책 소개
열혈 천문학자 우종학이 맛있게 요리한 블랙홀 이야기!
천문학자 우종학이 들려주는 맛있는 블랙홀 이야기『블랙홀 교향곡』. 천문학계의 가장 명예로운 펠로우십 중 하나인 나사 허블 펠로우십을 받은 열혈 천문학자 우종학이 누구나 한 번쯤 들어보고 궁금해했을 블랙홀에 대한 이야기를 쉽고 재미있게 풀어놓았다. 한국간행물위원회가 선정한 '2008 우수저작 및 출판 지원 사업'에 당선된 책이다.
블랙홀에 대한 아이디어가 처음 나왔던 것은 200여 년 전이지만, 블랙홀이 '블랙홀'이라는 이름을 갖게 된 것은 50년도 되지 않는다. 외면받아온 블랙홀은 1963년 마르텐 슈미트가 전파를 내는 별들의 정체를 밝히기 위해 고심하던 중에 발견되었다. 그 별들의 정체가 퀘이사였고, 그것이 우리가 알고 있는 블랙홀의 정체이다. 빛도 빨아들이는 엄청난 중력 체인 블랙홀은 이후 끊이지 않는 인간의 호기심과 상상력, 열정으로 세상에 소개되었다.
이 책은 블랙홀에 대한 이야기이자, 블랙홀을 둘러싼 인간의 호기심과 상상력, 열정에 대한 이야기이다. 어떻게 블랙홀이 발견되었는지, 블랙홀의 정체는 무엇인지, 블랙홀이라는 존재에 어떤 사람들이 열정을 쏟아부었는지 등은 물론, 블랙홀에 대한 따끈따끈한 최신 소식까지 들려준다. 특히 많은 사람들이 궁금해하는 블랙홀에 대한 질문들도 함께 다루고 있다.
[인터넷 교보문고 제공]
저자소개
우종학
어려서부터 밤에 올라가 별자리를 익히거나 간단한 천체관측 기기를 만드는 것을 즐겼다. 잡지 「학생과학」의 마니아였고 나사의 태양계 탐사계획을 스토킹 하는 것은 중요한 취미였다. 입시에 찌들어 있는 동안은 우주에서 잠시 멀어졌지만 대학입시에서 해방되고 대학에서 천문학을 공부하며 우주의 매력을 다시 느끼기 시작했다. 석사까지 우주를 바라보며 살았고 정부 지원금으로 세운 자외선 우주망원경 연구단에서 일했다. 하지만 성이 차질 않았다. 땅이 넓으면 뭔가 다르지 않을까 생각해 1999년 가을 예일대학교로 진학했다. 배우고자 했던 교수가 그곳에 있었기 때문인데, 마침 그 교수가 학교를 떠나는 바람에 오히려 더 좋은 교수를 만날 수 있었다. 예일대 물리학과에서 여성으로는 최초로 종신교수직을 받은 맥 유리 교수였다(그는 2007년부터 물리학과 학과장을 하고 있다).
한창 박사과정을 밟고 있을 무렵에는 대형망원경을 사용해 본 사람이 많지 않았다. 8미터급의 대형 망원경은 대부분 1990년대 말에서야 만들어졌기 때문인데 맥 유리 밑에서 공부하며 한국인 가운에 가장 많은 망원경을 사용해 학위논문을 쓰고자 하는 욕심까지 생겼다. 우주의 뜻인지 마침 예일대학교와 칠레대학교가 공동연구를 시작하게 되면서 칠레에 있는 최정상급 망원경들을 사용할 기회까지 주어졌다.
박사학위를 마치고 나서는 노벨상 수상자가 네 명이나 있는 캘리포니아대학교 산타바바라캠퍼스 물리학과에 박사 후 연구원으로 갈 수 있었다. 캘리포니아대학교는 1990년대 초부터 10미터급 망원경을 보유해 칼텍과 함께 관측 천문학계를 주름잡아 온 곳인데, 산타바바라에 있는 동안 블랙홀을 비롯한 천체물리학 연구로 유명한 스탠퍼드대학교의 로저 블랜포드 교수와도 여러 가지 프로젝트를 함께할 수 있었다.
