칼 세이건 (Carl Edward Sagan)의 <<코스모스(Cosmos)>> 책은 1976년 칼 세이건이 동료 과학자들과 13부작으로 기획한 텔레비전 프로그램 '코스모스'를 기반으로 1980년 출간한 책이다. 홍승수 교수가 이를 번역하여 2006년에 출간했다. 내가 읽은 것은 『코스모스』 특별판(2017년)이다. 이 판에서는 특별히 한국어판 서문 '칼 세이건의 빈 의자’가 실려있다. 이 서문은 칼 세이건 서거 10주기를 맞아서 부인인 앤 드루얀이 《행성 보고서》 2006년 11/12월 호에 쓴 글이다. 만약에 칼이 살아있었다면 과학 진흥과 우주 개발의 필요성, 이성적 사고와 민주주의, 생태계 문제 해결을 위해서 노력했을 것이라고 보고있다. 그래서였을까? 앤 드루얀이 리부트한 <코스모스>에는 납 중독과 지구온난화 등 환경문제도 다루고 있다. 나는 <코스모스(Cosmos: A Spacetime Odyssey)> 영상을 먼저 접하고 <<코스모스>> 책을 읽었다. 1980년에 나왔지만 지금 읽어도 그리 고리타분하다거나 낡은 책이 아니라 지금도 읽을만한 책이란 느낌이다.
일단 책의 제목 '코스모스(cosmos)’는 '질서와 조화를 이룬 체계로서의 우주' 곧 '우주적 질서'를 의미한다. 스페이스(space)는 지구대기권밖의 인간이 장악할 수 있는 우주공간, 유니버스(universe)는 별·은하·우주로 채워진, 천문학의 연구대상이 되는 우주, 코스모스(cosmos)는 유니버스에 종교와 철학 등이 덧붙여진 조화로운 주관적 우주를 뜻한다고 한다. 카오스와 반대되는 질서정연 한 우주를 가리킨다고 한다. 즉, 관측대상인 자연 그 자체는 유니버스, 그 유니버스의 질서나 조화를 해석하는 관점이나 이론을 덧씌운게 코스모스라 볼 수 있겠다.
저자는 기술의 진보, 지식 추구의 자유, 자유로운 탐구와 증거 제시를 근간으로 하는 과학, 그 중에서도 천문학, 우주 탐사에 대한 지원을 아끼지 말아야한다고 설득한다. 우주 속의 창백한 푸른 점인 지구인의 관점으로 시야를 넓히자고도 한다. 책의 순서는 지구에서 시작해 지구에서 바라 본 하늘, 금성, 화성, 목성, 토성, 은하, 은하계 등으로 점차 확장되어 나가며 외계 생명과의 접촉, 우주 탐사에 대한 이야기를 한다.
목차
머리말
먼 조상들도 세상을 이해하려고 했다. 그들의 도구는 신화와 종교 등이었다. 오늘날에는 과학으로 우주를 이해하려고 한다. 우리도 코스모스의 일부이다. 생명의 기원, 지구의 기원, 우주의 기원 외계 생명과 문명의 탐색, 인간과 우주의 관계 등을 밝혀내는 일이 인간 존재의 근원과 관계된 인간 정체성의 근본 문제를 다루는 일이 아니고 무엇일까? 과학하기의 근본 아이디어와 방법, 기쁨을 전달하기 위해 ‘코스모스’시리즈를 제작하였다. 보고 싶은 대로 보고, 듣고 싶은 대로 듣는 것은 과학이 아니다. 과학의 성공은 자정 능력에 있다. 과학은 스스로를 교정할 수 있다.
Chapter 1 코스모스의 바닷가에서(The Shores of the Cosmic Ocean)
여기서 유명한 문구가 나온다. ‘코스모스는 과거에도 있었고 현재에도 있으며 미래에도 있을 그 모든 것이다.’ 그리고 우리 인류는 그 속의 한 점 티끌만도 못한 존재이지만 이를 이해하고자하는 우리의 본성이 우리의 생존을 좌우할 것이다. 그래서 이 코스모스를 탐험할 것인데 이 탐험을 위해서는 공상과 실제를 분간하고 억측을 검증하는 회의의 정신과 여러가지 가능성을 떠올리는 상상력이 필요하다. 우리는 이제 바닷가에서 발목을 겨우 물에 적신 어린아이와 같다. 이제 코스모스라는 바다로 탐험을 떠나보자.
알렉산드리아의 도서관장이었던 에라토스테네스 상상력과 회의의 정신으로 막대기 만으로 지구가 둥글며 둘레가 어느정도 되는지 비교적 정확하게 추정할 수 있었다. 그리고 그것을 바탕으로 그린 지도에 빈 공백이 생겼다. 그리고 그 빈 공간을 메우려는 탐험이 시작되었다. 콜럼버스도 그런 고지도를 보고 영감을 받아 탐험을 했다. 비록 계산을 엉터리로 속여서(거리가 짧은 것으로) 후원금을 타냈지만 말이다. 이런 것들이 가능했던게 무엇 덕분일까? 바로 알렉산더 대왕이 건설한 알렉산드리아 대도서관 덕택이다. 모을 수 있는 거의 모든 책들을 게걸스럽게 모은 덕분이 아닐까? 그런 엄청난 고대 문명이 파괴된 것은 인류의 크나큰 비극이다. 같은 맥락으로 진시황의 분서갱유, 마오쩌둥의 문화대혁명이 있겠다.
