“고대 그리스인들이 처음 제안한 원자의 개념에서
137억 2천만 년 전 빅뱅으로 탄생한 우주 이야기까지”

《수학 오디세이》의 앤 루니, 이번엔 물리학이다!

'우주라는 거대한 책을 이해하기 위해서는 수학이라는 언어를 이해하는 법을 배워야 한다.'
갈릴레오 갈릴레이의 유명한 말이다. 숫자에 얽힌 기이한 사건에서 괴짜 수학자들의 일화까지, 수학의 놀라운 역사와 원리를 쉽고 재미있게 소개해주었던 《수학 오디세이》의 저자 앤 루니의 두 번째 역작, 《물리학 오디세이》가 출간됐다.
물리학은 모든 과학의 토대가 되는 기초 과학이다. 수학이라는 언어로 작성된 물리학이라는 도구를 이용해 우리는 우리를 둘러싼 세계를 탐구한다. 이 책은 물질이 더 이상 나눌 수 없는 원자들로 구성되어 있다고 처음 제안한 고대 그리스인들의 이야기부터 137억 2천만 년 전 빅뱅으로 탄생한 우주 이야기까지, 흥미진진한 물리학의 역사를 꼼꼼히 추적해 재미있게 들려준다.
앤 루니는 방대한 자료를 바탕으로 과학과 역사 등의 다양한 주제로 100여 권의 책을 집필했으며 전통 있는 아벤티스 과학서적상 후보로 끊임없이 거론되고 있는 작가이다. 《수학 오디세이》, 《물리학 오디세이》로 이어지는 그녀의 지적 탐험은 앞으로 의학, 철학 등의 분야로도 계속 만날 예정이다.


단언컨대, 올해의 가장 큰 화제는 힉스 입자!!

2012년 과학계의 가장 큰 뉴스는 단연코 힉스 입자의 발견이었다. 그리고 2013년 3월 14일, 유럽입자물리연구소(CERN)에서 '신의 입자'로 불리는 힉스 입자 발견을 공식 발표했고 올해 10월, 힉스 입자의 존재를 예측한 피터 힉스 교수와 프랑수아 앙글레르 교수가 노벨물리학상 수상자로 선정되었다. 이러한 화제들로 물리학계는 전에 없는 뜨거운 관심을 받고 있다.
힉스 입자 발견의 가치는 무엇일까? 입자에 질량이 부여되는 과정에 대한 가설인 힉스 메커니즘을 증명한 공로로 노벨물리학상이 수여됐다는데 입자는 뭐고 질량이 부여된다는 건 무슨 의미일까? 사실 그런 엄청난 의미를 짐작하기는커녕 먼저 입자, 분자니 소립자, 미립자니 하는 단어부터 헷갈린다. 분자가 작던가, 원자가 작던가? 쿼크, 글루온은 또 뭔가?
《물리학 오디세이》는 물질에 대한 탐구의 역사에서부터 시작한다. 원자론의 개념을 처음 제안했던 고대 그리스에서부터 그 후 아랍의 과학을 거쳐 르네상스, 계몽주의 시대 그리고 마침내 우주 물질의 기원을 밝힌 현대의 과학에 이르기까지 사물의 본질과 근원을 찾으려 끊임없이 노력했던 물리학의 역사를 소개한다.


아는 사람은 알고, 모르는 사람은 영 모르는 물리학 이야기

물질을 이루는 가장 최소 단위는 무엇일까? 빛의 속도를 측정하려는 시도는 과연 누가 무엇때문에 했을까? 관성, 중력, 운동에너지, 질량과 속도의 관계와 같은 말들이 의미하는 것은? 아인슈타인의 특수 상대성 이론 논문의 부록에 포함된 방정식이 의미하는 것은 과연 무엇일까?
물리학에 관련된 일상다반사의 이러한 질문과 의문들은 관심의 정도에 따라 아는 사람은 알고, 모르는 사람은 영 모르는 것들이다. 어떤 이는 의문을 가졌으니 만만치 않은 이론서를 뒤져서라도 알아내려 할 것이고, 어떤 이는 잠깐 의문을 품다 쉽게 잊어버릴 터. 《물리학 오디세이》는 이렇듯 심상하게 품을 수 있는 물리에 관련된 의문들을 자연스럽게 풀어준다. 가볍게 읽어나가다 보면 최소한 앞서의 궁금증 정도는 자연스럽게 알 수 있도록 도와준다.


