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“오늘날 과학계가 주목하는 새로운 우주론!”
네모난 화면 속에 펼쳐지는 경이로운 시뮬레이션의 세계

우주 시뮬레이션을 다룬 과학 교양서 《상자 속 우주》는 우주를 대상으로 한 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 최초로 소개한다. 우리가 흔히 알고 있듯 시뮬레이션은 가상의 세계를 구현하는 기술이다. 존재가 느껴지지 않는 요소들이 우주의 운명을 좌우하고 있는 가운데 볼 수도 만질 수도 없는 우주를 연구하는 학문으로서, 이론과 실험 사이의 간극을 메우기 위해 등장한 새로운 물리학이 바로 컴퓨터를 이용한 ‘우주론 시뮬레이션’이다. 컴퓨터 안에 초소형 우주를 만들고 일련의 법칙을 부여한 뒤 실행 버튼을 누르면 작고 네모난 화면 속 우주실험실이 열리고, 그 순간 우주의 비밀이 눈앞에 펼쳐진다.
언뜻 이렇게 생각할 수도 있다. “작은 입자의 거동은 양자역학으로 서술되고, 커다란 천체의 움직임은 뉴턴과 아인슈타인이 이론을 제시했으니, 우주 시뮬레이션은 그저 기존의 이론을 확인하는 작업 아닌가?” 유니버시티칼리지런던 우주론학과 교수이자 시뮬레이션 전문가인 앤드루 폰첸은 우주 시뮬레이션이 이론이 나아갈 길을 인도하는 가이드이자 “물리학의 범주를 넘어 계산과 과학, 인간의 창의력이 혼합된 과학계의 종합예술”이라고 강조한다. 컴퓨터의 한계를 극복하고, 개별 요소들을 최대한 간결하게 정의하고, 미처 고려하지 못한 세부 사항을 반영하여 최선의 결과를 얻어내는 것, 그 끝에는 우주에 대한 선견지명이 기다리고 있다.
이 책은 다소 생소한 우주 시뮬레이션의 원리와 의미를 명확히 짚고, 우주의 미스터리를 푸는 데 실제로 시뮬레이션이 어떤 식으로 활용되고 있는지를 구체적으로 안내하는 대중과학서다. 출간과 동시에 천문학자 마틴 리스, 양자물리학자 짐 알칼릴리, 수학자 해나 프라이 등 다양한 분야의 전문가의 기대를 한 몸에 받았고, ‘파이낸셜타임스 2023 최고의 책’으로 꼽히는 등 저명함을 인정받았으며, 타임, 뉴사이언티스트, 월스트리트저널, 퍼블리셔스 위클리 등 유수의 언론이 찬사를 아끼지 않았다. 짐 알칼릴리의 말처럼, “컴퓨터가 실험실이 되어버린 시대”, 양자컴퓨터에 대한 기대를 비롯해 기술의 발전이 최고조를 향해 가고 있는 지금, 우리 사회에 이 책이 필요한 이유다.

★★ 물리학자 김범준, 한국천문연구원 신지혜 추천! ★★
“이 책을 읽는 순간, 우주에서 펼쳐지는 마라톤에 함께하고 싶은 마음이 들 것이다.”