안타깝지만 그럼에도 불구하고 우리는 지구는 물론이고 지구 밖 우주를 관찰하고 태양계까지 우주선을 보내는 수준까지 왔다. 이제 태양계의 지도에서 우주의 지도를 더 채워나가야 하지 않을까?
Chapter 2 우주 생명의 푸가(One Voice in the Cosmic Fugue)
우리가 지구 생명의 본질과 외계 생물의 존재를 확인한다면 ‘우리는 과연 누구인가?’에 대한 답을 얻을 수 있을 것이다. 우리가 알고 있는 생명의 조건이나 진화 등과 같은 것은 지구의 자연환경에 기반한 지구의 생물학이다. 외계 생물의 존재를 확인하고 알아볼 수 있다면 외로운 풀피리 소리가 아니라 푸가(여러 성부로 이루어진 소리)를 들을 수 있을 것이다.
지구 생명의 한 토막을 소개해보자면 헤이케게가 있다. 이 전설을 통해 인위 선택(인위 도태)을 알 수 있다. 헤이케게 이외에도 목양견, 젖소, 옥수수 등이 인위 선택의 예이다. 자연적으로 변하는 것은 자연 선택(자연 도태)으로 화석을 예로 들 수 있다. 생존을 위해서는 자연에 더 적합한 형질을 가진 개체들만 살아남게 되므로 많이 낳아 생존 가능성을 높이고, 돌연변이를 통해 자연 적합성을 높인다. 이것이 진화의 동인이다. ‘위대한 설계자’나 창조주가 설계한 대로 만든게 아니라 환경에 불안전하게 적응한 수많은 생물들의 죽음(자연 선택)과 우연히 적응하게 된 조그마한 돌연변이가 유지하기 위한 충분한 시간(진화)을 통해서 만들어진 것이다. 약 46억년 전에 지구가 성간 기체와 티끌이 응축되어 만들어졌고, 약 37억년전에 전기방전에 의해 최초의 생명(분자)이 태어났다. 이 분자들이 자기복제를 하고, 분자들이 모여 세포를 만들고, 약 30억년 전에 단 세포 끼리 모여 다세포 생물을 만들었다. 약 20억년 전에는 성이 생겨 유전형질을 빨리 바꿀 수 있는 즉, 돌연변이를 빨리 만들 수 있는 생물종이 자연 도태되었다. 약 10억년 전에는 식물들이 지구 대기환경을 수소에서 산소로 바꿈으로써 생명사의 한 획을 그었다. 약 6억년 전에 바다를 가득 채우고 있던 조류의 시대가 가고 새로운 형태의 생물들이 폭발적으로 나타나는 캄브리아기 대폭발이 일어났다. 약 5억년 전에 삼엽충이 살았고 약 2억년 전에는 멸종한 것으로 보인다. 약 1000만년 전에 인간과 비슷한 생물이 나타나고 수백만 년 전에 최초의 인간이 나타났다. 이 모든 걸 어떻게 아냐고? 그저 상상의 산물이 아니냐고? 아니다. 이것은 화석을 통해서 추정한 것이다. 생명이 어떻게 태어났는지 어떻게 알았냐고? 실험으로 원시 지구에 있었을만한 기체들을 모아 놓고 에너지를 공급하니까 생물의 기본 재료가 될 수 있는 물질들이 만들어졌다.
이와 유사한 환경과 반응들이 은하계에 있는 10억 개의 다른 세계에서도 발생했을 것이니 외계의 생명 현상도 일어날 가능성이 충분하다. 목성과 같은 기체 행성에서 생물이 존재한다면 대기권에 떠 있는 기구 형태의 생물이 존재할 수도 있다. 외계 생물의 존재를 확인하고 이해한다면 지구 생명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
Chapter 3 지상과 천상의 하모니(The Harmony of Worlds)
우리가 사는 세상은 사물의 어떤 패턴이나 규칙을 따라 변한다. 이런 패턴이나 규칙을 파악하여 우리의 삶을 발전시킨다. 우리 조상들은 밤 하늘의 달과 별들의 변화 패턴을 파악해 자연 현상과의 관련성을 찾고 우리의 삶을 발전시켰다. 그것이 이른바 천문학이다. 측정의 정확도를 높이기 위해 수학과 문자가 더욱 발달했다. 그런데 시간이 흐르면서 경험 법칙에 의존하던 과학의 영역을 신비주의와 미신이 치고 들어왔다. 행성의 운동을 관찰하고 그 시기에 일어난 일들을 누적해서 기억한다. 그러면 앞으로도 그 시기에 그와 유사한 일들이 벌어질 것이라 예언하는 것이다. 까마귀 날자 배 떨어진다고, 관계가 없는 두 사건을 서로 관계있는 것으로 엮어 버리는 것이다. 사주, 별자리 운세, 혈액형 등이 그 예이다. 이것이 실제로 유효한지 확인하는 방법은 사주가 같은 이, 별자리가 같은 이, 혈액형이 같은 이가 거의 같은 인생을 사는지 확인해보면 된다.