최근에는 박사학위를 받은지 3년 이내에 해당되는 젊은 과학자들에게 나사에서 주는 허블 펠로우십을 받아 로스앤젤레스의 캘리포니아대학교로 옮겨왔다. 매년 10여 명가량의 젊은 박사들을 뽑아 독립적 연구를 할 수 있도록 3년 동안 연구비를 보장해 주는 허블 펠로우십은 천문학 분야에서는 가장 명예로운 펠로우십이다. 연구와 논문 작업 이외에도 논문과 나사의 우주망원경을 얻기 위한 프로포잘들을 심사하는 심사위원도 하고 있다. 얼마 전 거금 5천 달러를 주고 구입한 매킨토시 컴퓨터 때문에 괜히 연구도 잘 되는 것 같다. 매년 하와이에 두세 번씩 관측 여행을 가는...(하략)
[예스 24 제공]
출판사 서평
한국간행물윤리위원회 선정 2008 우수저작 및 출판 지원 사업 당선작!
갈릴레오가 망원경으로 우주를 관측하기 시작한 지 400년이 지난 2009년 세계 천문의 해,
나사 허블 펠로우십에 빛나는 열혈 천문학자 우종학이
미지의 세계에 숨어 있던 블랙홀 이야기를 풀어놓다!
나사의 우주 탐사 계획을 스토킹 하던 소년, 알아먹지 못할 수학 공식은 안드로메다로 보내 버리고 속 시원히 블랙홀의 정체를 말하다
밤하늘 관측과 나사의 우주 탐사 계획 스토킹이 주요 취미였던 소년, 대학원 석사까지 우주를 바라보다 자외선 우주망원경 연구단에서 일하던 청년, 성이 차질 않아 넓은 미국 땅으로 건너가 예일대학교에서 박사를 따고 지금은 천문학계의 가장 명예로운 펠로우십인 나사 허블 펠로우십(박사학위를 받은 지 3년 이내에 해당되는 젊은 과학자들에게 나사에서 주는 펠로우십으로, 매년 10여 명을 뽑고 3년 동안 연구비를 보장해 준다. 천문학계에서 가장 명예로운 펠로우십 중 하나다)을 받아 연구의 정점을 맞고 있는 열혈 천문학자, 이 사람이 《블랙홀 교향곡》을 쓴 우종학이다.
한국에 돌아오게 된다면 ‘다양한 과학의 내용들이 학문의 분야를 넘어서서 토론되고 대중과도 호흡할 수 있는 장을 열어보는 것이 막연한 꿈’인 그가 한국의 대중에게 다가서는 첫 걸음으로 《블랙홀 교향곡》을 썼다. 이 책은 지금 우주에서 가장 뜨거운 감자로 떠올라 있고, 일반 대중 누구나 한 번은 들어보고 궁금해했을 블랙홀에 대한 이야기다. 저자의 노력과 마음을 알았는지 한국간행물위원회 ‘2008 우수 저작 및 출판 지원 사업’에 당선되는 행운도 따라왔다.
“나는 블랙홀에 대해 궁금한 아이, 학생, 어른에게 쉽게 설명하기 위해서 이 책을 쓰게 됐다. 블랙홀이라는 말은 누구나 한번쯤 들어보았겠지만, 독자들의 궁금증을 속 시원히 풀어주는 책은 드물다. 특히 태양보다 100만 배 이상 무거운 거대 블랙홀은 지난 10년간 천문학계에서 매우 흥미롭고 주요한 주제로 떠오른 반면, 인터넷이나 서점에는 이런 내용을 반영한 글이나 번역서, 저작들이 거의 없다. 이 책은 블랙홀에 대해 과학자들이 발견한 새로운 내용들, 그리고 실제로 내 연구에 밑거름이 되는 따끈따끈한 내용까지도 담고 있다. 그것들을 잘 요리해서 대중들이 맛있게 먹을 수 있도록 했다.”(7쪽)
자연과학분야만큼 친숙한 언어와 쉬운 설명이 꼭 필요한 분야가 또 있을까? 뉴턴의 말을 빌린 저자의 말을 다시 빌리자면 “거인들의 어깨 위에 서서 내다보는 세계는 훨씬 더 뚜렷하다”. ‘과학’이라고 하면 재미보다는 난해함을 먼저 생각하는 사람들이 훨씬 많고, 실제로 과학자들의 언어는 너무나 어렵다. 하지만 과학자들이 삶과 열정을 바친 과학사의 위대한 업적을 알 때 얻어지는 희열은 얻지 않는 것보다는 언제나 훨씬 낫다. 게다가 편안한 언어로 그것을 알게 된다면 이보다 더 좋을 수 있을까?
