숀캐럴
저자:숀캐럴
이론물리학자이자과학철학자.존스홉킨스대학교물리학과및철학과의자연철학홈우드교수이자센타페이연구소프랙털연구단단장이다.오랫동안암흑물질,암흑에너지,대칭성깨짐,여분의차원과같은주제를중심으로우주론과장이론,중력에관해연구하며천체물리학의새로운지평을개척해왔다.현재는양자역학과통계역학의근본문제로관심을옮겨확률의기원,시공간의출현,엔트로피와시간의화살,복잡성과창발에대해탐구하고있다.
1993년하버드대학교에서천문학연구로박사학위를받은뒤MIT와UC샌타바버라이론물리연구소에서박사후연구원을지냈다.시카고대학교물리학과에서조교수로재직하며카빌우주물리연구소를이끌었고,이후캘리포니아공과대학교물리학과연구교수를역임했다.지은책으로《다세계》《빅픽쳐》《현대물리학,시간과우주의비밀에답하다》등이있다.
이책은3부작으로구성된《우주의가장위대한생각들TheBiggestIdeasintheUniverse》시리즈의첫번째책으로고전역학에서시작해현대물리학이포착한공간과시간그리고운동을다룬다.저자는팬데믹기간동안물리학자로서세상에기여할수있는방법을찾다가물리법칙을기술하는수식이면에담긴깊은의미를사람들에게알리고자온라인에서48회에걸쳐고전역학에서상대성이론,그리고양자역학과복잡계이론을아우르는‘우주의가장위대한생각들’강연을진행하였다.이시리즈는저자의온라인강연에기반을두고있다.
역자:김영태
물리학자.UC버클리에서고체물리학연구로박사학위를받았다.미국로런스버클리연구소에서연구원을역임하였고이후아주대학교물리학과교수로부임하여현재명예교수로재직중이다.지은책으로는《세상모든것의원리,물리》《현대물리,불가능에마침표를찍다》등이있고옮긴책으로는《다세계》《현대물리학:시간과우주의비밀에답하다》《물리가날미치게해》등이있다.
서문
1보존
2변화
3동역학
4공간
5시간
6시공간
7기하학
8중력
9블랙홀
부록
부록A:함수,도함수및적분
부록B:연결과곡률
역자후기
찾아보기
“물리학자처럼시공간을이해하고싶다면,바로이책.”
-김범준성균관대학교물리학과교수
물리학의기본개념부터우주의본질까지,
이론물리학자숀캐럴의직강!
인류는아주오래전부터,어쩌면언어가체계화되기이전부터우리가살고있는이세계가어떻게생겨났고어떻게작동하는지연구했을것이다.그들은태양과달과별의움직임을관찰하며천문학을발달시켰고,방향과거리를재며기하학을낳았다.힘과무게를계산하며운동량을산출해건축물을지었다.맨처음아주단순했던인류의산술은세상의비밀이밝혀짐에맞춰조금씩복잡해졌고,이제는전문가도이해하기힘든고차방정식의세계가되었다.오로지추론만으로세상의성질을탐구하던자연철학은이제수십가지하위분야를거느린물리학이되었다.
이책은‘우주의가장위대한생각들’3부작의첫번째책으로,17세기뉴턴에의해정립된고전역학부터20세기아인슈타인이발견한특수상대성이론과일반상대성이론을다룬다.공간,시간및변화의본질에대한심오한질문들에답하는고전역학,휘어진시공간에관한아인슈타인의아이디어,그리고블랙홀과중력파같은천체현상까지,이책은수세기전에시작한수학적아이디어들에서시작해최신의물리학이거둔성과까지담고있다.
현대과학은이제소수의교육받은사람만이간신히이해하는정밀학문이되었다.이책의저자인존스홉킨스대학교의이론물리학자숀캐럴은이시리즈를통해이처럼체계화되고복잡해진현대과학의가장중요하고복잡한구성요소의베일을벗겨내는작업을수행했다.“가장믿기어려운개념에대한가장믿을만한설명자”로서그는독특하고명쾌한목소리로현대물리학의실체를알리는근본적인아이디어를제시한다.