천문학은 과학이고 우주를 있는 그대로 보는 학문이다. 점성술은 사이비 과학으로 확고한 근거 없이 여러 행성이 인간의 삶을 지배한다고 주장한다. 프톨레마이오스 시대(2세기 알렉산드리아 대도서관 학자)에는 둘의 구별이 없었다. 프톨레마이오스는 지구가 우주의 중심이며, 태양과 달과 별들이 지구 주위를 돈다고 믿었다(지구 중심설). 상식적으로 누가 자신이 서 있는 이 땅이 시간당 약 1,670km의 속력으로 돌고 있다고 상상이나 하겠는가. 프톨레마이오스의 천구 모형은 비교적 정확하게 행성의 움직임을 예측할 수 있었다. 그러나 화성의 겉보기 운동과 같이 역행하는 운동을 설명하기에는 부족했다. 1543년 코페르니쿠스는 행성의 겉보기 운동을 계산하는 데 편리한 태양 중심 우주관을 제안했다.
1571년에 태어난 요하네스 케플러는 성직자가 되는 교육을 받았다. 케플러는 모든 것에 전능하신 신의 뜻이 담겨져 있다고 믿었다. 그래서 유클리드 기하학의 정다면체는 다섯개 뿐이니 태양 주위에 행성이 여섯 대 이상이 존재할 수는 없다, 최상의 모습으로 창조된 신의 피조물이 완전한 원운동이 아니라 타원운동을 할 리가 없다고 믿어서 관측 기록이 잘못 된거라 판단해 당대 최고의 관측자였던 튀코 브라헤에게서 관측자료를 얻어 분석했다. 3년이 넘는 분석 끝에 결국 케플러는 행성이 완전한 원 궤도를 돈다는 믿음을 버린다. 그리고 제 1법칙. 행성은 타원 궤도를 따라 움직이고 태양은 그 타원의 초점에 있다. 제 2법칙. 행성과 태양을 연결하는 동경은 같은 시간 동안에 같은 넓이를 휩쓴다. 제 3법칙. 행성의 주기를 제곱한 것은 행성과 태양 사이의 평균 거리를 세제곱한 것에 비례한다(조화의 법칙). 이로써 신비주의를 배제하고 측정 가능한 것을 바탕으로 규칙성을 밝히는 천문학이 탄생한 것이다.
케플러 일생의 목표는 행성의 움직임을 이해하고 천상 세계의 조화를 밝히는 것이었다. 그것을 아이작 뉴턴(1642년생)이 이루었다. 뉴턴은 미적분학을 발명하고 관성의 법칙을 발견했으며, ‘만유인력의 법칙’(인력의 세기는 두 물체 간 거리의 제곱에 반비례한다)을 발견했다. 이 만유인력의 법칙으로 케플러의 세 가지 법칙을 모두 유도할 수 있다. 케플러와 뉴턴은 비교적 단순학 수학 법칙이 자연 전체에 두루 영향을 미치고, 지상에서 적용되는 법칙이 천상에서도 똑같이 적용되며, 인간의 사고방식과 세계가 돌아가는 방식이 서로 공명함을 밝혔다.
Chapter 4 천국과 지옥(Heaven and Hell)
얼마나 긴 시간 척도로 변화를 보느냐에 따라 ‘평온과 고요의 지구’가 ‘격동과 소란의 행성’이 될 수도 있다.
1908년 6월 30일 중앙시베리아의 한 오지에서 일어난 사건이 그 예이다. 혜성의 조각이 지구와 충돌한 것이다.
혜성은 인류에게 공포감과 경외심을 불러일으켜 왔고, 미신의 소재이기도 했다. 뉴턴이 “혜성은 매우 찌그러진 타원 궤도를 그리는 일종의 행성이다.”라며 미신을 제거하며 규칙성을 예측하고, 1707년 에드먼드 핼리가 1531년, 1607년, 1682년에 출현했던 혜성들이 모두 같은 혜성으로서 76년마다 되돌아온다는 사실을 계산으로 밝혀냈다.
과학자가 제시한 가설들 조차도 훗날 틀렸다고 밝혀지는 것이 많다. 그러나 과학은 자기 검증을 생명으로 한다. 과학의 세계에서 새로운 생각이 인정을 받으려면 증거제시라는 엄격한 관문을 통과해야 한다. 과학은 자유로운 탐구 정신에서 자생적으로 성장했으며 자유로운 탐구가 곧 과학의 목적이다. 어떤 가설이든 그것이 아무리 이상하더라도 그 가설이 지니는 장점을 잘 따져 봐 주어야 한다. 우리는 누가 근본적이고 혁신적인 사고를 할지 미리 알지 못하기 때문에 누구나 열린 마음으로 자기 검증을 철저히 해야 한다.