가상의 우주 조각가 앤드루 폰첸이 밝혀낸
우주 시뮬레이션 연구의 무한한 잠재력

우주 시뮬레이션을 이해하기 위해서는 먼저 시뮬레이션이 무엇인지부터 정확히 알아야 한다. 시뮬레이션은 “특정 현상이나 사건을 컴퓨터로 모형화하여 가상으로 수행함으로써, 실제 상황에서 나타나는 결과를 예측하는 기술”이다. 비행 시뮬레이션, 대기 시뮬레이션인 일기예보, 컴퓨터 게임, 특수효과, 재무계획 등 시뮬레이션은 우리 일상과 밀접하게 관련돼 있다. 그중 우주를 대상으로 하는 시뮬레이션 연구가 바로 이 책의 저자 앤드루 폰첸이 하는 일이다. 개미 한 마리와 개미 떼의 차이를 생각하면 쉽다. 개미는 혼자 할 수 있는 일이 없어 보이는 연약한 존재이지만, 떼로 모이면 울퉁불퉁한 길을 평탄하게 만들고 커다란 다리를 놓고 먹이를 찾아내는 등 놀라운 집단행동을 보여준다. 우주도 이와 비슷하다. 개개의 입자가 거동하는 방식은 기존의 물리학 이론으로 설명 가능하지만, 이들이 모여서 기체와 먼지 구름이 되고, 다시 별과 은하가 되는 과정까지 명확하게 설명하기는 어렵다. 오늘날 우리가 “수십억 년 전 기체 구름이 자체 중력으로 뭉쳐서 별이 되었다”는 사실을 알고 있는 것은 정교한 시뮬레이션을 통해 증명된 결과다. 우주 시뮬레이션 연구의 목적은 우주의 심오한 섭리를 찾는 것이 아니라 우주 속 입자, 별, 가스구름 등 물질의 집단적 원리와 관계를 이해하는 것이다. 천체물리학자들이 지난 50년 동안 끈질기게 파고든 끝에 알아낸 우주 시뮬레이션 연구의 지름길을 제시하는 동시에 그 한계까지 명확하게 파악하고 있는 이 책은 우주 시뮬레이션 분야의 교과서로 자리매김할 것이다.
1장은 시뮬레이션에 대한 이해를 돕기 위해 실생활과 밀접하게 관련된 일기예보에서부터 이야기를 시작한다. 2장에서 5장은 우주의 평생 풀리지 않는 숙제인 암흑물질과 암흑에너지, 블랙홀, 은하, 양자역학을 다루며 우주의 기원을 파헤치는 데 활용되는 시뮬레이션의 역할을 들여다본다. 6장에서는 우주론을 비롯한 다양한 분야에서 중요한 연구 수단으로 자리잡고 있는 인공지능과 머신러닝 등 시뮬레이션과 직결되어 있는 기술 발전의 미래를 내다본다. 7장에서는 시뮬레이션 가설, 즉 우리가 살고 있는 세계가 시뮬레이션 속 세상인가에 대한 논쟁을 소개하며 글을 마무리한다.

암흑물질에서 양자역학까지, 광활한 우주를 여행하는 컴퓨터 속 우주실험실

19세기 미국의 기상학자 클리블랜드 애비, 스코틀랜드의 물리학자 루이스 프라이 리처드슨과 도러시는 컴퓨터가 아직 없던 시절부터 시뮬레이션의 중요성을 깨닫고 ‘초기조건’과 ‘규칙’의 중요성을 강조하는 일련의 계산법을 제시했다. 컴퓨터가 등장한 이후 이때의 이론을 기초로 오늘날과 같은 시뮬레이션이 가능해지기까지 최초의 컴퓨터 개발자인 찰스 배비지, 세계 최초의 컴퓨터 프로그래머 에이다 러브레이스, 일기예보의 중요성을 누구보다 강조했던 수학자 존 폰 노이만, 오늘날 우리가 사용하는 코딩을 처음 만든 그레이스 호퍼 등 많은 과학자의 노력이 있었다. 이 책이 흥미로운 또 한 가지 이유는 과학사를 인물 중심으로 전개하고 있다는 점인데, 특히나 과학계에서 주목받지 못했던 여성 과학자들의 업적을 상세히 다루고 있다는 점에서 더욱 흥미롭다.
이렇듯 19세기 후반 일기예보에서 시작된 시뮬레이션은 컴퓨터 기술의 발전에 힘입어 천문학적 규모를 다루는 수준까지 나아갔고, 그 대상은 우주로 확대된다. 2장에서 5장에서는 우주 연구의 핵심 요소인 암흑물질, 암흑에너지, 은하, 블랙홀, 양자역학 등을 탐구하는 데 많은 부분을 할애하고 있다. 특히 그간의 암흑물질, 암흑에너지, 은하, 블랙홀, 양자역학에 대해 과학자들이 이뤄낸 연구 성과를 세세하게 다루는 동시에, 시뮬레이션 연구를 통해 알게 된 결과들을 구체적으로 제시한다. 그중에서도 암흑물질과 암흑에너지는 우주론 연구에서 빼놓지 않고 등장하는 주제다. 1980~1990년대 천문학자들이 관측데이터로부터 암흑물질과 암흑에너지의 존재를 입증할 때 가장 큰 공을 세운 것은 단연 시뮬레이션이었고, 컴퓨터로 작동되는 천체망원경을 이용하여 우주의 구성성분을 체계적으로 분류하기 시작한 것도 이 무렵의 일이다. 역사 속 해왕성의 발견, 뉴트리노의 발견과 더불어 그 존재가 이론적으로 예견된 지 반세기도 더 지난 2012년 유럽원자핵공동연구소(CERN)에서 발견된 힉스 보손은 사전에 충돌 시뮬레이션이 실행되었기에 그 정체를 알아낼 수 있었다. 힉스 입자의 발견이 남긴 위대한 발자취처럼, 언젠가 암흑물질과 암흑에너지 또한 정체가 밝혀진다면 그때 마주하게 될 시뮬레이션의 성과를 기대해도 좋다.

