우리는 하나의 종種으로서 한 세기 전만 해도 그 누구도 상상조차 하지 못한 수준으로 우리 주변 세계와 우주에 대한 지식을 갖추고 있다. 무슨 일이 일어나고 있든 간에, 우리는 자연 세계를 유례없는 수준으로 이해하고 있고, 우리가 일상에서 경험하고 있는 세계는 전체에 비하면 미미한 일부분에 불과하다. 우리 삶은 cm, m, km, 더 나아간다면 아마 수천 km 규모로 펼쳐질 것이다. 그러나 우리는 더 작은 규모, 원자핵의 크기보다 훨씬 더 작은 규모의 자연도 안다. 또 상상도 할 수 없을 만치 먼 거리까지 펼쳐진 우주도 안다. 더욱 놀라운 점은 수십억 년 전 우주에서 일어난 사건들도 알며(정말로 안다) 앞으로 수백억 년 뒤에 어떤 일이 일어날지도 거의 확실히 말할 수 있다는 것이다. 정말로 특별한 시기다.
---「우주 들여다보기」중에서
물리학자들은 두 집단으로 나뉜다. 실험을 설계하고, 구성하고, 진행하며, 도출된 데이터를 분석하는 일에 많은 시간을 투입하는 집단, 그리고 이론을 창안하고, 실험을 제안하며, 어떤 결과가 나올지 예측하고, 실험 결과를 이론과 비교하는 집단이다.[…] 물론 현대 이론가의 모범 사례는 알베르트 아인슈타인이다. 아인슈타인은 1905년 놀라운 세 논문을 내놓으면서 혜성처럼 등장했다. 그중 특수상대성이론과 광전 효과, 이 두 가지가 가장 유명하다. 후자는 그에게 노벨상을 안겨주었다. 그러나 대부분의 물리학 학생들이 그가 브라운 운동을 연구했다는 사실은 잘 모른다. 이 연구는 원자의 실상을 정립하는 데 많은 기여를 했고, 물 1cm3 안에 원자가 몇 개 있는지를 합리적으로, 꽤 정확히 추정했으며(아보가드로 수), 물리학뿐 아니라 화학과 생물학에도 지대한 영향을 미쳤다. 이 연구들은 모두 어느 정도는 순수한 사고와 기존 실험 자료 분석을 조합한 산물이었다. 그리고 스스로를 이론물리학자라고 부르는 모든 이들이 모방하려고 시도하는 모범 사례이기도 하다.
---「실험과 이론」중에서
뉴저지 홈델의 벨 연구소에서 일하던 두 물리학자 아노 펜지어스Arno Penzias와 로버트 윌슨Robert Wilson은 전파천문학을 연구할 커다란 안테나를 만들었다. 그들은 성실한 실험자들이었기에 먼저 장치를 검사하고자 했고 아무런 신호도 들리지 않으리라 예상하고서 안테나를 아무것도 보이지 않는 하늘로 돌려놓고 검사했다. 그런데 뭔가 신호가 잡혔다. 자동차 라디오를 돌릴 때 들을 수 있는 웅웅거리는 배경 소음과 다소 비슷했다. 처음에 그들은 장비에 문제가 있다고 생각해 문제의 원인을 알아내고자 이런저런 검사를 시작했다. 원인을 찾아내지 못하자, 그들은 비둘기들이 안테나에 둥지를 튼 것을 보고는 새똥이 원인이 아닐까 추정했다. 그래서 안테나를 분해해 청소까지 했다. 그래도 신호는 여전히 들렸다. 그러던 중 그들은 프린스턴대학교의 천체물리학자인 로버트 디키Robert Dicke와 짐 피블스Jim Peebles를 만났다. 두 천체물리학자는 전부터 우주마이크로파배경복사 문제를 붙들고 씨름하고 있었다.
피블스는 이론 쪽이었고, 디키는 그것을 찾아낼 실험을 고안하고 있었다. 그들이 벨 연구소의 두 연구자에게 그 복사의 진동수와 세기를 설명하자마자, 펜지어스와 윌슨은 자신들이 발견한
신호가 그것이 맞는지 알아내는 일에 착수했다. 물론 이 이야기의 요점은 바로 그 신호가 맞았다는 것이다. 초기 데이터는 빈약했다. 신호의 세기가 약해서 그 진동수의 값 몇 개만 알아볼 수 있었지만, 그 뒤로 몇 년에 걸쳐 헌신적으로 측정을 계속하자 상황은 극적으로 개선되었다. 곧 신호의 세기, 신호가 진동수에 따라 달라지는 양상이 가모와 앨퍼, 이어서 피블스를 비롯한 이들이 예측한 것과 정확히 들어맞는다는 사실이 명백해졌다. 사실 지금은 이론과 실험이 더할 나위 없이 완벽하게 들어맞는다.
