최고의석학이들려주는첨단물리학명강의
지금우리는우주에대해무엇을알고,또이해해야할까?
20세기초반부터오늘날에이르기까지지난한세기남짓,물리학의성장은눈이부실정도다.뉴턴으로대표되는고전역학은그자체로도많은것을설명해주었지만,현대물리학은그한계에서벗어나한걸음도약함으로써이제더많은질문에대답할수있게되었다.그와함께세계에대한우리의인식도대폭확장되었다.물질의가장작은단위인원자보다더작은입자들의움직임은어떤법칙을따르는지,우주는어떻게탄생했으며특히빅뱅직후어떤일들이벌어졌는지,우주는왜텅비어있는것이아니라무언가로차있는지,그리고이우주의대부분을채우고있는물질의실체는무엇인지….양자역학,상대성이론,끈이론등첨단물리학분야에서탁월한연구업적을쌓아온저자는지금우리가아주‘특별한’시기를살고있음을강조한다.인류역사상그어느때보다도세계와우주에대해많은것이드러나게된지금,물리학을안다는것은앞으로우리가어떤세상에서살아가게될지를아는것과같기에이러한주요개념들에대한이해가필요하다는점도이야기한다.
불확실한미래를향해끊임없이상상의나래를펼친개척자들
물리학의역사는곧물리학자들이펼친도전의역사
현대물리학은‘이론’과‘실험’이라는두분야,즉실험을제안하며결과를예측하는이론물리학,그리고실험을설계·구성·진행하며이를통해도출된데이터를분석하는데많은시간을투입하는실험물리학이렇게양쪽으로나뉘어있다.저자는이론물리학자로서자신의역할에서시작해각각의영역이어떻게협업하고연결되는지를소개한다.나아가물리학사에등장하는수많은물리학자에대한이야기들도흥미롭게펼쳐낸다.
이책을읽는또다른재미는바로이물리학자들의고군분투,인간적인면모,때로는무모해보이기까지하는도전기가가감없이드러난지점에있다.줄지어등장하는수많은물리학자들가운데는말년에조폐국장자리에앉아위조범처형에골몰한뉴턴이라든지,수학적지식이부족해일반성대성이론정립에애를먹어본의아니게후배물리학자들에게수학의중요성을일깨워주게된아인슈타인,빅뱅의증거이자우주생성을입증하는화석과도같은존재인우주마이크로파배경복사의정체를아주우연히발견해노벨상까지거머쥔과학자펜지어스와윌슨,그리고백인남성위주의과학사에서흔히간과되기일쑤였고차별과편견에맞서싸워야했던여성과학자들도다수등장한다.무엇보다도이책을통해물리학의역사는곧불확실한우주를향해때로는상상의날개를펼치며무모한도전을서슴지않았던물리학자들이펼친도전의역사임을확인하게된다.
물리학의미래는곧인류의미래
우리에게남은과제는무엇이며또어떻게풀어갈것인가
책속에등장하는수많은물리학자와함께자주등장해눈길을끄는것이있으니바로현대물리학발전의산실인대형입자가속기다.최신의물리학업적은미국시카고인근의페르미랩,멘로파크의스탠퍼드선형가속기센터,스위스제네바의유럽입자물리연구소(CERN)그리고일본의KEK등다양한거대입자가속기들을중심으로이루어졌다고해도과언이아니다.저자는이러한첨단물리학실험실인대형입자가속기들을중심으로우주를구성하는입자들의실체,우주기원등앞으로이루어질물리학의미래과제에대해상세하게다룬다.
우리가흔히접하는물리학책들은이미어느정도합의에이른이야기들,이미이루어놓은성과즉빅뱅에서시작하는표준모형을토대로한이야기들에만집중하는경우가많다.그리고중력과양자론을조화시키는문제,우주의구조,빅뱅이전의시간에대한문제,우주가몇차원인가하는문제등물리학이아직진전을이루지못한부분에대해서는대충훑는정도에그치는경우가대부분이다.하지만이책은오히려물리학자들이정확한해답을찾지못한부분들에대해서도상당히심도있고솔직하게다루며물리학의미래가곧인류의미래라고해도과언이아님을확인시켜준다.그리하여이책은인류는어떤질문을던지고또답하며미지의세계를향한도전을이어나갈지,험난하고복잡하게만느껴졌던현대물리학항해에서나침반이되어준다.