금성에 관한 온갖 추측과 가설이 있었다. 그것을 검증할 수 있었던 것은 유리 덩어리로 만들어진 프리즘이나 평면 유리에 가는 줄을 균일한 간격으로 그려 넣은 회절 격자 덕분이다. 빛을 나누어 색깔 띠가 형성되는데, 이를 분광 스펙트럼이라고 한다. 눈으로 볼 수 있는 가시광선과 보라색 보다 높은 주파수인 자외선, 빨강색 보다 낮은 주파수인 적외선 등을 가진다. 그리고 각 물질은 흡수하는 빛의 주파수가 다르다. 태양광이 행성에서 반사되어 지구에서 관측되니까 그 행성에서 오는 빛의 주파수를 분석하면 그 행성 대기의 구성성분을 분석할 수 있는 것이다. 그래서 금성 대기를 분석해보니 엄청난 양의 이산화탄소가 있음이 밝혀졌다. 그래서 금성 표면이 석유 바다일 거라는 둥, 탄산수의 바다라는 가설을 제안했다. 전파망원경과 우주선으로 검증해보니 금성은 그저 타는 듯이 뜨거운 곳(섭씨 480도)이었다. 불충분한 자료에 근거한 추론은 우리를 쉽게 오류의 늪에 빠지게 한다.
세상을 통째로 태워 버릴 듯한 더위, 모든 것을 뭉게버릴 듯한 대기압(지구의 90배), 각종 맹독성 기체(황산구름)로 금성은 사랑의 여신 비너스(Venus)가 아니라 악마이자 지옥의 왕 루시퍼(Lucifer)였던 것이다. 지구를 천국으로 금성을 지옥으로 비유하면, 천국이던 지구가 화석연료 사용으로 황산구름을 만들고 온난화가 가속화되면 금성 같은 지옥으로 변할 수 있다.
Chapter 5 붉은 행성을 위한 블루스(Blues for a Red Planet)
화성의 생명 존재여부로 나뉘어 싸우면서, 어느 정도의 불확실성은 수용해야하는 과학의 기본 미덕마저 저버리고 서로 불충분한 자료에 근거해 추론하고 믿거나 믿지 않으려 한다. 화성이 인기 있는 이유는 언뜻 보기에 지구와 매우 유사하며 표면을 관측할 수 있는 가장 가까운 행성이기 때문이다.
미국 보스턴 출신의 부자 퍼시벌 로웰은 1916년 세상을 떠날 때까지 천문학에 많은 공헌을 했다. 명왕성(Pluto)이름도 그에게서 따왔다. 1877년 이탈리아 천문학자 조반니 스키아파렐리가 화성의 ‘카날리canali’(경로나 가늘고 깊게 파인 홈)에 관한 연구에서 카날리를 ‘운하canal’로 번역해서 이해하는 바람에 화성의 운하에 매료되어 온갖 기록을 남겼다. 그가 자연 선택에 따른 생명 진화를 다윈과 함께 발견한 앨프리드 러셀 월리스에게 서평을 부탁했다. 통렬하고 적확한 분석으로 화성에 생명이 존재할 가능성은 0이라고 비판했음에도 불구하고 대중은 화성에 생명이 있을 것으로 믿었다. 화성에서 발견했다고 한 운하는 어디에도 없었고 그와 비슷한 지형적 특징을 찾을 수도 없었다. 믿고 싶은 대로 보고 그린 것이다.
화성에 바이킹 1, 2호를 보낸 이야기, 거기서 지구 생명의 기원과 지구 생명의 초기 역사를 규명하는 데 필요한 정보를 줄 수 있는 미생물학 실험 이야기. ‘유기물의 증거를 화성의 토양에서 단 한 건도 찾아볼 수 없었다.’가 바이킹의 유기화학 실험의 결과다.
생명의 본질은 우리를 만들고 있는 원자들이나 분자들에 있는 것이 아니라 그 물질들이 결합되는 방식에 있다.
지구 생명을 화성에 옮기는 오염문제, 화성의 것을 지구로 가져오면 발생할 수 있는 역오염 문제. 여러 문제가 있지만 화성 탐사는 과학적으로 엄청난 이득이다. 화성을 지구화terraforming 할 수도 있다. 화성에 생명이 아직 없지만 화성을 지구화 할 가능성이 있으니 위로(블루스)한다.
Chapter 6 여행자가 들려준 이야기(Travelers' Tales)
여기서 여행자는 보이저 2호이다. 1977년 8월 20일에 진수되었다. 화성 궤도를 통과하고 목성과 그 위성들을 지나 토성, 천왕성, 해왕성을 지나 태양계의 외곽 지대를 탐험하는 탐험선이다.
