출판사 서평
양자 역학의 이상한 나라에서 상대성 이론의 4차원 우주까지
한국 과학계 대표 석학 김제완의 재미있는 물리 이야기
물리학이 ‘업그레이드’ 된다
‘겨우 존재하는 것들’은 발견하기가 아주 힘들어? 존재하지 않는 것처럼 여겨졌던 중성미자를 일컫는 별명이었다. 그러나 중성미자만이 아니라 우리 우주 전체가, 우리 인생 전체가 ‘겨우 존재하는 것들’일지도 모른다. 대폭발 시의 초기 조건이 조금만 달랐어도, 우리 우주의 상숫값들이 조금만 어긋났어도, 우주의 모습은 지금 같지 않았을 것이고, 인류는커녕 생명이 탄생하지 못했을 수도 있다....
양자 역학의 이상한 나라에서 상대성 이론의 4차원 우주까지
한국 과학계 대표 석학 김제완의 재미있는 물리 이야기
물리학이 ‘업그레이드’ 된다
‘겨우 존재하는 것들’은 발견하기가 아주 힘들어 존재하지 않는 것처럼 여겨졌던 중성미자를 일컫는 별명이었다. 그러나 중성미자만이 아니라 우리 우주 전체가, 우리 인생 전체가 ‘겨우 존재하는 것들’일지도 모른다. 대폭발 시의 초기 조건이 조금만 달랐어도, 우리 우주의 상숫값들이 조금만 어긋났어도, 우주의 모습은 지금 같지 않았을 것이고, 인류는커녕 생명이 탄생하지 못했을 수도 있다. 물리학은 이처럼 겨우 존재하는 것들로 이루어진 미묘한 자연의 비밀을 탐구하는 학문이다.
한국과학문화진흥회 이사장으로서 2005년 ‘대한민국 아인슈타인 특별전’을 필두로 수많은 과학 문화 사업을 주재해 온 김제완 서울대 명예 교수의 『겨우 존재하는 것들 2.0』은 물리학의 역사와 결코 쉬지 않고 자연의 빔을 탐구해 온 물리학자들의 이야기를 소개하는 책이다.
초신성을 처음 발견한 케플러와 조선 시대 선조 대왕 때의 이름 없는 한국 천문학자들의 이야기에서 시작해 상대성 이론을 낳은 알베르트 아인슈타인, 양자 이론을 만든 플랑크와 러더퍼드 그리고 슈뢰딩거, 1950년대 이후 최고의 물리학 이론으로 평가받고 있는 표준 모형의 개척자인 스티븐 와인버그, 이휘소, 머리 겔만 등에게 이르기까지 물리학자들의 위대한 업적과 그들에 얽힌 일화가 소개되어 있다.
김제완 명예 교수는 수십 년간 물리학 연구를 해 왔고, 다양한 과학 문화 활동을 해 왔기 때문에 이 책에 거론되는 수많은 노벨상 수상자급의 연구자들과 직접적, 간접적 인간 관계를 이루고 있다. 한국 과학계의 마당발이라고 불리는 김제완 명예 교수는 이러한 인맥 풀을 바탕으로 아시아태평양이론물리센터를 설립하고, 다양한 과학 문화 사업을 벌여 왔다. 이러한 인간 관계의 경험은 이 책에도 아주 잘 녹아 있다. 각 물리학자들이 어떤 계기로 노벨상급의 연구를 하게 되었는지, 그 연구가 어떤 과정을 거쳐 진행되었는지, 개인적 성품은 어떤지가 생생하게 그려져 있는 것이다.
심오하고 난해한 물리학 이론을 가능하면 쉽게 풀어쓰기 위해 노력한 노련한 서술이 돋보이는 이 책은 물리학이 수식과 도표로 범벅이 된 무서운 성이 아니라 재미있게 즐길 수 있는 지적 놀이 시설임을 잘 보여 준다.
이 책은 1993년 민음사에서 출간되어 짧은 시간 안에 3만 부가 팔려 과학서도 베스트셀러가 될 수 있음을 보여 준 『겨우 존재하는 것들』의 두 번째 책이다. 『겨우 존재하는 것들』은 과학서라고 해 봐야 몇 권의 번역서가 전부였던 시절, 한국 과학자가 과학계에서의 삶과 경험을 바탕으로 자신이 수십 년간 연구해 온 분야의 고갱이를 알기 쉽게 소개하는 몇 안 되는 귀한 책이었고, 과학 정보에 굶주려 있던 국내 독자들은 이에 뜨겁게 반응했다. 1993년 『겨우 존재하는 것들』의 ‘업그레이드’ 버전이자, 두 번째 책인 『겨우 존재하는 것들 2.0』은 16년의 시간 속에서도 풍화되지 않은 김제완 명예 교수의 과학에 대한 애정과 과학 대중화에 대한 열정이 그대로 녹아 있는 책이다.
