최고의 석학이 들려주는 첨단 물리학 명강의
지금 우리는 우주에 대해 무엇을 알고, 또 이해해야 할까?

20세기 초반부터 오늘날에 이르기까지 지난 한 세기 남짓, 물리학의 성장은 눈이 부실 정도다. 뉴턴으로 대표되는 고전역학은 그 자체로도 많은 것을 설명해주었지만, 현대물리학은 그 한계에서 벗어나 한 걸음 도약함으로써 이제 더 많은 질문에 대답할 수 있게 되었다. 그와 함께 세계에 대한 우리의 인식도 대폭 확장되었다. 물질의 가장 작은 단위인 원자보다 더 작은 입자들의 움직임은 어떤 법칙을 따르는지, 우주는 어떻게 탄생했으며 특히 빅뱅 직후 어떤 일들이 벌어졌는지, 우주는 왜 텅 비어 있는 것이 아니라 무언가로 차 있는지, 그리고 이 우주의 대부분을 채우고 있는 물질의 실체는 무엇인지…. 양자역학, 상대성이론, 끈이론 등 첨단 물리학 분야에서 탁월한 연구 업적을 쌓아온 저자는 지금 우리가 아주 ‘특별한’ 시기를 살고 있음을 강조한다. 인류 역사상 그 어느 때보다도 세계와 우주에 대해 많은 것이 드러나게 된 지금, 물리학을 안다는 것은 앞으로 우리가 어떤 세상에서 살아가게 될지를 아는 것과 같기에 이러한 주요 개념들에 대한 이해가 필요하다는 점도 이야기한다.

불확실한 미래를 향해 끊임없이 상상의 나래를 펼친 개척자들
물리학의 역사는 곧 물리학자들이 펼친 도전의 역사

현대물리학은 ‘이론’과 ‘실험’이라는 두 분야, 즉 실험을 제안하며 결과를 예측하는 이론물리학, 그리고 실험을 설계·구성·진행하며 이를 통해 도출된 데이터를 분석하는 데 많은 시간을 투입하는 실험물리학 이렇게 양쪽으로 나뉘어 있다. 저자는 이론물리학자로서 자신의 역할에서 시작해 각각의 영역이 어떻게 협업하고 연결되는지를 소개한다. 나아가 물리학사에 등장하는 수많은 물리학자에 대한 이야기들도 흥미롭게 펼쳐낸다.

이 책을 읽는 또 다른 재미는 바로 이 물리학자들의 고군분투, 인간적인 면모, 때로는 무모해 보이기까지 하는 도전기가 가감 없이 드러난 지점에 있다. 줄지어 등장하는 수많은 물리학자들 가운데는 말년에 조폐국장 자리에 앉아 위조범 처형에 골몰한 뉴턴이라든지, 수학적 지식이 부족해 일반성대성이론 정립에 애를 먹어 본의 아니게 후배 물리학자들에게 수학의 중요성을 일깨워주게 된 아인슈타인, 빅뱅의 증거이자 우주 생성을 입증하는 화석과도 같은 존재인 우주마이크로파배경복사의 정체를 아주 우연히 발견해 노벨상까지 거머쥔 과학자 펜지어스와 윌슨, 그리고 백인 남성 위주의 과학사에서 흔히 간과되기 일쑤였고 차별과 편견에 맞서 싸워야 했던 여성 과학자들도 다수 등장한다. 무엇보다도 이 책을 통해 물리학의 역사는 곧 불확실한 우주를 향해 때로는 상상의 날개를 펼치며 무모한 도전을 서슴지 않았던 물리학자들이 펼친 도전의 역사임을 확인하게 된다.

물리학의 미래는 곧 인류의 미래
우리에게 남은 과제는 무엇이며 또 어떻게 풀어갈 것인가

책 속에 등장하는 수많은 물리학자와 함께 자주 등장해 눈길을 끄는 것이 있으니 바로 현대 물리학 발전의 산실인 대형입자가속기다. 최신의 물리학 업적은 미국 시카고 인근의 페르미랩, 멘로파크의 스탠퍼드선형가속기센터, 스위스 제네바의 유럽입자물리연구소(CERN) 그리고 일본의 KEK 등 다양한 거대입자가속기들을 중심으로 이루어졌다고 해도 과언이 아니다. 저자는 이러한 첨단 물리학 실험실인 대형입자가속기들을 중심으로 우주를 구성하는 입자들의 실체, 우주 기원 등 앞으로 이루어질 물리학의 미래 과제에 대해 상세하게 다룬다.