15-17세기에 신항로 개척 시대(대항해시대)는 결과적으로 지역을 하나로 묶고 지역주의의 문제를 일부 해소하여 인류를 하나의 종으로 통합하는 데 큰 기여를 했다. 그 당시 네덜란드는 해양 강국이자 지성과 문화의 중심지 였다. 기술의 진보, 지식 추구의 자유, 유럽 출판의 중심지였다. 이탈리아에서는 갈릴레오와 브루노가 핍박 받았던 반면, 네덜란드에선 하위헌스가 이 두 사람을 지지하면서도 찬사를 받으며 잘 살았다. 하위헌스는 “전 세계가 나의 고향이며, 과학이 나의 종교이다.”라고 선언하기도 했다. 그는 현미경으로 정액 세포를 관찰했고, 망원경으로는 화성의 자전 주기가 24시간 정도라는 것까지 측정했다. 토성의 고리가 표면과 접촉하지 않는다는 사실도 처음 확인했다.
목성과 보이저 1호가 만나기 전까지는 목성은 그저 하늘에서 반짝이는 하나의 행성일 뿐이었다. 그러나 이제는 더 이상 그 옛날의 목성일 수가 없다. (이거 왠지 ‘어린 왕자’ 오마주 한 것 같은데…"너는 나에게 이 세상에 단 하나뿐인 존재가 되는 거고, 나도 너에게 세상에 하나뿐인 존재가 되는 거야. To me, you will be unique in all the world. To you, I shall be unique in all the world….”)
토성 이야기, 타이탄 이야기.
Chapter 7 밤하늘의 등뼈(The Backbone of Night)
어릴 적 동네에서 놀면서 하늘의 별을 동경해왔다. 그러다 처음으로 도서관에 가서 이 궁금증에 대한 그럴듯한 답을 얻을 수 있었다. 생물학에는 반복설이라는 것이 있는데, 이 가설은 개체 하나의 발생 과정이 해당 종이 겪어 온 진화의 전 과정을 되풀이 한다는 것이다. 저자는 도서관의 책을 통해 우리 조상들이 해 온 사고의 과정을 되풀이하면서 하나의 개인으로 성장할 수 있었다고 회상한다.
칼라하리 사막의 쿵!족은 은하수를 “밤의 등뼈”라고 불렀다. 서구인들은 은하수를 그리스 신 헤라와 제우스의 첫날밤에 헤라의 유방에서 뿜어져 나온 젖이라고 생각해서 "젖 길Millky Way”이라고 불렀다. 이처럼 미지의 세계, 미지의 존재에는 신화와 상상의 이야기들이 있었다. 그러다가 사고의 혁명을 통해서 혼돈Chaos에서 질서Cosmos를 읽어 내기 시작했다. 자연은 완전히 예측 불가능한 것이 아니며, 자연에게도 반드시 따라야 할 규칙이 있다는 뜻으로 우주의 훌륭하게 정돈된 질서를 “코스모스”라고 불렀다.
그런데 왜 이오니아에서 찬란한 발전을 이루었을까? 그것은 섬 중심으로 발달한 세계라서 섬마다 다른 환경이 강력한 중앙 권력을 형성하지 못하고 다양한 정치 체제와 자유로운 탐구를 가능케 했을 것이란 가설을 내놓는다. 상공업의 발달, 기술 개발, 여러 문명의 교차를 통해 이오니아에서 과학이 태어났다. 최초의 과학자 탈레스는 신들의 도움을 빌리지 않고 세상을 이해하려고 노력했던 인물이다. 모든 물질의 근본을 이루는 물이 자연 속에서 서로 영향을 주고받는 물리적 힘의 결과로 만물이 만들어졌다고 생각했다. 연구에서 실험을 중시했던 아낙시만드로스, 의학 전통을 세운 히포크라테스, 용감한 지구물리학자 엠페도클레스, 물체는 원자의 집합이라고 생각했던 데모크리토스, 과학에 대한 열정이 남달랐던 아낙사고라스, 수학적 추론의 방식을 개발한 피타고라스 등.
그런데 왜 고대 과학이 쇠퇴했을까? 벤저민 패링턴의 분석으로는 이오니아의 중상주의적 전통이 과학의 발전을 가져왔지만 동시에 노예 경제의 발전도 동반하여서 노예주들이 육체 노동을 등한시하면서 과학적 사고의 몰락을 가져왔다고 보았다. 부유층 출신은 당연히 현상 유지에만 관심이 있고 자신의 손으로 직접 무엇을 만든다든가, 기존의 체계에 도전하는 것을 매우 어려워 한다. (그런데 부유층 중에도 지적 탐구를 좋아하고 과학에 후원을 아끼지 않았던 사람들이 있는데? 그래서 발전을 많이 했겠지만. ^^;)
인류는 “우주에서 우리의 현주소는 어디인가?”라는 질문에 답하기 위해 끊임없이 노력해 왔다. 태양은 은하의 변방, 두 개의 나선 팔 사이에 잊혀진 듯이 버려져 있다.(이전에는 안드로메다 은하와 같은 모양의 정상나선은하로 간주되었으나, 1990년대부터 과학자들에 의해 막대나선은하일 가능성이 제기되었으며 2005년의 스퍼처 적외선 망원경을 이용한 조사 결과, 중심핵으로부터 지름 27,000광년 길이의 막대 구조가 존재한다는 것이 확인되었다. 태양은 우리은하 내 수천 억개의 별들 중에서 극히 평범한 항성으로 추정되는 것은 변함없다.) 이 버려진 행성에서 인류는 머릿속에서 모형을 구축해 보고 그 모형에서 귀결되는 관측 현상들을 예측하고 예측들을 하나하나 검증하고 예측이 실제와 맞지 않을 경우 그 모형을 과감하게 버리면서 모형을 다듬어 왔다. 점점 알아갈 수록 초라한 존재가 될 지언정 우리는 코스모스를 제대로 이해해야만 한다. 자신의 위상과 위치에 대한 올바른 이해가 주변을 개선할 수 있는 필수 전제이기 때문이다.