앞에서부터 차례로 저자의 이야기를 좇다보면, 막연하기만 했던 우주와 블랙홀의 이야기가 성큼 머릿속으로 들어온다. ‘지구과학’이나 ‘물리학’, ‘천문학’이라는 말이 생소할 지경이어도, 복잡하고 어려운 수학 공식을 알지 못해도 상관없다. 그저 밤하늘을 쳐다보기 좋아했던 사람, 공상과학 영화를 보다가 등장한 블랙홀을 보면서 갑자기 블랙홀이 궁금해진 사람, 블랙홀을 통해 시간 여행을 할 수 있을지 혼자 상상해 봤던 사람, 블랙홀이 정말 있는지 없는지도 의심스러운 사람, 그야말로 아무런 사전 지식이 없어도 그저 블랙홀이 조금이라도 궁금한 사람이라면 우종학의 이야기와 책에 제시된 사진만으로 블랙홀의 정체를 알 수 있다. 몇몇 과학자의 황당하다고 여겨지던 엽기적 아이디어에서 시작해, 어떻게 블랙홀이 발견됐는지, 블랙홀의 정체는 무엇인지, 블랙홀이라는 엽기적 존재에 어떤 사람들이 열정을 쏟아부었는지는 물론이고 가장 따끈따끈한 블랙홀의 최신 소식까지 담겨있다(저자는 지금 세계 천문학계의 첨단에서 연구하고 있는 과학자다). 누구든 책을 덮고 나면, 어디 가서 블랙홀에 대한 이야기 한 자락쯤은 어렵지 않게 할 수 있게 될 것이다. 책의 이런 부분을 보자.
“우선 천체물리학자들이 퀘이사가 블래홀일 수밖에 없다고 생각한 이유를 알아봅시다. 첫째는 퀘이사의 크기가 매우 작다는 것이었답니다. 밝기가 일정한 별들과는 달리 퀘이사들은 조금씩 밝아졌다가 어두워지길 반복합니다. 슈미트 박사가 연구했던 퀘이사 3C273의 경우에는 1~2년을 주기로 밝기가 변한다는 것을 알아냈습니다.
퀘이사가 1~2년을 주기로 밝기가 변한다면 그 퀘이사의 크기는 아무리 커도 정보가 1~2년 안에 도달할 수 있는 크기보다 클 수 없다는 말입니다. 그리고 정보가 전달되는 가장 빠른 속도는 빛의 속도니까 빛의 속도로 1~2년 걸리는 거리, 즉 1~2광년이 이 퀘이사 크기의 한계라는 것입니다.”
아직은 이것이 무슨 소리인지 모를 사람이 많을 테지만 저자의 설명을 조금 더 들어보자.