추천사
고전역학,양자역학,전자기학,상대론,시간과공간,소립자,그리고우주.이런주제들을드문드문알고있던독자라면이책을읽어볼가치가있다.여러이론들의흥망성쇠이야기를속사정까지정확하게들을수있는것은저자가물리학계에서는이른바‘인싸’현장전문가이기때문이다.또한여태까지나온책들중에서이책만큼여성이나동양인등소수과학자에대해균형있게소개한책은없다.
-이순칠(카이스트KAIST물리학교수,《퀀텀의세계》저자)
현대물리학이이룬놀라운발견그리고우리에게남아있는엄청난도전과제들…이론물리학과실험물리학양쪽의세계를흥미롭고도폭넓게보여준다.
-에드워드위튼(프린스턴고등연구소교수,초끈이론의대가)
탁월한물리학자이자이목을사로잡는이야기꾼이들려주는,지적호기심을자극하는걸작!
-프리얌바다나타라잔(예일대학교교수)
출간자체로희귀사건!진정한대가가현대기초물리학의주요개념들을탁월하게개괄한다.
-숀캐럴(이론물리학자이자《다세계》저자)
우주와우주를지배하는법칙에관해,우리가아는것,우리가알고싶은것,우리가모르는것을돌아보는탁월한여행기.
-레너드서스킨드(스탠퍼드대학교이론물리학교수이자《물리의정석》,《블랙홀전쟁》저자)
탁월한대중과학서!빅뱅,인플레이션,은하,블랙홀,암흑물질과암흑에너지,끈이론,초대칭과같은문제를상세하게,때로는냉정하게설명한다.
-〈커커스리뷰〉
이론물리학의역사,현상황그리고연구에대한쉽고도,인상적이며,완전한설명.
-〈피직스투데이〉
책속에서
우리는하나의종種으로서한세기전만해도그누구도상상조차하지못한수준으로우리주변세계와우주에대한지식을갖추고있다.무슨일이일어나고있든간에,우리는자연세계를유례없는수준으로이해하고있고,우리가일상에서경험하고있는세계는전체에비하면미미한일부분에불과하다.우리삶은cm,m,km,더나아간다면아마수천km규모로펼쳐질것이다.그러나우리는더작은규모,원자핵의크기보다훨씬더작은규모의자연도안다.또상상도할수없을만치먼거리까지펼쳐진우주도안다.더욱놀라운점은수십억년전우주에서일어난사건들도알며(정말로안다)앞으로수백억년뒤에어떤일이일어날지도거의확실히말할수있다는것이다.정말로특별한시기다.
---「우주들여다보기」중에서
물리학자들은두집단으로나뉜다.실험을설계하고,구성하고,진행하며,도출된데이터를분석하는일에많은시간을투입하는집단,그리고이론을창안하고,실험을제안하며,어떤결과가나올지예측하고,실험결과를이론과비교하는집단이다.[…]물론현대이론가의모범사례는알베르트아인슈타인이다.아인슈타인은1905년놀라운세논문을내놓으면서혜성처럼등장했다.그중특수상대성이론과광전효과,이두가지가가장유명하다.후자는그에게노벨상을안겨주었다.그러나대부분의물리학학생들이그가브라운운동을연구했다는사실은잘모른다.이연구는원자의실상을정립하는데많은기여를했고,물1cm3안에원자가몇개있는지를합리적으로,꽤정확히추정했으며(아보가드로수),물리학뿐아니라화학과생물학에도지대한영향을미쳤다.이연구들은모두어느정도는순수한사고와기존실험자료분석을조합한산물이었다.그리고스스로를이론물리학자라고부르는모든이들이모방하려고시도하는모범사례이기도하다.
---「실험과이론」중에서
뉴저지홈델의벨연구소에서일하던두물리학자아노펜지어스ArnoPenzias와로버트윌슨RobertWilson은전파천문학을연구할커다란안테나를만들었다.그들은성실한실험자들이었기에먼저장치를검사하고자했고아무런신호도들리지않으리라예상하고서안테나를아무것도보이지않는하늘로돌려놓고검사했다.그런데뭔가신호가잡혔다.자동차라디오를돌릴때들을수있는웅웅거리는배경소음과다소비슷했다.처음에그들은장비에문제가있다고생각해문제의원인을알아내고자이런저런검사를시작했다.원인을찾아내지못하자,그들은비둘기들이안테나에둥지를튼것을보고는새똥이원인이아닐까추정했다.그래서안테나를분해해청소까지했다.그래도신호는여전히들렸다.그러던중그들은프린스턴대학교의천체물리학자인로버트디키RobertDicke와짐피블스JimPeebles를만났다.두천체물리학자는전부터우주마이크로파배경복사문제를붙들고씨름하고있었다.