현대의물리학은우주의작동방식에대한깊은통찰을제공한다.하지만그러한통찰은매우복잡한방정식의형태로제시되곤한다.은유와모호한해석에의존해현대물리학을간접적으로소개하는기존의교양과학도서들과는달리이책은현대물리학의주요방정식들을직접들여다본다.어려운내용을에두르지않고직접다룸으로써이책은아인슈타인이자신의일반상대성이론을설명하는데사용한바로그방정식을이해하도록독자들을안내한다.60년전에이루어진리처드파인만의전설적인강의전통을따르는이책은앞으로오랫동안모든문화와세대가공감할보는방식에대한영감을주는눈부신소개서가될것이다.
우주에대해인류가성취한‘가장위대한생각들’
숀캐럴의‘우주의가장위대한생각들’시리즈는세권의책으로이루어져있다.‘공간,시간,운동’‘양자와장’그리고‘복잡성과창발’이그것이다.이책《우주의가장위대한생각들-공간,시간,운동》은그중첫째권으로,17세기뉴턴에의해정립된고전역학에서부터20세기아인슈타인이발견한특수상대성이론과일반상대성이론을다룬다.
고전역학과특수상대성이론은평평한3차원공간에서일어나는물체의운동을다루는역학이론이며,일반상대성이론은휘어진4차원시공간에서일어나는물체의운동을다루는것으로,그성질이사뭇다르다.이둘을중심으로고전역학과현대역학을나누기도한다.
역학의탄생과상대성이론의개념이정교하게다듬어지는과정에서물체의위치,속도,가속도,운동량,에너지,라그랑주역학,해밀턴역학,물리량의보존,최소작용의원리,등가원리등다양한아이디어가제시되고그에대한정확한정의가만들어졌다.이책은그러한여러개념의정의를소개하고,그각각이어떤방식으로적용되어현대과학의성과로이어졌는지를설명한다.
고전역학에서시작해100여년동안이어져온과학의발전덕분에인류는이제우주의참모습을많이이해하게되었다.이론적호기심의대상일뿐이었던블랙홀이실제로관측되면서그놀라운성질들이속속밝혀지고있다.이책을읽으면서독자들은당연하다고무심하게생각했던공간과시간의신비함과차이등도다시생각해보게될것이다.한때그안의천체를담는빈그릇으로여겨졌던우주는이책과함께스스로생명을지닌격동의현상임이생생하게느껴질것이다.
“이책을읽고나면아인슈타인의방정식속
모든기호의의미와관계를이해할수있다.”
“문장은일반상대성이론이무엇인지느끼도록해주지만,방정식은실제로무슨일이일어나는지를정확하고도명확하게알려줍니다.”_본문에서
인기있는과학교양도서는늘“읽기쉽다”고,수식과도표가없다고자랑하곤한다.그러나이렇게접근하는것은과학에대한피상적인지식만을습득할뿐그바탕을이루는원리까지장악하지는못한다.진짜내용에다가서지못한채가장중요한수학적진수를일상용어로대충풀이한이미지와은유만을얻을뿐이다.
이책의저자숀캐럴은대중성을강조한교양과학서적에는항상“가장중요한것이빠져있다”고말한다.과학의매력을느끼는것과그매력이어떤과정을거쳐일어나는지를명확하게아는것은분명다른일이다.과학의스펙터클뒤에숨겨진원리를알게되면경이로움이한층더해진다.그래서이책에는제법많은방정식풀이가있다.e=mc2이라는단순한방정식을이루는기호의의미를이해하기전에는아인슈타인의이론을이해한다고말할수없기때문이다.