“비유를 해볼까요? 오늘 밤에 100명의 사람이 학교 운동장에 동그랗게 모여 있다고 해봅시다. 손에는 하나씩 손전등을 들고 말입니다. 사람들 한가운데 있던 별 아저씨가 주변의 사람들에게 ‘등을 켜세요’라고 귓속말로 말하면 이 말을 들은 사람은 자기 손전등을 켜고 다음 사람에게 ‘등을 켜세요’라고 전달합니다. 이렇게 100명의 사람이 모두 손전등을 켜는 데는 시간이 좀 걸리겠지요? 이번에는 다시 ‘등을 끄세요’라고 얘기합니다. 귓속말로 한 사람씩 전달해서 모든 사람들이 전등을 끄기까지는 또 긴 시간이 걸릴 겁니다. 그런데 만일 사람들이 100명이 아니라 1,000명이 모여 있었다고 하면 어떨까요? 이 사람들이 모두 전등을 켰다가 끄기까지는 시간이 훨씬 더 걸릴 겁니다. 학교 앞산에 과학 선생님이 올라가 있다고 합시다. 과학 선생님은 멀리 운동장에 있는 사람들을 볼 수는 없지만, 사람들이 비추는 불빛 전체를 볼 수는 있지요. 그리고 별 아저씨가 등을 켜고 끄는 것을 반복함에 따라 전체 불빛이 차츰 밝아졌다가 어두워지는 것을 볼 수 있답니다. 사람들의 불빛이 완전히 어두워졌다가 가장 밝아지는 데까지 걸리는 시간을 재보면 대략 사람들이 얼마나 많이 모여 있는지를 알 수 있는 거지요.”
“사람들이 많이 모여 있을수록 더 넓은 공간을 차지하고 있으니까 귓속말로 정보를 전달해야 거리가 길어지는군요. 불빛이 맑아졌다 어두워지는 시간은 바로 이 거리에 비례하는 것이고요.” (133~134쪽)
저 운동장에서의 실험을 이해했다면, 이제 당신은 천문학자들이 퀘이사의 크기를 어떻게 밝혀냈는지를 이해한 것이다. 퀘이사가 블랙홀이라는 것이 밝혀진, 즉 블랙홀의 존재가 최초로 검증된 천문학자들의 방식을 이해했다는 것이다.
뿐만 아니라 많은 사람들이 궁금해하는 블랙홀에 대한 질문들도 빼놓지 않았다. ‘블랙홀이 지구를 빨아들인다면?’ ‘블랙홀로 여행을 갈 수 있을까?’ ‘블랙홀에 빨려들어가는 사람이 사라지는 것을 볼 수 있을까?’ ‘블랙홀로 빨려 들어간 빛이나 물질들은 어디로 갈까?’ ‘블랙홀을 통한 시간 여행이나 우주여행을 할 수 있을까?’와 같이 (특히 성인이 되어서는) 쉽게 묻거나 쉽게 답을 얻기 힘든 (혹은 부끄러운) 질문들에 답을 준다. 이미 많은 정보와 지식으로 무장한 천문학자의 입장에서라면 황당할 수 있는 질문이지만, 우종학에게 그런 질문은 황당한 것이 아니다. 우주의 발견, 나아가 과학이라는 것은 열려 있는 마음과 상상에서 출발하는 것이라고 믿기 때문이다. 천문학계에서 가장 주요한 주제로 떠오른 블랙홀 역시 눈으로 검증되기 전에는 상상과 호기심에서 출발한 엽기적 아이디어에 불과했다.
빛, 물질, 인간의 호기심과 열정까지 빨아들이는 블랙홀의 중력!
2009년은 세계 천문의 해다. 그 유명한 갈릴레오가 망원경으로 우주를 관측하기 시작한 지 400년이 되는 해이기 때문이다. 우주를 다루는 천문학은 상상과 호기심이라는 인간 종의 가장 매력적인 뇌 활동에서 출발한다. 직접 망원경을 제작해 천체를 관측했던 400년 전의 갈릴레오나 매해 수조원을 들여 우주에 망원경을 띄우는 지금의 인간이나 마찬가지다. 블랙홀은 무수한 우주의 대상 가운데서도 인간의 호기심과 상상, 열정이 없었다면 전혀 알 수 없었을 존재 중 하나다.
