지칠 줄 모르는 지적 호기심은 인간을 지구상의 평범한 생명체에 머물지 않고 만물의 영장으로 이끈 요인이다. 호기심의 대상은 우리 주위를 둘러싸고 있는 삼라만상에 머무르지 않고 자아自我까지 포괄한다. “상상력이 미치는 가장 큰 공간인 우주는 어떤 모습을 하고 있으며 우주를 구성하는 기본입자는 무엇인가? 나는 누구이고, 또 어디로 갈 것인가?”와 같은 근본적인 질문은 인류의 역사와 함께했다. 이런 궁극의 질문인 Urfrage에 대한 시원한 답을 얻을 수는 없겠지만, 현대물리학이 다루는 중요한 연구대상인 시간과 공간을 이야기하면서 과학적 관점에서 궁극의 질문에 접근하고자 했다. ‘공간, 시간, 그리고 우리’는 대학에서 물리학을 가르치며 30여 년간 거시적 양자 현상인 초전도 물성연구에 몰두하는 물리학자가 다루기에는 너무나 벅찬 주제다. 평범한 물리학자가 다룰 수 있는 수준으로 논지를 좁히기 위해 제1장에서는 ‘물리학이란 무엇인가? 와 물리학자의 임무’에 대해 눈높이를 맞춘 후, ‘물리학은 진리를 탐구하는 학문이냐?’라고 하는 화두를 던졌다. 제2장과 제3장에서는 인류 지성들이 이룩한 공간과 시간에 대한 놀라운 학문적 성취를 알아보고, 또 조금이나마 그들의 고민에 동참하려 했다. 제4장은 현대물리학적 관점에서 바라본 시공간을 논했다. 현대물리학의 양대 축인 상대성이론과 양자물리학은 공간과 시간을 완전히 다른 방식으로 해석한다. 공간은 텅비어있지 않고 물질은 공간을 가득 채우지도 못한다. 시간이 실존하는 물리량인지 불분명하고, 또 시간이 흐르고 있는지도 확실치 않다. 지연된 양자 지우개 실험을 논하는 과정에서는 ‘사건의 원인인 과거가 그 결과인 현재보다 앞서야 한다’는 우리의 직관마저흔들리고 만다.

과학사와 과학철학은 비판적 사고 없이 과학의 발전은 불가능하다고 역설한다. 과학도 불완전한 인간의 지적 활동이므로 약점을 지닐 수밖에 없다. 비판적 사고는 과학자가 항상 기억해야 할 책무일 뿐만 아니라, 평범한 삶을 살아가는 보통 인간도 반드시 명심해야 할 덕목이라는 점을 지적하고 싶다. 제5장에서는 ‘선의로 이룩한 과학적 업적이 인류에 지대한 악영향을 끼친 사례와 비판적 사고를 하지 않은 평범한 사람이 인류사에 남긴 만행’을 사례로 들며 우리를 성찰했다. 비판적 사고는 기존의 패러다임과 기득권이 이끌어가는 대세에 대한 저항이어야 한다.

21세기 인류는 과감하게 영생과 인간의 지능을 뛰어넘는 인공지능이라는 소위 특이점을 이야기하기 시작했다. 하지만 지구 온난화, 핵무기와 원전 사고의 위협, 심화하는 빈부 격차 그리고 2020년 전 세계적 팬데믹을 초래한 COVID-19 공포의 엄습도 우리가 직면한 엄연한 현실이다. 급변하는 시대에 사는 우리에게 필요한 덕목으로 공감을 꼽고 싶다. 타인에 대한 공감, 다른 생명체에 대한 공감, 자연에 대한 공감, 그리고 자신에 대한 공감이 절실히 요구된다. 로맹가리는 그로칼랭이라는 소설N에서 “희망을 품지 않으면 확실히 죽도록 무서울 일도 없다. 희망과 공포는 늘 붙어 다닌다”라고 했다. 이 책에서 우리를 돌아보고자 한 이유도 미래에 대한 희망이다. ‘공간 속의 시간, 시간 속의 공간, 그리고 우리의 이야기’로 핵심적인 물리학적 질문을 다루는 동시에 우리 삶을 관통하는 화두를 던지고자 했다. 저자의 짧은 지식과 편협된 사고의 틀 때문에 조그마한 실마리도 찾지 못하고 미완으로 끝을 맺게 되어 아쉬움이 짙게 묻어난다.

나치 수용소 생존자이자 레지스탕트 구성원이었고 훗날 프랑스 외교관을 역임했던 스테판 에셀이 노년에 남긴 역작 ‘분노하라’의 마지막 문장으로 이 책의 머리말을 장식하고자 한다.

“21세기를 만들어 나갈 당신들에게 우리는 애정을 다해 말한다. ‘창조, 그것은 저항이며, 저항 그것은 창조다’라고”.

제1장 물리학이란? 1

1.1 물리학이란? 그리고 물리학자의 임무 1

1.2 현대물리학이란? 11

1.3 과학은 발전하는가? 24

1.4 한계를 인정하는 현대물리학 31

1.5 우주에 대해 알고 있는 것들 그리고 모르고 있는 것들 34

1.6 환원주의적 관점에서 살펴본 물리학 48

제2장 공간 61

2.1 공간은 존재하는가? 

2.2 상상할 수 있는 가장 큰 공간 -우주의 크기- 

2.3 과학의 대상이 된 우주 

2.4 우리는 3차원 공간에 살고 있는가? 

2.5 끈이론과 여분 차원 

2.6 공간은 텅 비어있는가? 

2.7 물질로 채워진 공간은 그렇다면 꽉 찬 공간인가? 

부록 1 

제3장 시간 121

3.1 시간이란? 121

3.2 시간과 씨름했던 현인들 124

3.3 시간과 인과율, 그리고 시간여행 127

3.4 시간의 측정 131

3.5 뉴턴의 절대적 시간과 라이프니츠의 시간 135

3.6 시간의 화살 137

3.7 시간은 실존하는 것인가? 172

부록 2 175

제4장 현대물리학의 시공간 179

4.1 시공간이란? 179

4.2 에테르를 찾아서 182

4.3 상대론적 시간 185

4.4 양자물리학의 세계 203

4.5 양자물리학적 시간 221

제5장 시공간속의 나, 우리 229