가 ‘답을 알 수 없는 질문’과 그로부터 파생된 온갖 다양한 모순을 파헤친다. 세계는 예측가능한가, 우주는 무한한가, 빅뱅 이전의 시간을 알 수 있는가, 물질을 이루는 궁극의 구성성분은 무엇인가, 양자세계의 한계는 무엇인가 등 물리적 우주에서 우리가 알아낼 수 있는 지식에는 한계가 없는지, 현대과학의 극단지점으로 우리를 인도한다. 그곳에는 과연 ‘절대로 알 수 없는 것들’이 널려있을까?

우주는 무한한가?
빅뱅 이전에는 무슨 일이 있었는가?
인간의 의식은 뇌의 어느 곳에 자리 잡고 있는가?
인간의 이해를 넘는 과학지식의 극한 탐험

과학은 오랜 시간 세상 만물의 수많은 비밀을 우리 앞에 드러내주었다. 인간에게 있어 이성과 논리, 추론과 증명, 관찰과 실험은 영원히 침묵할 것 같은 생명과 우주의 미스터리를 푸는 가장 강력한 무기이자 믿음직한 도구였다. 그 어느 때보다 우리는 우주를 포함한 이 세계와 스스로에 대해 더 많이 알고 있다. 하지만 더 많이 알아낼수록 크고 본질적인 질문들이 우리에게 답을 요구하는 것처럼 보인다. 빅뱅 이전에는 무슨 일이 있었는지, 우주는 무한한 공간인지, 인간의 의식은 뇌의 어느 곳에 자리 잡고 있는지 등 현대과학이 가장 가까이 다가간 지금, 미지의 영역은 과연 언제까지 그 비밀의 문을 굳건하게 지킬 수 있을까?
《우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해》는 우주와 자연의 미지를 개척한 과학자들의 생각과 발견을 조사하고, 우리가 알아낼 수 있는 지식에는 과연 한계가 없는지 탐구하는 책이다. 저자 마르쿠스 뒤 소토이는 리처드 도킨스를 이어 옥스퍼드 대학의 과학 대중화 사업을 이끌고 있는 책임자다. 그에 걸맞게, 답하기 힘든 현대과학의 경계를 7장에 걸쳐 유쾌하면서도 명확하게 풀어낸다.
첫 번째 경계에서는 혼돈(CAOS)이론을 바탕으로 미래를 예측하는 일의 한계를 탐구하고, 다음 경계에서는 물질의 구조에 대해 파고든다. 더 이상 쪼갤 수 없는 최소의 단위까지 점검한 후 다음 장부터는 양자역학의 반직관적인 측면과 빅뱅과 블랙홀, 시간의 상대성에 대한 논의가 차례대로 이루어진다. 여섯 번째 경계는 의식의 기원을 탐구하는 장으로, 저자는 인간 존재의 자기 인식에 의문을 표한다. 끝으로 ‘무한대’를 다루는 수학자들의 이론을 통해 과학의 한계를 바라보는 또 다른 관점을 제시한다.
현대 과학은 과연 우주의 창조와 그 크기의 한계에 대해 어떤 답을 갖고 있을까? 그리고 종교와 신은 현재까지 과학이 답하지 못하는 영역에 올바른 답안이 될 수 있을까? 저자의 책상 위에 놓인 주사위로부터 시작해, 혼돈, 물질과 우주, 공간, 시간, 무한대, 의식에 이르는 미지의 여정을 따라가다 보면 적어도 지식의 한계를 넘어서려는 인류의 의지가 결국에는 우리가 절대 알 수 없는 것이라고 여겼던 질문에도 꽤 타당한 답을 줄 것이라는 희망을 안게 될 것이다.

과학, 철학, 신학을 넘나드는
흥미로운 글쓰기

과학의 경계에서 일어나는 다양한 추측과 논증을 일반 독자가 이해하기는 사실 쉽지 않다. 하지만 이 책의 저자는 어렵고 복잡한 개념을 최대한 쉽게 설명한 뒤 본질적인 질문에 대한 탐구를 진전시킨다. 예를 들어 첫 장에서는 주사위 눈금을 맞추는 도박 이야기에서 흥미를 돋우고, 간단한 확률 수학을 거쳐 카오스, 그리고 고전역학과 결정론적 우주관까지 나아가며 우리는 ‘미래를 예측할 수 있는가’에 대한 커다란 물음에 답하는 형식을 취한다.
또한, 수학자로서의 자신의 경험과 지식을 십분 활용할 뿐 아니라, 각 방면의 석학을 찾아가 진행한 인터뷰의 내용을 추가해 경계 너머의 세계에 대한 논의에 생명력을 불어넣는다. 특히 세 번째 경계에서 쿼크의 존재를 입증하는데 기여한 물리학자이자 신학자인 존 폴킹혼과의 인터뷰는 과학과 신학의 미묘한 줄다리기를 느낄 수 있어 더욱 흥미롭다. 폴킹혼은 “우리가 알 수 없는 소수점 이하 자리에서 전능한 신이 개입하고 있다.”고 주장한다. 반면 수학자인 저자는 신이 개입할 수 있는 자연의 빈틈이 있더라도 과학과 수학으로 최대한 그 틈을 메울 수 있다고 생각한다.
현대 과학의 일곱 가지 경계를 돌고 나서 저자는 다음과 같이 말한다. “우리는 주사위를 손에 쥐고 흔들 때마다 미래의 불확정성을 있는 그대로 수용해야 한다. 손을 떠난 주사위가 어느 곳에 어떤 눈금으로 안착할지 알 수 없지만, 바로 이런 이유 때문에 우리는 주사위를 끝까지 바라볼 수 있는 것이다.” 우리는 마침내 모든 것을 알게 될까? 아니면, 인간의 이해를 넘어선 무언가가 항상 존재할 것인가? 이 책에서 그 해답을 찾아보자.