애초에 블랙홀에 대한 아이디어가 나왔던 200여년 전, 이 아이디어는 그야말로 황당하고 엽기적인 아이디어였다(블랙홀이 ‘블랙홀’이라는 이름을 갖게 된 것도 50년이 채 되지 않는다). 너무나 강력한 중력으로 빛조차도 잡아먹는다는 검은 별의 존재는 당시 천문학계를 뒤흔들만한 대단한 것이었다. 이 아이디어를 처음 논문으로 발표한 영국의 존 미셸은 뛰어난 과학자로 평가받고 있었음에도, 당시의 패러다임 때문에 그의 뛰어난 아이디어는 곧 묻히게 된다. 빛을 잡아먹는 검은 별에 대한 미셸의 아이디어는 빛이 알갱이라는 입자설에 기초한 것이었는데, 당시 토마스 영의 실험으로 빛이 파동이라는 주장이 힘을 얻었기 때문이었다(물론 지금은 빛이 입자와 파동의 성질을 모두 띠고 있다는 것이 정설이다). 하지만 인간들의 결정과는 상관없이 블랙홀은 우주에 여전히 존재하고 있었고, 미셸의 검은 별은 200년이 지나서야 아인슈타인과 슈바르츠실트를 만나 다시 부활하게 된다. 그렇다고 해서 블랙홀이 받아들여졌느냐 하면 그건 또 아니었다.
“블랙홀은 과학자들 사이에서 철저히 외면당한다. 일반상대성이론의 주창자인 아인슈타인마저도 슈바르츠실트의 특이점은 존재하지 않는다고 주장했다. 1939년에 발표한 논문에서 아인슈타인은 자신의 연구가 왜 슈바르츠실트의 특이점이 실제로 우주에는 존재하지 않는지를 보여준다고 기술하면서, 자신의 일반상대성이론이 낳은 블랙홀의 실재를 외면했다.”(82쪽)
이런 상황은 찬드라세카에게도 마찬가지였다. 그는 유명한 ‘찬드라 세카 한계’에 대한 계산을 완성해 무거운 별의 죽음에서 태어나는 블랙홀을 제시한 인물로 20세기가 낳은 위대한 천체물리학자 중 한 명이다. 찬드라 세카는 이 연구로 1983년에 노벨상을 받았지만, 그가 노벨상을 수상한 시점은 그가 이 문제에 몰두해 논문을 발표한 지 50년이 지난 때였다.
“넉 달 만에 나온 결과를 흥분된 마음으로 런던의 학회에 발표했지만 그의 연구 결과는 심각한 도전에 부딪혔다. 뜻밖의 적은 바로 에딩턴 교수였다. (중략) 영국을 비롯해 전 세계에서 존경받는 거물이었던 에딩턴의 반대는 결국 찬드라 세카의 위대한 결과를 몇 년 동안 사장시키고 말았다. 양자역학과 상대성이론에 정통했던 몇몇 이론물리학자들이 찬드라 세카의 편에 섰지만, 새로운 이론물리학에 아직 익숙하지 않았던 천문학계가 일반상대성이론이 발표된 지 얼마 지나지 않았던 그 시절에 상대성이론을 이해했던 몇 안 되던 사람 중 하나였고 학계의 거물이었던 에딩턴의 권위에 따랐던 것은 불행한 일이었다. 1930년대 후반이 되어서야 에딩턴이 실수했음을 알게 되었고, 그로부터 약 50년 후 찬드라 세카는 이 연구 결과를 인정받아 드디어 노벨 물리학상을 받았다.” (201쪽)
블랙홀의 구구절절한 사연을 읽다 보면, 닫혀있는 사고와 태도에서 출발한 과학이 얼마나 위험한 것인지 잘 드러난다. 블랙홀의 사연을 전해주는 저자는 이에 대한 경고도 잊지 않는다.