우주론이 나아갈 미래를 묻다
: 이론과 실험을 연결하는 다리로서의 시뮬레이션

마지막 장에서 저자는 흥미로운 가설을 하나 소개한다. “우리가 살고 있는 세상 자체가 거대한 시뮬레이션이라면?” 영화 〈매트릭스〉가 보여주는 것처럼, 컴퓨터가 세간의 관심사로 떠오르기 시작한 1950년대부터 현실이 시뮬레이션이라는 설정은 공상과학영화와 책의 단골 소재로 자리잡았다. 하지만 시뮬레이션 가설에 관심이 많은 것은 단지 공상과학 작가들만이 아니다. 양자물리학자 세스 로이드, 물리학자 브라이언 그린, 진화생물학자 리처드 도킨스, 천문학자 닐 타이슨 등 권위 있는 과학자들도 시뮬레이션 가설을 진지하게 받아들이고 있다. 저자는 디지털컴퓨터와 양자컴퓨터의 한계 등의 현실적인 이유를 들어 시뮬레이션 가설을 부정적으로 바라보며 가설이 틀린 이유를 구체적으로 증명하지만, 미래의 과학을 내다보는 관점에서 한 번쯤 생각해볼 만한 문제다.
앤드루 폰첸 역시 책 전반에 걸쳐 강조하듯, 시뮬레이션에는 분명한 한계가 있다. 오늘날 이론물리학이 풀지 못한 난제를 시뮬레이션으로 모두 해결할 수는 없다. 하지만 직접 계산할 수 없고 실험도 어려운 천문학적 현상을 단시간에 실행하여 답을 줄 수 있다면, 그 자체만으로도 시뮬레이션은 “이론과 실험을 연결하는 가교”로서 몫을 다하는 셈이다. 시뮬레이션의 진정한 성취는 시뮬레이션에 코딩된 단순한 규칙으로부터 복잡다단한 현상이 나타나는 과정을 이해하는 것이다. 저자는 시뮬레이션 연구의 진정한 의의를 “다양한 과학적 아이디어를 하나로 연결하여 결과물을 만들어낸 사람들 사이의 협력”이라고 말한다. 우주 시뮬레이션 연구는 이제 막 태어난 아기에 빗댈 수 있을 만큼 가능성이 무한한 학문이다. 첨단기술의 발전과 더불어, 새로운 우주론의 시대를 열 시뮬레이션 연구는 아직 밝혀내지 못한 우주의 비밀을 알아내는 데 중요한 역할을 할 것이다.