---「 ‘우주’란 무엇을 뜻할까」중에서
뉴턴 물리학에서 에너지는 어떤 값이든 취할 수 있다. 즉 에너지는 수학자들이 연속체continuum라고 부르는 것을 이룬다. 다시 말해, 에너지는 1.000000단위가 될 수도 있고, 1.000001단위가 될 수도 있다. 즉 에너지값은 소수점 아래로 원하는 만큼 얼마든지 길어질 수 있다. 그런데 플랑크는 원자 체계 내에서 에너지는 딱딱 끊어지는 특정한 값만을 취할 수 있다는 가설을 세웠다. 이를테면 1.00000, 2.000000 하는 식으로 말이다. 그는 적외선보다 가시광선, 가시광선보다 X선이 이 값이 더 크고, 감마선일 때에는 더욱더 크다고 주장했다. 온도가 낮은 흑체복사에서는 가시광선, X선, 감마선이 생성되지 않는다. 흑체의 온도가 그런 복사를 뿜어낼 가장 낮은 에너지 덩어리, 즉 에너지의 양자quantum를 생산하는 데 필요한 최소 수준에 미치지 못하기 때문이다.
플랑크의 가설은 측정 자료와 아주 잘 들어맞았다. 1905년 아인슈타인은 노벨상을 안겨줄 연구를 했다. 그는 플랑크의 가설을 다른 방향으로 적용하여 물질의 빛 방출뿐 아니라 흡수absorption도 불연속적인 에너지 단위의 형태로 일어난다고 주장했다. 1907년 그는 빛 자체가 불연속적인 광자, 즉 입자로 이루어졌다고 주장함으로써 한 단계 더 나아갔다. 그는 그 입자에 광자라는 이름을 붙였다. 이제 뉴턴 세계관은 심각한 문제에 처했다. 뉴턴 물리학으로는 이 에너지의 불연속성을 설명할 수가 없었다. 이 불연속성은 양자화quantization라고 불리게 된다.
---「양자역학으로 미래를 예측할 수 있을까?」중에서
우리가 어릴 때 했을 법한 질문 중 하나는 이것이다. 우주는 무엇으로 이루어져 있을까? 1930년대에 과학자들은 우리 주변에 있는 물질의 기본 구성단위가 원자이며, 원자가 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있음을 이해했다. 그런 이해를 토대로 우리는 별 같은 상대적으로 무거운 천체들을 이해하는 쪽으로 나아갔다. 이런 입자들이 존재하는 거의 모든 것을 설명한다고 가정하는 것은 자연스러웠다. 그런데 사실은 그렇지 않다. 우주에 있는 물질의 대부분은 어떤 다른 형태로 존재한다. 바로 악명 높은 암흑물질이 그것이다. […] 1930년대에 츠비키는 코마은하단에 있는 별들의 운동을 연구했다. 지구에서 약 3억 2,000만 광년 떨어진 곳에 있는 1,000개가 넘는 은하들의 집합인 이 은하단에는 100조 개가 넘는 별이 있다.
그는 눈에 보이는 별만으로는 별들의 빠른 운동을 설명할 수 없다는 것을 알아차렸다. 그들의 중력 자체만으로는 별들이 산산이 흩어지는 것을 막기에 부족해 보였다. 그는 은하단에 망원경으로 볼 수 있는 것보다 더 많은 물질이 있을 것이 틀림없다는 가설을 세웠고, 그것에 암흑물질이라는 이름을 붙였다. 흥미로운 내용이긴 했지만, 그 연구 결과를 놓고 오랫동안 회의론이 팽배했고, 코마은하단의 이 특징이 전형적인 것인지도 불분명했다. 사실 츠비키는 그 은하단 속 보통물질의 양을 상당히 과소평가했기에 암흑물질의 양을 과대평가한 셈이었다. […] 현재 암흑물질의 증거는 은하에 있는 별의 운동뿐만 아니라 은하단에 있는 은하의 운동 그리고 더 간접적으로는 질량 때문에 별과 은하에서 지구로 오는 빛이 구부러지는 ‘중력 렌즈’ 효과로부터도 얻는다. 아인슈타인 이론을 통해 우리는 질량을 지닌 더 친숙한 천체들이 보여주듯이 중력이 광선(광자)의 경로를 바꾼다는 것을 안다. 지구로 오는 별빛이 어떻게 왜곡되는지 연구함으로써, 천문학자들은 별들과 지구 사이에 보이지 않는 질량이 대량으로 있다는 증거를 찾아냈다. 암흑물질의 또 다른 증거는 우주에 있는 원소의 양과 우주마이크로파배경복사의 연구로부터 나온다.
---「우주는 무엇으로 이루어져 있을까?」중에서