Chapter 8 시간과 공간을 가르는 여행(Travels in Space and Time)
성간 여행은 어떻게 할까? 아직까지 우리의 기술력으로는 적당한 시간에 할 수가 없다. 대신에 컴퓨터는 계산해볼 수 있다. 컴퓨터로 북두칠성의 배치가 과거에는 어떠했으며, 미래에는 어떻게 될지를 계산할 수 있다. 가상의 시간여행인 것이다. 공간과 시간은 서로 얽혀 있다. 시간적으로 과거를 보지 않으면 공간적으로 멀리 볼 수가 없다. 지금 이 순간에 우리가 공간적으로 멀리 떨어져 있는 어떤 천체를 들여다보고 있다면, 시간적으로 그 천체의 과거 모습을 보고 있는 것이다.
아인슈타인은 우리에게 익숙한 절대 공간과 절대 시간을 없앴다. 빛의 속도보다 빠른 것은 없다. 빛의 속도에 가깝게 움직이면 움직이는 방향으로 압축되고 질량은 증가하며 시간은 느리게 간다.(느리게 간다는거지 거꾸로 간다는 것은 아니다.)
그럼 성간 여행은 불가능한가? 아니. 기나긴 항성 간 항해는 가능하지 않겠나. 수소 폭탄을 우주선의 동력으로 하는 오리온 계획, 핵융합 반응로를 구현해서 그것을 동력으로 삼자는 다이달로스 계획, 수소 원자를 핵융합 엔진으로 흡입한 다음 분사하는 방식의 성간 램제트 엔진은 이론 상으로는 광속 비행이 가능하다. 광속으로 비행한다고 ‘사고 실험’을 해보면, 은하의 중심까지 가는 데 우주선에 있는 사람에게는 21년 걸린다. 지구에 있는 사람에게는 3만년이 걸린다.
우리가 우리의 세상을 지금 어떻게 하느냐가 우리 후손들의 운명을 좌우한다.
Chapter 9 별들의 삶과 죽음(The Lives of the Stars)
원자는 어디에서 왔는가? 원자는 외곽에 전자구름이 있고 핵에 중성자와 양성자로 이루어져 있다. 원자핵은 원자 전체의 겨우 1/10만의 크기다. 탄소 원자에서 양성자와 중성자를 두 개씩 떼어내면 탄소 원자는 헬륨 원자가 된다. 원자를 더 쪼개면 전혀 다른 원소가 된다는 것이다. 양성자도 쪼개면 쿼크로 나뉜다. 퀘크를 또 쪼개면? 더이상 쪼개질 수 없는 근본 물질이 있을까?
자연 원소는 어디에서 왔을까? 우주 물질의 99%가 수소와 헬륨이니 이것들로 부터 만들어진게 아닐까? 간단한 핵에서 복잡한 핵으로 만들려면 양성자와 중성자를 첨가하면 된다. 전기적 척력을 상쇄시킬 수 있는 대략 1000만도 이상의 상황과 같은 별의 중심부에서는 이것이 쉽게 구현된다. 수소가 모여 헬륨이 되고 헬륨이 모여 탄소와 산소가 되며, 네온, 마그네슘, 규소, 황 등의 무거운 원소들이 합성된다. 규소에서 니켈, 니켈에서 코발트, 코발트에서 철이 합성된다. 이처럼 생명의 기원과 진화는 별의 기원과 진화와 그 뿌리에서부터 서로 깊은 연관을 맺고 있다.
폭발 후 남은 잔해가 태양 질량의 5배 이상이 되면 블랙홀이 만들어진다. 블랙홀은 빛도 빠져나갈 수 없으니 시간이 멈춘다. 그러면 시공간의 또 다른 점으로 출현할 것이다. 이것이 웜홀의 개념이다. 이처럼 은하는 미답의 대륙이다. 은하 여행은 상상만으로도 가슴 벅차지 않는가!