퍼블리셔스 위클리
앤드루 폰첸은 양자물리학을 포함해 과학의 어려운 개념들을 친숙한 용어로 소개하는 데 뛰어나다. 천문학의 최첨단에 서서 우주를 바라보는 시선은 그 어떤 것보다 매혹적이다.

커커스 리뷰
우리가 사는 세상을 둘러싼 시뮬레이션의 놀라운 잠재력을 증명한다. 시뮬레이션에 대한 톡톡 튀는 분석이자 우주론의 새로운 시대를 안내할 어마어마한 연구다.

월스트리트저널
우주론의 최전선에서 나온 통쾌하고 솔직한 보고서.

해나 프라이(수학자·과학 작가)
새로운 관점에서 바라본 우주와 그 안에 존재하는 만물, 그리고 우주의 수수께끼를 풀기 위해 사투를 벌여온 인간의 역사가 한 편의 드라마처럼 흥미진진하게 펼쳐진다.

마틴 리스(영국 왕립천문학자)
우리가 우주의 기원을 더욱 깊이 이해하게 된 것은 뛰어난 망원경과 컴퓨터 덕분이었다. 앤드루 폰첸은 과학자들이 협력해 우주를 시뮬레이션하는 과정을 경험자의 목소리로 생생하게 들려준다. 명쾌함과 재미로 가득 찬 이 책은 분명 독자들의 사랑을 받을 것이다.

짐 알칼릴리(양자물리학자)
망원경과 현미경은 잊어라. 폰첸의 연구실은 컴퓨터 안에 있다. 놀랍게도 이 조그만 기계가 과학의 가장 강력한 도구로 떠오르는 중이다.

신지혜(한국천문연구원 은하진화그룹 선임연구원)
아뿔싸, 한발 늦었다. 우주 시뮬레이션의 원리와 묘미에 대한 책을 써보려 했는데…… 내가 구상했던 것보다 방대한 데다 쉽고 체계적이기까지 하다. 특히 우주에 대한 비약적인 이해가 이루어지는 과정을 인물 중심으로 서술한 점이 흥미롭다. 마치 우주를 향한 마라톤에 열정 가득한 학자들이 이어달리기를 하고 있는 듯하다. 첨단 과학 기술과 이인삼각을 한 채. 장애물이 앞을 가로막을 때마다 돌파구를 찾아 바통을 넘겨받은 인물들이 여성 학자라는 사실은 카타르시스를 준다. 컴퓨터 속 우주는 온전히 헤아릴 수 없는 우주의 섭리를 조금이나마 엿볼 수 있게 해준다. 이 책을 읽는 순간, 우주에서 펼쳐지는 마라톤에 함께하고 싶은 마음이 들 것이다.

김범준(성균관대 물리학과 교수)
저자는 우주의 진화를 시뮬레이션으로 구현해 광막한 우주에서 중요한 것들을 컴퓨터에 담는다. 암흑물질과 암흑에너지, 블랙홀과 별의 일생이 모두 담겨 있다. 프로그램을 실행하면 우주의 거대 구조가 화면 위에 펼쳐진다. 오래도록 이어진 과학자들의 노력과 긴밀한 협력이 빛을 발하는 순간이다. 요즘 주목받는 양자컴퓨터와 인공지능에 대한 설명도, 우리가 과연 미래 인류의 시뮬레이션 속에 살고 있는 존재인가에 대한 탐구도 흥미롭다. 우주 시뮬레이션에 크게 기여한 여성 과학자들을 만나는 시간도 이 책이 주는 즐거움이다. 자연이 우주를 조각한 방식을 이해하고자 하는 모든 이에게 이 멋진 과학책을 추천한다.