시행착오와 오류, 우연과 기적의 역사

《물리학 오디세이》에서는 의문을 가지고 그 의문을 해결하기 위해 집요하게 파헤치는 과학자들의 뒷이야기까지 만나볼 수 있다.
뜨개바늘로 자신의 눈알을 이리저리 눌러서 변형되는 안구에 따라 색깔 감각이 어떻게 달라지는지 알아보려 한 뉴턴의 이야기나 번개가 전기와 관련이 있다는 사실을 밝히기 위해 빗속에서 연을 날리며 실험했던 벤자민 프랭클린의 이야기까지. 물리학의 역사는 수많은 과학자들의 시행착오와 오류, 우연과 기적의 역사였다. 자칫 엉뚱하기도 하고, 무모하리만치 위험해 보이는 그들의 실험이야기나 혹은 과학의 뒷이야기, 발견과 발명이 어떻게 탄생하는지를 《물리학 오디세이》를 통해 살펴볼 수 있다. 몸으로 직접 혹은 다양한 도구를 이용하는 실험에서부터 머릿속에서 생각해서 진행하는, 종이와 연필만으로 이루어지는 사고 실험까지 다양한 이야기들이 우리를 과학의 세계로 친절하게 안내해준다.


물리학계의 괴짜 과학자들

르네 데카르트는 일이 가장 잘 되는 시간이 침대에 누워 있을 때라고 말하곤 했고, 아침에도 늦게 일어나는 것으로 유명했다. 그가 생각해낸 정밀과학 분야에서 이룩한 최고의 업적이라는 찬사를 받는 직각 좌표계도 침대에 누워 날아다니는 파리를 보고 생각해냈다고 한다. 스웨덴 여왕의 개인 교사가 되어 매일 새벽 5시에 강의하게 된 것이 원인이 된 것인지 다섯 달 만에 폐렴으로 사망한 것을 보면 그것이 그저 게으름이라고 하기에도 뭣하다.
고전 역학에서의 운동량의 개념과 유사한 이론을 발전시켰던 장 뷔리당은 프랑스 왕비와의 불륜으로 격노한 프랑스 왕의 지시에 따라 자루에 담겨 세느 강에 던져져 죽었다고 전해진다.
과학에 대한 뜨거운 열정을 지니고 뛰어난 업적을 남겼던 뉴턴은 평소 까다롭고 거만한 성격으로 악명이 높았다. 특히 로버트 훅과는 평생 앙숙으로 지냈는데, 로버트 훅이 죽자 왕립 학회에 있던 그의 초상화를 없애버렸을 정도였다고 하니 그쯤 되면 광기라고 해도 되지 않을까.


우아함과 완전함의 이론, 물리학

물리학은 다른 방식으로 설명될 가능성이 없는 오직 하나뿐인, 그래서 가장 아름답고 우아한 이론을 추구하는 학문이다. 또한 물리학은 물질과 자연에 대한 일반적인 분석에서 우주가 어떤 방식으로 존재하는지를 이해하는 학문이다. 물질의 근본을 찾아 고민하고 연구하고 혼란에 빠지기도 하며 끊임없이 이어져온 가장 오래된 과학의 역사는 곧 물리학의 역사이다. 그럼에도 우리는 겨우 우주의 4%만을 알고 있을 뿐이며, 나머지 96%는 여전히 미지의 세계로 남아 있다. 인류가 우주의 비밀에 한 발짝 더 다가선 것만은 분명한 사실이지만, 물리학이 헤쳐나가야 할 세계는 아직도 넓고 깊다. 《물리학 오디세이》는 원자보다 작은 미립자의 세계에서 137억 2천만 년 전 빅뱅으로 탄생한 우주에 이르기까지 물리학의 역사를 꼼꼼하게 추적해준다.