원자에서 원자핵(+)과 전자구름(-)으로 구성되어 있는 것을 알고 있었는데 문득 궁금증이 일었다. 우리 몸과 타인의 몸을 부딪히는 것처럼 보이지만 사실은 원자단위에서 부딪히지 않는다는 이야기에서 였는데, 일반적인 자석의 경우에도 서로 밀어내는 척력이 작용할 때 그것을 양끝에서 강제로 서로 가까이 다가가도록하면 뒤집어지거나해서 극이 바뀌지 않는가하는 생각이었다. 안과 밖이 뒤집어지는 현상이 왜 일어나지 않는가, 왜 만날 수 없는가를 생각하면서 더 읽어보니 원자핵의 양성자를 잡아두고 있는 중성자와의 핵력이 떠올랐다. 아, 그래서 뒤집어지지 않는구나 싶었다. 그리고 중성자를 많이 가지고 있는 우라늄 같은 원소는 거기에 중성자를 때려서 핵분열을 일으키게 하는 것이라 핵융합에 비해 쉽게 할 수 있는 것이고, 핵융합은 서로 밀어내는 두 자석을 억지로 붙여 녹이듯 중수소와 삼중수소 원자를 플라즈마 상태로 만들어 헬륨과 중성자로 만드는 것이기 때문에 어려운 것이구나하는 생각이 들었다.
Chapter 10 영원의 벼랑 끝(The Edge of Forever)
약 137억 9900만 년(±210만 년) 전에 발생한 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론이 빅뱅이다. 우주의 대폭발과 은하의 후퇴 운동을 발견할 수 있었던 것은 도플러 효과라고 알려진 자연의 간단한 원리 덕분이었다. 경주용 차가 관측자에게 접근할 때에는 음파의 골과 마루 사이의 간격이 줄어들 들고 멀어질 때는 간격이 늘어난다. 이 골과 마루의 간격은 소리의 높낮이를 달리 들리게 한다. 이것을 우주로 보면 멀리 있는 은하의 빛 파장이 감소하는 적색 이동이 관측됐다. 그래서 우주가 팽창하고 있다는 것이다. 그럼 빅뱅 이전은? 팽창과 수축을 한다면 수축 때는 어떤 일이 일어날까? 이러한 것들을 확인하는 방법은 코스모스의 끝, 영원어 벼랑 끝까지 가보면 되겠다. 4차원적 실체인 ‘초구체hypershere’는 중심도, 경계도 없다. 그래서 경계의 바깥은 애당초 없다. 빅뱅우주론, 진동 우주론, 끈이론, 계층 구조 우주론, 평행우주론 등등 온갖 가설들.
Chapter 11 미래로 띄운 편지(The Persistence of Memory)
생명은 끊임없이 진화해 왔다. 뇌의 구조에서 진화의 단계들을 미루어보면 내부에서 외부로 진화했다. 가장 깊숙한 곳에 자리한 뇌간은 생명의 기본 기능을 조절하고, 뇌간의 상단부에 위치한 R-영역(파충류의 뇌)은 인간의 공격적 행위, 정형화된 의식 행위, 자기 세력권의 방어, 계층적 위계 질서의 유지 등을 관장한다. R-영역을 둘러싸고 있는 변연계(포유류의 뇌)는 인간의 기분, 감정, 걱정 등의 정서적 반응과 행동, 자녀 보호의 본능을 지시하고 제어한다. 뇌의 가장 바깥 부분인 대뇌 피질(영장류의 뇌)은 직관과 비판적 분석인 의식을 관장한다. 독창적 사고와 비판적 분석이야말로 세상을 이해하는 데 필수적인 도구이다. 대뇌 피질이 사람을 동물적 인간에서 해방시켜 인간을 ‘인간답게’ 만든 주인공이다. 그러므로 우리는 비비나 도마뱀의 유전적 행동 양식에 더 이상 묶여 있어야 할 필요가 없다. 그 대신 자신이 뇌 속에 집어넣은 것에 대해 스스로 책임을 질 줄 알아야 한다. 각자는 한 사람의 성숙한 인격체로서 누구를 아끼며 무엇을 알아야 하는가에 대해 스스로 책임져야 하지, 파충류 수준의 두뇌가 명령하는 대로 살아야 할 필요는 없다. 사람은 자기 자신을 스스로 변화시킬 수 있기 때문이다.
지구 문명의 지속성 여부는 전적으로 공공 도서관에 제공하는 우리의 기부 규모에 달려 있다. 공공 도서관에 기부 좀 하자.
우리는 어서 지구를 모든 생명을 존중 할 줄 아는 하나의 공동체로 바꿔야 한다. 그리하여 지구상에서 평화를 유지하는 한편, 외계 문명과의 교신을 이룩함으로써 지구 문명도 은하 문명권의 어엿한 구성원이 돼야 할 것이다.
Chapter 12 은하 대백과사전(Encyclopedia Galactica)
고대 이집트 문화 유물에 적힌 문자를 해독한 장 프랑수아 샹폴리옹의 예처럼 우리가 외계의 신호를 알아차리지 못하고 있는 것은 아닐까? 지구 문명과 교신이 가능한 고등 문명권이 은하수 은하에 몇이나 있을지 추정해볼까? 추산해보니 우리 은하수 은하에 존재하는 문명사회의 수효가 적어도 수백만 개에 이른다. 전파를 이용한 우리의 문명권 탐색은 겨우 초보 단계에 있다. 현대식 구축함 한 척 분의 예산이면 10년쯤 걸리는 외계 생명 탐색 계획을 완수할 수 있다.