마틴 리스(영국 왕실천문학자, 《온 더 퓨처》 저자)
이토록 심오한 주제를 쉽고 명확하게 풀어쓴 저자의 능력에 감탄할 뿐이다. 존경스러우면서 한편으로는 부럽기도 하다. 역시 독자들이 그의 책에 열광하는 데에는 그럴만한 이유가 있었다.

리처드 홈스(영국 왕립학회 회원, 《경이의 시대》 저자)
책을 덮는 지금, 한바탕 경이로운 여행을 하고 온 기분이다. 과학적 지식의 극한영역을 정신없이 돌아다니면서 진정한 스릴을 만끽했다. 여기서 얻은 교훈은 무엇과도 바꾸지 않을 것이다. 다 읽고 나면 나 자신을 돌아보게 된다. 마음에 꼭 드는 책!

빌 브라이슨(저술가, 《거의 모든 것의 역사》 저자)
더할 나위 없이 훌륭하고 환상적이다. 어려운 주제를 이토록 쉽고 재미있게 풀어쓴 책은 두 번 다시 찾기 힘들 것이다.

지식의 0번째 경계 알려진 미지[未知]

지식의 첫 번째 경계 카지노 주사위

지식의 두 번째 경계 첼로

지식의 세 번째 경계 우라늄 한 덩어리

지식의 네 번째 경계 잘라낸 우주

지식의 다섯 번째 경계 손목시계

지식의 여섯 번째 경계 챗봇 앱

지식의 일곱 번째 경계 크리스마스 폭죽

감사의 글
그림 출처
참고 문헌
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지난 세기에 수많은 과학적 발견이 이루어졌지만 우주에는 아직도 수많은 미스터리가 남아 있다. 지난 수천 년 동안 인간이 쌓아온 지식의 양은 실로 방대하지만 아직도 ‘아는 것’의 목록보다 ‘모르는 것’의 목록이 훨씬 길고 그 목록의 증가 속도도 훨씬 빠르다. 그렇다고 실망할 필요는 없다. ‘모르는 것’이야말로 과학을 견인하는 원동력이기 때문이다. 과학자들은 이미 알려진 내용을 설명할 때보다 이해할 수 없는 대상을 연구할 때 훨씬 강한 흥미를 느낀다. 과학이 살아서 숨을 쉴 수 있는 것은 대
답할 수 없는 질문이 존재하기 때문이다
_지식의 0번째 경계. 알려진 미지(味知)(19쪽)

초기 조건의 미세한 변화에 민감한 계는 앞에서 내가 주사위의 미래를 예측하기 위해 나열했던 방정식을 무용지물로 만든다. 방정식은 분명히 주어져 있다. 그러나 주사위가 손을 떠나는 순간, 위치와 선속도, 진행 방향, 회전각 속도, 탁자와 주사위의 거리를 정확하게 측정할 수 있을까?
물론 희망이 아예 없는 것은 아니다. 직사각형 당구대 위를 굴러가는 공처럼 초기 조건의 작은 변화가 결과에 큰 영향을 주지 않는 경우도 있다. 중요한 것은 ‘더 이상 알 수 없는 시점’을 알아내는 것이다. 계의 미래를 더는 예측할 수 없는 시점을 간파하여 성공을 거둔 대표적 사례로는 수학자 로버트 메이(Robert May)의 인구 증가 방정식을 들 수 있다.
_지식의 첫 번째 경계. 카지노 주사위(75쪽)

전자와 쿼크가 하나의 점에 집중되어 있다 해도 점을 잡아 늘여서 두 개의 점으로 분리할 수도 있다. 또는 우리가 모르는 ‘숨은 차원’이 존재할지도 모른다. 이것이 바로 1980년대 중반에 등장한 ‘끈 이론(string theory)’의 주제이다. 끈 이론에 따르면 전자와 쿼크는 점이 아니라 특정한 진동수(frequency)
로 진동하는 가느다란 1차원 끈이며, 끈의 진동 패턴에 따라 다양한 입자로 나타난다. 수천 년 동안 우여곡절을 겪은 끝에 결국 피타고라스의 우주 모형으로 되돌아간 듯한 느낌이다. 한동안 트럼펫이 우세한 듯싶더니 이번에는 진동하는 끈 즉 첼로가 뜨고 있다
_지식의 두 번째 경계. 첼로(179쪽)