현대 물리학에서 당연시되는 원자론, 즉 물질은 입자가 빽빽하게 들어찬 형태가 아니라 내부의 대부분이 비어있다는 이론은 이미 2천5백 년 전에 제시된 것이다. 그러나 현대적 의미의 원자론이 물리학자들에게 받아들여진 것은 불과 100여 년밖에 되지 않았다. 그때까지 원자론은 불신과 조롱의 대상이었다. - 21쪽

엠페도클레스는 만물이 네 가지 '근원' 즉 물, 불, 공기, 흙의 네 가지 성분으로 이루어져 있다고 가르쳤다. 이 모형은 서구 역사상 가장 위대하고 영향력이 컸던 학자 아리스토텔레스에 의해 다시 다듬어지고 완성되었다. 플라톤은 엠페도클레스가 뿌리라고 부른 것에 '원소elements'라는 이름을 붙였고 제자인 아리스토텔레스는 그 용어를 사용했다. - 28~29쪽

경험주의자였던 라부아지에는 '나는 사실에 근거하여 진실을 찾아내고자 했고, 가급적 (상상력이 가미된) 추론에 의지하지 않으려 했다. 또한, 추론이 신뢰할 만한 과학적 도구가 아니고 나 자신을 속일 수 있다고 생각하기 때문에 항상 추론보다는 관측과 실험을 주요한 연구 방법으로 삼았다'라고 말하기도 했다. 또한 그가 발견한 질량 보존의 법칙 ― 화학 반응에서 질량이 생겨나지도, 사라지지도 않는다는 ― 은 후대에 이르러 원자 수준에서의 화학 반응을 이해하는 데 매우 중요한 원리로 자리 잡았다. 그러나 정작 그 자신은 원자론자가 아니었는데, 이는 원자론이 철학적 관점에서 불가능한 것이라 여겼기 때문이었다. - 44쪽

인류는 수천 년 동안 태양과 달, 별 그리고 불꽃에서 전구에 이르기까지 다양한 종류의 빛을 이용해왔다. 인간의 삶에서 빛이 차지하는 비중은 절대적이어서, 대부분의 종교와 미신에서 빛은 생명을 좌우하는 신성한 힘으로 여겨져 왔다. 이처럼 빛은 인류의 역사에서 특별한 자리에 위치하고 있다. 지금은 물리학적 관점에서 빛이 파동인 동시에 입자라고 이해하지만, 수세기에 걸쳐 사람들은 빛을 조물주 또는 원소나 입자 때로는 파동으로 바라보았다.
- 51쪽

뭉툭한 뜨개바늘을 눈꺼풀과 눈알 사이로 가능한 한 깊이 밀어 넣었다. 이리저리 눈알을 눌러서 다양한 형태로 눈알이 변형되게 하자 희고 검고, 다양한 색깔의 동그라미와 여러 모습의 형상이 보이는 것이 느껴졌다. 뜨개바늘로 눈알을 문지를 때는 동그라미에 별다른 변화가 없었지만, 눈알을 누르면 동그라미가 약간 커지다가 눈알을 움직이거나 뜨개바늘을 빼면 사라졌다. -뉴턴의 노트 중(케임브리지 대학 도서관 도서번호 CUL MS Add. 3995) - 67쪽

1906년 아인슈타인의 논문이 발표된 후 입자가 파동처럼 보일 수도 있다는 사실이 더 이상 불가능한 것으로 간주되지 않았던 데에는 이유가 있었다.
그의 특수 상대성 이론 논문의 부록에 포함된 방정식 때문이었는데, 이것은 나중에 다듬어진 형태에 비하면 좀 복잡하긴 했지만 그 뜻은 다음과 같은 것이었다.
에너지 = 질량광속의 제곱
E=mc2
이것은 아마 세상에서 가장 유명한 방정식일 것이다.
세계를 바꾼 이 방정식은 뉴턴의 《프린키피아Principia》 못지않게 중요했으며, 이것이 말하는 바는 에너지가 결국 물질의 다른 형태라는 것이었다. 또한 물질은 매우 거대한 크기의 에너지로 변환될 수 있다는 뜻이었다. 여기가 바로 원자력과 핵무기의 출발점이다. 원자의 핵을 뒤흔들어 엄청난 양의 에너지를 얻어내기 때문이다. - 168쪽