혹시 외계의 지적 생명을 만났는데 그들이 적대적이라면? 고도 기술사회에서는 적대적일 가능성이 낮다. 그들이 살아 남았다는 사실 자체가 동족이나 다른 문명권과 잘 어울려 살 줄 아는 방법을 이미 터득했음을 입증하기 때문이다. 우리가 첫 번째 고도 문명 사회일 수도 있다. 혹은 은하법이 있어서 간섭하지 않는 것일 수도 있다.
외계 문명 탐색 사업은 실패해도 남는 사업이다. 철저히 조사했는데 못 찾으면 지구 문명이 참 귀하다는 걸 알 수 있고, 찾는다면 엄청난 문명의 발전을 이룰 것이다. 그리고 <은하 대백과사전>에 정보를 입력할 수 있을 것이다.
Chapter 13 누가 우리 지구를 대변해 줄까?(Who Speaks for Earth?)
인류는 호전성, 그릇된 관습, 지도자에 대한 무조건적 복종, 이방인에 대한 이유 없는 적개심과 같은 못된 진화적 습성도 있지만 남을 측은히 여기는 측은지심, 자식을 사랑하고 아끼는 보호본능, 지적 열정과 같이 좋은 천성도 가지고 있다. 우리 문명은 화해할 줄 모르는 증오심 때문에 자기 파괴의 몰락으로 치닫게 되는 것은 아닌가 걱정된다. 우주에서 바라 본 지구는 창백한 푸른 점일 뿐이다. 극단적 민족 우월주의, 종교적 광신, 맹목적이고 유치한 국가주의가 발붙일 곳이 아니다. 우주적 관점은 시야를 활짝 열어 준다. 인류는 현재 정신적 해방과 육체적 탈출을 꾀하는 중요한 순간에 있다.
핵무기를 통한 전쟁 억지라는 아이디어는 전적으로 우리의 비인간적 조상의 행동 양식에 근거한 것이다. 공포의 균형을 유지함으로써 억제하는 것인데, 문제는 인간이 비이성적 행태로 일단 협박하기 시작하면 그 방식에 익숙해져서 협박의 허세를 허세로 묶어 두지 못하고 실행으로 옮기는 우를 범한다는 것이다. 한 번만 잘못했다간 모든 게 끝이 난다. 그러니 핵 군비 경쟁의 방향을 거꾸로 돌려 축소해야한다. 국방예산 보다 군비축소에 예산을 더 써야한다.
할로 부부의 원숭이 실험에서 알 수 있듯이 포유류는 접촉을 통한 애정 표현을 생존보다 선호한다. 제임스 프레스콧의 문화 비교 연구에서도 신체 접촉을 통한 애정 표현이 발달된 문화일수록 폭력을 싫어하는 것으로 나타났다. 상관관계 명확히 밝히진 못했지만 관련이 있다는 것은 분명하다. “유아기에 피부 접촉이 빈번하고 결혼 전에 성관계가 인정되는 사회가 폭력 성향의 사회가 될 상대 빈도는 2퍼센트이다. 이러한 빈도의 발생이 우연의 소산일 확률은 1:125,000이다. 나는 아직 이와 같이 정확한 예측을 가능케 하는 표현 변수를 본 적이 없다.”
우리는 종으로서의 인류를 사랑해야 하며, 지구에게 충성해야 한다. 우리의 생존은 우리 자신만이 이룩한 업적이 아니다. 그러므로 오늘을 사는 우리는 인류를 여기에 있게 한 코스모스에게 감사해야 할 것이다.
감사의 말
* 부록 1: 귀류법과 무리수 ( Reductio ad Absurdum and the Square Root of Two)
귀류법이란 어떤 명제가 참임을 증명하기 위해서 그 명제의 역이 참이라고 일단 가정한 다음, 이 역명제가 성립할 때 초래될 수밖에 없는 모순을 지적함으로써 원래 명제가 참임을 간접적으로 밝히는 논증법이다.
귀류법을 활용하여 √2를 증명해보자. ‘√2는 무리수이다.’의 역명제 ‘√2는 유리수이다.’가 참이라고 가정하자. 유리수는 두 개의 정수 p, q의 비로 나타낼 수 있어야 한다. p와 q사이엔 공약수가 없어야 한다. 그러면 2 = (p의 제곱) / (q의 제곱)이 되니, (p의 제곱) = 2(q의 제곱)이 된다. (p의 제곱)이 짝수가 되려면 p는 반드시 짝수여야 한다. 짝수는 2s(단, s는 정수)로 표현할 수 있다. 그럼 (p의 제곱) = 2(q의 제곱)에 대입하면, (p의 제곱) = 2(2s의 제곱)이 되고 p도 반드시 짝수여야 한다. p와 q가 둘 다 짝수이니 p와 q사이엔 공약수가 없을 수가 없다. 모순이다. 그러므로 √2는 무리수이다.
* 부록 2: 피타고라스의 다면체 (The Five Pythagorean Solids)
정다면체가 다섯 가지 뿐이라는 사실을 증명했다. (나는 이해 못했다.)
참고 문헌
옮긴이 후기
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