물리학교육은주로방정식풀이를배우는것으로구성되어있다.수학없이물리학을배울수있다는것은일종의기만이다.저자가“고등학교대수학정도의수준이더라도기꺼이방정식을들여다보고그의미를사고하려는사람들을”위해썼다고밝혔듯이기꺼이지적도전을즐기려하는사람에게이책은만족스러운도전의기회가될것이다.
지적도전을즐기는당신을위한
타협없는진짜물리학강의
공부를한다는것은새로운세상을만나는것이다.이책은기초물리학에관심이있는사람,특히물리학을전공하는대학생뿐아니라물리학과우주론에관심이있는일반인,심화된과학공부를통해이과대학진로를탐색하는고등학생들에게대학에서접하게될물리적논쟁의유형에대해훌륭한아이디어를제공할것이다.스스로수학실력이충분하지않다고생각하는사람들은마치대학수업을듣는듯이이책을따라최신물리학의논의와수학적직관을훈련할수있을것이다.또한이미수학과과학에충분한지식을갖춘전문가라면저자의이야기를풀어나가는저자의솜씨에서많은영감을받을것이다.
이시리즈의목표는현대물리학의최전선을구축하는전문가와대중의지식격차를줄이는것이다.독자들은추측보다는확립된지식에중점을두고물리학이성취한위대한성과를정확히알게될것이다.본문의설명만으로내용을쫓아가기버거워하는독자들을위해복잡한수학적설명은부록에서더욱자세히제시했다.또한저자의유튜브채널에서본문의내용에관한모든강의영상을확인할수있다.정통과학콘텐츠로서는드물게3년만에누적조회수1000만회에이를정도로놀라운인기를끌고있는영상을통해독자들은세계적인스타교수가진행하는물리학입문수업을들을수있다.
우주는무엇이며,무엇으로이루어져있으며,어떻게작동하는가?
세상의본질을탐구하는고전역학
이책의1장에서는‘보존’의개념을다룬다.수많은우주의패턴중가장단순한것은“시간이지나도특성이변하지않는”것이며,인류는거기서비롯된예측가능성덕분에물리학이라는학문을세울수있었다.물리학자들에게보존이란‘시간이지나도일정한것’을의미한다.에너지,운동량,정보,각운동량등물리학의가장기본적인물리량은시간이지나도동일하다.보존을이해하는것은현대이전의과학으로부터현대의과학으로전환하는첫번째단계이다.
2장은‘변화’를다룬다.한계의전체역사를구성하려면한상태로부터다른상태로의결괏값을뽑아내야한다.이때다음상태는현재상태와물리학법칙들이결정한다.행성들의진행,은하의움직임,빛의방향등‘어떤물리량의순간변화율’과‘시간에따라변화하는물리량들’은미적분을이용해해결되었다.
3장에서는변화보다훨씬복잡한개념인‘동역학’을만난다.변화가완전히일반적인개념이라면동역학은구체적으로물리학방정식들을따르는변화에만관계되는개념이다.동역학적관점을취하게되면궁극적으로계의역사전체를고려하는전역적관점에서역학을재구성할수있다.
4장은우리가살고있는,혹은우리를둘러싸고있는‘공간’의개념을탐구한다.오랫동안공간에대해서는사물혹은사물이지닌한가지성질이라는실체주의와관계주의라는두가지견해가대립해왔다.공간에대한질문들은해밀턴역학으로우리를이끈다.뉴턴역학과미묘하게다른이역학은공간이왜그토록중요한개념인지이해하는데결정적인역할을한다.
5장은물리학에서가장중요한요소이자그실체를둘러싼논쟁이가장활발히일어나는‘시간’에대해설명한다.저자는시간을“우주에우리자신을위치시키는방법의한부분”으로설명한다.시간이존재하지않는다면운동,진화,변화란있을수없다.과거는정해져있고미래는열려있다.직관적으로,시간은과거로부터미래로흐르는것으로보인다.여기서는현재주의,영속주의,가능주의등시간을둘러싼논쟁을살펴볼수있다.