“우주가 어떠해야 한다는 전제에서 출발한 과학은 매우 위험하다. 그토록 위대한 과학자들도 형이상학적, 철학적, 신학적 전제에서 출발했기 때문에 많은 실수를 저질렀다. 행성들이 지구가 아닌 태양을 중심으로 공전하는 태양 중심 모형이 실제로 밤하늘에 관측되는 행성들의 움직임을 훨씬 더 잘 설명한다고 보았던 코페르니쿠스도 천체의 운동은 완벽한 원이어야만 한다는 편견 때문에 주전원을 없애지 못했다.”(83쪽)
“과학의 한계에 대한 철저한 인식은 과학을 과학답게 만든다. 미지 세계 보존의 법칙이 지켜지는 과학의 세계에서 벼는 익을수록 고개를 숙인다. 자연과 우주를 정복하겠다는 제국주의적 과학이 설 공간은 우리가 사는 3차원 세계에는 더 이상 존재하지 않는다.”(23쪽)
하지만 인간의 호기심과 상상력이 여기에서 멈출 리가 없다. 200여년 전부터 외면받아온 블랙홀은 1963년, 마르텐 슈미트가 전파를 내는 괴상한 별들의 정체를 밝히기 위해 고심하던 와중에 발견된다. 이 괴상한 별들의 정체가 바로 퀘이사였고, 이것이 우리가 알고 있는 블랙홀의 정체다. 미셸이 검은 별 아이디어를 발표한 지 200여 년 후, 슈바르츠실트가 전쟁 중에 읽은 아인슈타인의 논문에 감명을 받고 다시 블랙홀의 존재를 내보인 지 50여 년 후에나 발견된 것이다. 게다가 슈미트가 퀘이사의 정체를 밝혀낼 수 있었던 것은 동시대 호주의 해저드라는 천문학자가 기발한 아이디어로 전파를 내는 전파원의 위치를 정확히 파악했기 때문이었다. 달에 의해서 전파원이 가려졌다가 다시 나타나는 순간을 이용하면 이 전파원이 어디에 위치하는가를 정확히 알아낼 수 있다는 기발한 생각이었다. 그리고 전파원의 위치에서 발견한 너무나 밝은 별이 바로 퀘이사였다. 이후 퀘이사가 아주 작으면서도 은하보다도 훨씬 밝다는 것이 밝혀지면서 슈미트는 이것이 블랙홀이라는 결론을 내린다.
빛조차도 빨아들이는 엄청난 중력체인 블랙홀은 이렇게 200여 년간 끊이지 않은 인간의 호기심과 상상력, 열정으로 세상에 빛을 봤다. 그리고 퀘이사의 발견 이후에도 인간의 호기심은 여전히 블랙홀에 빨려 들고 있다. 블랙홀이 어떻게 만들어지는가에서부터, 우주의 탄생과 진화에 블랙홀이 어떻게 관계하고 있는지, 거대 블랙홀의 집은 어디인지, 무거운 별이 죽으면 어떻게 작은 블랙홀이 되는지, 블랙홀이 뿜어내는 제트 현상은 무엇인지. 블랙홀의 정체를 밝히려는 여러 가지 질문들은 해결된 것도 있지만 여전히 풀어야 할 것들이 훨씬 많다. 이 숙제를 풀기 위해 지금 수많은 인간들은 400년 전 갈릴레오가 그리했듯 망원경을 세우고, 관측하고, 노력한다. 《블랙홀 교향곡》은 블랙홀에 대한 이야기인 동시에 블랙홀을 둘러싼 인간의 호기심과 열정, 상상에 대한 이야기이기도 하다. 지금도 블랙홀을 향한 인간의 열정은 현재 진행형이다.
이 책의 저자 역시 블랙홀의 중력에 빨려들어 간 수많은 인물 중 하나이긴 하다.
“스티븐 호킹의 《시간의 역사》가 어떻게 베스트셀러가 되었는지는 출판계의 불가사의라더군요. 그 책은 결코 대중들이 읽기에 쉬운 책이 아니기 때문입니다. 저도 예외는 아니었나 봅니다. 블랙홀이 갖는 의미를 제대로 이해할 수 없었던 그 어린 시절에 블랙홀에 매료되었을 리는 만무하고, 겨우 물리학 전공과목들을 듣기 시작한 대학 시절에도 어쩐지 블랙홀은 매력이 없었거든요. 그러던 어느 날 블랙홀은 불쑥 제 삶의 중심부로 들어왔어요. 한번 가까이 갔다가 블랙홀이 내는 엄청난 중력에 영원히 갇혀버린 셈이죠.”(25쪽)
[인터넷 교보문고 제공]