피블스는이론쪽이었고,디키는그것을찾아낼실험을고안하고있었다.그들이벨연구소의두연구자에게그복사의진동수와세기를설명하자마자,펜지어스와윌슨은자신들이발견한신호가그것이맞는지알아내는일에착수했다.물론이이야기의요점은바로그신호가맞았다는것이다.초기데이터는빈약했다.신호의세기가약해서그진동수의값몇개만알아볼수있었지만,그뒤로몇년에걸쳐헌신적으로측정을계속하자상황은극적으로개선되었다.곧신호의세기,신호가진동수에따라달라지는양상이가모와앨퍼,이어서피블스를비롯한이들이예측한것과정확히들어맞는다는사실이명백해졌다.사실지금은이론과실험이더할나위없이완벽하게들어맞는다.
---「‘우주’란무엇을뜻할까」중에서
뉴턴물리학에서에너지는어떤값이든취할수있다.즉에너지는수학자들이연속체continuum라고부르는것을이룬다.다시말해,에너지는1.000000단위가될수도있고,1.000001단위가될수도있다.즉에너지값은소수점아래로원하는만큼얼마든지길어질수있다.그런데플랑크는원자체계내에서에너지는딱딱끊어지는특정한값만을취할수있다는가설을세웠다.이를테면1.00000,2.000000하는식으로말이다.그는적외선보다가시광선,가시광선보다X선이이값이더크고,감마선일때에는더욱더크다고주장했다.온도가낮은흑체복사에서는가시광선,X선,감마선이생성되지않는다.흑체의온도가그런복사를뿜어낼가장낮은에너지덩어리,즉에너지의양자quantum를생산하는데필요한최소수준에미치지못하기때문이다.
플랑크의가설은측정자료와아주잘들어맞았다.1905년아인슈타인은노벨상을안겨줄연구를했다.그는플랑크의가설을다른방향으로적용하여물질의빛방출뿐아니라흡수absorption도불연속적인에너지단위의형태로일어난다고주장했다.1907년그는빛자체가불연속적인광자,즉입자로이루어졌다고주장함으로써한단계더나아갔다.그는그입자에광자라는이름을붙였다.이제뉴턴세계관은심각한문제에처했다.뉴턴물리학으로는이에너지의불연속성을설명할수가없었다.이불연속성은양자화quantization라고불리게된다.
---「양자역학으로미래를예측할수있을까?」중에서
우리가어릴때했을법한질문중하나는이것이다.우주는무엇으로이루어져있을까?1930년대에과학자들은우리주변에있는물질의기본구성단위가원자이며,원자가양성자,중성자,전자로이루어져있음을이해했다.그런이해를토대로우리는별같은상대적으로무거운천체들을이해하는쪽으로나아갔다.이런입자들이존재하는거의모든것을설명한다고가정하는것은자연스러웠다.그런데사실은그렇지않다.우주에있는물질의대부분은어떤다른형태로존재한다.바로악명높은암흑물질이그것이다.[…]1930년대에츠비키는코마은하단에있는별들의운동을연구했다.지구에서약3억2,000만광년떨어진곳에있는1,000개가넘는은하들의집합인이은하단에는100조개가넘는별이있다.그는눈에보이는별만으로는별들의빠른운동을설명할수없다는것을알아차렸다.그들의중력자체만으로는별들이산산이흩어지는것을막기에부족해보였다.
그는은하단에망원경으로볼수있는것보다더많은물질이있을것이틀림없다는가설을세웠고,그것에암흑물질이라는이름을붙였다.흥미로운내용이긴했지만,그연구결과를놓고오랫동안회의론이팽배했고,코마은하단의이특징이전형적인것인지도불분명했다.사실츠비키는그은하단속보통물질의양을상당히과소평가했기에암흑물질의양을과대평가한셈이었다.[…]현재암흑물질의증거는은하에있는별의운동뿐만아니라은하단에있는은하의운동그리고더간접적으로는질량때문에별과은하에서지구로오는빛이구부러지는‘중력렌즈’효과로부터도얻는다.아인슈타인이론을통해우리는질량을지닌더친숙한천체들이보여주듯이중력이광선(광자)의경로를바꾼다는것을안다.지구로오는별빛이어떻게왜곡되는지연구함으로써,천문학자들은별들과지구사이에보이지않는질량이대량으로있다는증거를찾아냈다.암흑물질의또다른증거는우주에있는원소의양과우주마이크로파배경복사의연구로부터나온다.
---「우주는무엇으로이루어져있을까?」중에서