보이지않는것을어떻게보이게할것인가?
증명불가능한것들을증명하는현대역학
6장에서는아인슈타인이특수상대성이론을통해공간과시간을생각하는새로운개념인‘시공간’개념을다룬다.시간과공간이독립적으로존재하는것이라는오랜통념은아인슈타인에의해하나로묶였다.시공간을통합된4차원의연속체라생각하게되면시공간의개념에대해완전히새로운결론에다다른다.
7장은‘기하학’이라는학문의탄생부터현대적응용까지를다룬다.기하학은흔히2차원평면위직선과곡선들의성질을연구하는학문으로받아들인다.전통적인유클리드기하학은평평하고휘어져있지않은특수한2차원공간에서만유효하다.하지만세상은3차원의공간이고휘어져있다.우주의곡률은유클리드기하학너머리만기하학에서답을찾아야한다.
8은중력을다룬다.중력은우주의네가지힘중물체가가진전하에따라각기다른영향을미치는나머지세힘들과달리모든것에같은방식으로영향을미친다.이때문에중력을시공간자체의성질로생각하는사고의전환이가능하다.중력이무엇이며우리가사는우주에서어떻게작용하는지는아인슈타인방정식에따라파악할수있다.
9장에서는마지막으로우주의가장큰수수께끼중하나인‘블랙홀을다룬다.오랫동안블랙홀은이론적호기심의대상이었다.그러나2020년노벨물리학상이세명의블랙홀연구자에게돌아가면서현대천문학의선두주자가되었다.천문학자들은우리은하에만수억개의항성질량블랙홀이있으리라추정한다.우주에수천억개의은하가있음을감안하면블랙홀은우주를이해하는중요한창이될것이다.
추천사
“뉴턴의고전역학에서아인슈타인의일반상대론까지,진자의운동에서블랙홀의사건의지평선까지.이모두를설명하는대중과학책은불가능하다고믿었다.이책을펼치기전까지는.수학의언어로표현되는고전물리의근본원리를저자보다더잘설명할수는없을것이다.시공간과물체의운동을물리학자처럼이해하고자하는모든사람에게이책을추천한다.”
-김범준(《세상물정의물리학》저자,성균관대학교물리학과교수)
“지극히단순하고핵심적이다.숀캐럴과같은사상가만이그난해한아인슈타인의일반상대성이론을이렇게명쾌하고확실하게안내할수있다.”
-카를로로벨리(《시간은흐르지않는다》저자)
“‘우주의가장위대한생각들’시리즈의세권중첫번째인이책에서저자는물리학에대해사람들이항상혼란스러워하는부분을친절하게설명하며깨달음과궁극적으로경이로움을느낄수있도록안내한다.”
-스티븐스트로가츠(《미적분의힘》저자)
“물리학의전통적인엘리트주의를거부한이책은대수학에그리능숙하지않지만우주전체를이해하고자하는모든사람을환영한다.물리학이일상의가십거리가되는세상을꿈꾸는저자는이책에서우주의가장큰생각들을이해하는데필요한도구들을제공하며그꿈을실현하고자했다.”
-찬다프레스코드와인스타인(《나의사랑스럽고불평등한코스모스》저자)
“불가능하다고생각한대중과학과전문물리학자의수학적세계를잇는교각과같은책.”
-브라이언클레그(《그림으로보는모든순간의과학》저자)
“물리학자들이실제로생각하는것의바탕에있는수학적이론을설명하는이시리즈는물리학자와비전문가의큰간격을메울것이며,이첫번째책이그역할을훌륭하게수행할것이다.”
-필립볼(《자연의패턴》의저자)
“이책은이상화만을강조하는대중서적과방정식만을훈련시키는과학교과서의간극을매우는21세기판상대성이론안내서이다.보통사람을위한완벽한가이드북이다.”
-존그리빈(서섹스대학교이론물리학명예교수)