서문
1장 날씨와 기후
2장 암흑물질과 암흑에너지, 그리고 코스믹 웹
3장 은하와 서브 그리드
4장 블랙홀
5장 양자역학과 우주의 기원
6장 사고 시뮬레이션
7장 시뮬레이션과 과학, 그리고 현실
감사의 글 | 옮긴이의 말 | 주 | 찾아보기

우주를 컴퓨터에 담으려면 일단 대담해져야 한다. 사실 이 작업은 태생적으로 어려울 수밖에 없다. 무수히 많은 미시적 요인이 복잡다단하게 연결되어 전체적인 결과를 낳는 과정을 이해하기란 결코 쉬운 일이 아니다. 지극히 사소한 변수 하나라도 잘못 입력되면 완전히 틀린 결과가 도출되기 십상이다. 시뮬레이션의 핵심은 개별적 요소들을 최대한 정확하게 정의하고, 정보 부족으로 인한 부작용을 최소화하는 쪽으로 프로그램을 설계하는 것이다. (13쪽)

우리가 아는 한, 우주에는 경계라는 것이 없다. 사람들은 흔히 팽창하는 우주를 상상할 때 “점점 커지는 비눗방울”을 떠올리곤 하는데, 사실 이것은 적절한 비유가 아니다. 우리 눈에 보이는 우주는 은하로 이루어진 코스믹 웹으로 이미 가득 차 있는데도 은하들 사이의 거리는 점점 멀어지고 있다. 이런 상황은 머릿속에 그리기가 결코 쉽지 않으며, 우주를 시뮬레이션할 때마다 항상 부딪히는 문제이기도 하다. 경계가 없는 우주를 어떻게 유한한 컴퓨터로 재현한다는 말인가? (99쪽)

시뮬레이션의 속사정을 알고 난 후 커다란 실망감이 몰려왔다. 천체물리학자들이 원하는 시뮬레이션을 실행하기에는 컴퓨터의 성능이 너무 떨어졌기 때문이다. 달랑 은하 한 개를 시뮬레이션할 때도 기본 물리법칙을 최대한 단순화하지 않으면 컴퓨터가 먹통이 될 지경이었다. 특히 별의 일생을 시뮬레이션하려면 핵심 원리를 안타까울 정도로 느슨하게 풀어놓아야 한다. (114쪽)

실제로 양자적 현상은 우주 전체의 형태를 결정하고 의미를 부여한다. 현대 우주론에 의하면 우주의 모든 것(코스믹 웹, 암흑물질 헤일로, 은하, 블랙홀, 행성, 생명체, 그리고 당신과 나)은 태초의 양자적 불확정성 덕분에 존재하게 되었다. 우리 눈에 견고하게 보이는 현실은 모든 규모에서 은밀하고 모호하게 존재하는 우주의 한 측면일 뿐이다. 이것은 물리학 퍼즐에 남은 마지막 한 조각으로, 어떻게든 시뮬레이션에 반영되어야 한다. (184~185쪽)

시뮬레이션의 진정한 목적은 과학 지식과 통찰, 그리고 과학자들 사이의 협력을 체계적으로 통합하는 것이다. 시뮬레이션을 만들고 실행하여 관측데이터와 비교하려면 유체역학을 비롯하여 별과 블랙홀의 생애, 양자역학, 광학, 인공지능 등 다양한 분야에 정통해야 한다. 그러나 대부분의 과학자들은 이들 중 한 분야만 파고들기도 벅차다. 다시 말해서, 시뮬레이션으로 끝장을 보는 것은 결코 혼자 할 수 있는 일이 아니라는 이야기다. (294~295쪽)

시뮬레이션에서 얻을 수 있는 가장 흥미로운 결과는 그로부터 만들어진 가상의 세계가 아니다. 그 세계는 현실을 대충 반영한 그림자일 뿐이어서, 일기예보만큼이나 썰렁하기 그지없다. 정말로 흥미로운 것은 다양한 과학적 아이디어를 하나로 연결하여 결과물을 만들어낸 사람들 사이의 협력이다. 코드는 컴퓨터에 내리는 일련의 명령이자, 우주에 대한 사람들의 다양한 아이디어를 모아놓은 캔버스 위에서 마치 살아 있는 생명체처럼 스스로 진화하는 집단적 표현이기도 하다. (296쪽)