우리가 흔히 접하는 물리학책들은 이미 어느 정도 합의에 이른 이야기들, 이미 이루어놓은 성과 즉 빅뱅에서 시작하는 표준모형을 토대로 한 이야기들에만 집중하는 경우가 많다. 그리고 중력과 양자론을 조화시키는 문제, 우주의 구조, 빅뱅 이전의 시간에 대한 문제, 우주가 몇 차원인가 하는 문제 등 물리학이 아직 진전을 이루지 못한 부분에 대해서는 대충 훑는 정도에 그치는 경우가 대부분이다. 하지만 이 책은 오히려 물리학자들이 정확한 해답을 찾지 못한 부분들에 대해서도 상당히 심도 있고 솔직하게 다루며 물리학의 미래가 곧 인류의 미래라고 해도 과언이 아님을 확인시켜준다. 그리하여 이 책은 인류는 어떤 질문을 던지고 또 답하며 미지의 세계를 향한 도전을 이어나갈지, 험난하고 복잡하게만 느껴졌던 현대물리학 항해에서 나침반이 되어준다.

추천사

고전역학, 양자역학, 전자기학, 상대론, 시간과 공간, 소립자, 그리고 우주. 이런 주제들을 드문드문 알고 있던 독자라면 이 책을 읽어볼 가치가 있다. 여러 이론들의 흥망성쇠 이야기를 속사정까지 정확하게 들을 수 있는 것은 저자가 물리학계에서는 이른바 ‘인싸’ 현장 전문가이기 때문이다. 또한 여태까지 나온 책들 중에서 이 책만큼 여성이나 동양인 등 소수 과학자에 대해 균형 있게 소개한 책은 없다.
- 이순칠 (카이스트KAIST 물리학 교수, 《퀀텀의 세계》 저자)

현대 물리학이 이룬 놀라운 발견 그리고 우리에게 남아 있는 엄청난 도전과제들… 이론물리학과 실험물리학 양쪽의 세계를 흥미롭고도 폭넓게 보여준다.
- 에드워드 위튼 (프린스턴고등연구소 교수, 초끈이론의 대가)

탁월한 물리학자이자 이목을 사로잡는 이야기꾼이 들려주는, 지적 호기심을 자극하는 걸작!
- 프리얌바다 나타라잔 (예일대학교 교수)

출간 자체로 희귀 사건! 진정한 대가가 현대 기초 물리학의 주요 개념들을 탁월하게 개괄한다.
- 숀 캐럴 (이론물리학자이자 《다세계》 저자)

우주와 우주를 지배하는 법칙에 관해, 우리가 아는 것, 우리가 알고 싶은 것, 우리가 모르는 것을 돌아보는 탁월한 여행기.
- 레너드 서스킨드 (스탠퍼드대학교 이론물리학 교수이자 《물리의 정석》, 《블랙홀 전쟁》 저자)

탁월한 대중과학서! 빅뱅, 인플레이션, 은하, 블랙홀, 암흑물질과 암흑에너지, 끈이론, 초대칭과 같은 문제를 상세하게, 때로는 냉정하게 설명한다.
- 〈커커스 리뷰〉

이론물리학의 역사, 현 상황 그리고 연구에 대한 쉽고도, 인상적이며, 완전한 설명.
- 〈피직스 투데이〉

책 속에서

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 일어난다고주장했다. 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

첫 번째 걸음
1장 우주 들여다보기
2장 공간과 시간은 당연한 것일까?
3장 ‘우주’란 무엇을 뜻할까?

두 번째 걸음
4장 양자역학으로 미래를 예측할 수 있을까?
5장 원자력 시대의 열매
6장 가장 작은 것들의 무게
7장 스타가 된 물리학자들

그다음 걸음
8장 우주는 왜 무가 아닌 유인가?
9장 ‘큰 수 문제’
10장 우주는 무엇으로 이루어져 있을까?
11장 암흑에너지

그리고 불안정한 세계로
12장 모든 것들의 시작
13장 최종이론에 도달할 수 있을까?
14장 우주의 풍경과 실체
15장 이론물리학의 주사위 굴리기

주
감사의 말
역자 후기
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