양자 물리학은 이토록 기이한 원리에 기초하고 있다. 입자는 ‘확률 파동’이라는 수학적 객체로 존재하다가 관측이 행해지는 순간에 실체로 둔갑한다. 간단히 말해서, 관측 행위가 실체를 만들어내는 것이다. 전자가 감지판에 도달하여 자신의 위치를 드러내지 않는 한, 전자는 공간에 퍼져 있는 확률 분포로 간주되어야 하며, 이 분포는 파동적 특성을 갖는 함수로 표현된다. 그리고 감지판에 전자가 단 하나도 도달하지 않는 ‘금지 영역’이 존재하는 이유는 수학적 파동 함수가 두 개의 슬릿과 상호 작용을 교환하면서 그렇게 되도록 영향을 받았기 때문이다. 그러나 일단 입자가 감지판에 도달하면(관측되면) 확률 파동이 붕괴되면서 하나의 위치가 결정된다. 마치 탁자 위를 구르던 주사위가 한 자리에 멈추면서 눈금이 결정되는 것과 같다.
_지식의 세 번째 경계. 우라늄 한 덩어리(208쪽)

지금처럼 다양한 생명체가 존재하는 이유는 다윈의 진화론으로 충분히 설명 가능하다. 생명체의 종류가 많아진 것은 진화의 필연적 결과이며, 여기에 창조주가 끼어들 여지는 없다. 그러나 우주에 존재하는 20여종의 상수(전자의 질량, 중력 상수, 빛의 속도, 양성자의 전하, 플랑크 상수 등)가 지금과 같은 값으로 세팅된 이유만은 설명할 길이 없었다. 이들의 값이 지금과 달랐다면 생명체는 탄생하지 못했을 것이다. 생명체가 번성하게 된 생물학적 이유는 알아냈는데, 그런 환경이 조성된 물리적 이유는 여전히 오리무중이었다.
_지식의 네 번째 경계. 잘라낸 우주(317쪽)

우리는 기체 분자로 가득 찬 방의 미시적 상태를 완벽하게 알 수 없다. 우리가 알 수 있는 것은 거시적 상태뿐이며, 하나의 거시적 상태에는 수많은 미시적 상태가 대응된다. 지식이 불완전하기 때문에 통계적 상황밖에 고려할 수 없는 것이다. 로벨리와 콘은 이 불완전한 지식이 우리의 시간 감각과 관련된 ‘흐름’을 낳는다는 것을 수학적으로 증명했다. 알 수 없는 미시계를 거시적 관점에서 고려할 때 시간이 개입되고, 여기서 더 깊이 파고들어 가면 시간은 사라진다. 통에 담긴 물을 거시적 규모에서 보면 ‘수면’이 존재하지만, 원자 규모로 들어가면 수면이라는 말 자체가 무의미해지는 것과 비슷하다. 하나의 원자에 대해서는 온도를 논할 수 없고 축축한 물 분자가 존재하지 않는 것처럼, 온도 역시 기본적인 개념이 아니라 겉보기 현상에 불과하다.
_지식의 다섯 번째 경계. 손목시계(416쪽)

“컴퓨터를 이용하여 블랙홀의 거동을 완벽하게 시뮬레이션했다면, 스크린에는 주변 물체를 맹렬하게 잡아당기는 장관이 연출될 겁니다. 하지만 컴퓨터가 자기 주변에 있는 책상이나 의자를 진짜로 잡아당기는 건 아니지 않습니까? 시뮬레이션이 제아무리 그럴듯해도 컴퓨터 주변의 시공간은 휘어지지 않습니다. 의식의 시뮬레이션도 이와 비슷합니다. 당신은 컴퓨터로 의식을 거의 완벽하게 흉내 낼 수 있지만 컴퓨터 자신은 아무것도 경험하지 못합니다. 이것이 바로 시뮬레이션과 에뮬레이션(emulation)의 차이입니다. 의식은 실제 일어나는 물리적 현상으로 인과율에 입각하여 생성되는 것입니다.”
_지식의 여섯 번째 경계. 챗봇 앱(487쪽)

수학은 주사위에 대해서 마술 같은 결과를 낳는다. 확률이란 무엇인가? 주사위를 600번 던진다면 눈금 6이 100번쯤 나올 것이다. 그러나 내게 필요한 것은 확률이 아니다. 나는 주사위를 한 번 던졌을 때 어떤 눈금이 나오는지 알고 싶다. 그런데 혼돈 이론의 방정식에 따르면 초기 상태의 미세한 변화가 결과에 큰 영향을 미치기 때문에, 계의 미래(또는 과거)를 예측하려면 현재 상태를 완벽하게 알고 있어야 한다. 그러나 양자 역학의 불확정성 원리에 따르면 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알 수 없으므로 계의 미래(또는 과거)를 예측하는 데에는 분명한 한계가 있다.
_지식의 일곱 번째 경계. 크리스마스 폭죽(561쪽)