아인슈타인의 이 이론은 1971년 빠른 속도로 비행하는 항공기에 실린 원자시계가 지상에 설치된 똑같은 원자시계보다 약간이지만 느리게 가는 것이 확인되며 입증되었다. 하지만 이 방법으로 1초를 벌려면 지구 둘레를 1,800억 바퀴나 돌아야한다는 점을 고려해본다면 초고속 비행기에 타서 더 오래 살아보겠다는 것은 그다지 좋은 생각이 아닐 수도 있다. - 261쪽

그렇다면 힉스 입자는 어떻게 찾는 것일까? 물리학자들은 유럽입자물리연구소CERN가 스위스 제네바의 지하에 건설한 강입자충돌기LHC와 시카고의 페르미 연구소에 있는 유사한 장치인 테바트론Tevatron을 이용하고 있으며, '꼭대기 쿼크top quark'의 존재는 이미 1995년 페르미 연구소에서 확인되었다. 입자가속기는 원형의 터널에서 고속으로 입자를 반대 방향으로 쏘아 서로 부딪히게 만드는 구조로 되어 있다 - 281~282쪽

이론은 물리학의 신세계를 열어가는 끈 이론의 최신 결과물이다. 기존의 끈 이론에 하나의 차원을 더해 11개 차원을 다루는 것이 가장 큰 차이점이다. M-이론은 진동하는 끈에 점 입자와 2차원의 막膜, membrane, 3차원으로 표현되는 형상 그리고 시각적으로 표현할 수 없는 보다 복잡한 요소들인 p-브레인brane(p의 값은 0에서 9 사이)이 더해진 것이다. 내부의 공간이 접히는 방법에 따라 전자가 전하를 띤다든지 중력 같은 우주의 법칙이 정해지게 된다. 그러므로 M-이론에 의하면 서로 다른 자연법칙을 갖는 우주가 무려 10500개까지도 존재할 수 있다. - 285쪽

들어가며: 우주라는 책008

CHAPTER 1. 물질에 대한 탐구
최초의 물리학자? 022┃작고 근본적인 물질 028┃고체물리학의 탄생 041┃원자와 원소 043

CHAPTER 2. 빛의 탐구 - 광학
빛에 대한 최초의 탐구 052┃암흑에서 벗어나다 059┃파동 선단과 양자 069┃새로운 관점 - 전자기파의 탄생 073┃빛의 속도로 079

CHAPTER 3. 힘과 물체 - 역학
움직이는 물체의 운동법칙 088┃역학이란 092┃고전 역학의 탄생 098┃공기와 물 107┃역학의 이용 113

CHAPTER 4. 에너지
에너지는 보존된다 120┃열역학 125┃열과 빛 133┃전기의 발견 137┃전기와 자기의 만남 144┃새로운 파동의 발견 150

CHAPTER 5. 원자의 내부
원자를 나누면 158┃양자로 설명된다 165┃핵 분열 182┃우리가 알던 원자는 더 이상 존재하지 않는다 186

CHAPTER 6. 별이란 무엇일까
돌로 새겨진 별의 흔적 198┃바라보기만 하는 것은 이제 그만 202┃다시 '지구는 돈다' 213┃망원경의 발명이 가져온 것 222┃위대한 천문학자 갈릴레오 224┃별의 목록을 만들다 229┃멀고도 먼 곳 232┃별의 일생 244

CHAPTER 7. 공간과 시간은 한 덩어리
시간의 역사 256┃모든 것은 상대적이다 259┃다시 처음으로 263┃우주알에서 시작된 빅뱅 268

CHAPTER 8. 미래의 물리학
처음부터 다시 시작하기 276┃신의 입자, 힉스를 밝히다 280 ┃우주의 비밀을 향해 한 걸음 더 283

찾아보기 286
이 책에 실린 사진의 출처 289