우주의 비밀을 밝히는 상대론과 양자론의 세계
그 옛날에는 어떤 물질이 있었을까? 과학자들은 원자나 원자핵은 없었고 말 그대로 기본 입자인 ‘쿼크’라는 원시 물질 요소와 빛이 있었다고 믿는다. 그렇다면 그것들은 무엇일까? 그리고 어떤 과정을 거쳐 우리가 흔히 보는 물질들이 되었을까?
이런 의문들을 이 책에서 파헤치고 설명할까 한다. 이것을 설명하기 위해 ‘상대성 이론’과 ‘양자론’이란 현대 과학의 ‘패러다임’도 소개할 것이다. 다소 어렵고 지루할 수도 있지만 ‘과학은 어렵다.’라는 편견만 지워 버리면 새로운 지적 즐거움을 얻을 수 있을 것이다. -본문에서
이 책은 초대형 반사 망원경을 만드는 데 평생을 바친 헤일과 헤일이 만든 망원경으로 우주가 대폭발에서 시작되어 150억 년 가까이 계속 팽창하고 있음을 증명한 허블과 천체 물리학자들이 우주 팽창을 입증하거나 먼 은하의 거리를 재는 데 사용하는 초신성 폭발의 이모저모를 소개한 1장 ?우주의 개척자들?, 아인슈타인 상대성 이론의 기초를 재미있는 일화와 비유를 통해 설명한 2장 ?천재의 생각?, 입자가 파동처럼 행동하고 물리학자들의 관측이 불확실성이라는 한계에 부딪치는 이상한 나라인 양자 역학의 세계를 소개하는 3장 ?두 얼굴의 티끌 우주?, 쿼크, 렙톤, 바리온, 중성미자 등 수많은 입자들이 난무하는 입자 물리학의 세계를 소개하는 4장 ?자연을 이루는 벽돌들?, 대폭발에서 현재까지 현대 우주론의 개요를 소개하는 5장 ?우주 창조의 원리?로 이루어져 있다.
아인슈타인의 상대성 이론과 양자 역학을 기초를 소개한 부분도 독특하고 재미있는 설명으로 읽을 만하지만 이 책에서 무엇보다 읽을 만한 부분은 자연을 이루는 벽돌들인 기본 입자(소립자)들의 세계를 해설한 부분이다.
1950년대까지는 대부분의 과학자들이 양성자, 중성자, 전자가 물질의 가장 기본적인 요소라고 생각했다. 하지만 입자 가속기가 만들어져 양성자, 중성자, 전자를 강한 에너지로 충돌시켜 보니 더 작은 물질 구성 요소들이 튀어나오기 시작했다. 쿼크, 렙톤, 바리온 같은 이 기본 입자들은 물리학자들의 뒤통수를 친 것이다. 입자 물리학자들은 무수히 쏟아져 나오는 이 입자들의 기본 원리를 설명하기 위해 온갖 아이디어를 짜내야 했고, 대칭성의 원리나 새로운 수학 이론 등을 이용해 이를 간신히 설명할 수 있는 ‘표준 모형’이라는 이론을 만들어 냈다. 현재 이 표준 모형은 현대 이론 물리학의 가장 근본적인 이론으로 평가받고 있다.
한국 입자 물리학을 대표하는 석학답게 저자는 이 입자 물리학의 발달 과정과 그 안에서 출몰한 난해한 물리학 이론들을 알기 쉽게, 알짜만 뽑아 소개하고 있다. 쿼크가 모여 중간자와 바리온 같은 더 큰 입자를 원리를 해명한 머리 겔만의 팔정도 개념이라든가, 입자 분류의 기본인 페르미온과 보손의 구분법, 파동과 입자의 성질을 동시에 띤 웨이클 개념, 힘이 게이지 보손 입자를 통해 전달되는 메커니즘 등을 일상적인 비유와 상상력을 일깨우는 비유들을 동원해 해설하고 있다. 입자 물리학의 세계가 궁금한 이들에게 부담 없이 그 세계의 일부를 일별할 수 있는 기회를 제공하는 것이다.
물리학은 우주가 인류에게 준 위대한 선물이다
끝없는 호기심과 자신에 넘친 과학자들은 건방지게도 하느님을 넘보기 시작한다. 이 세상은 왜 이렇게 만들어졌는지? 그 ‘디자인’은 어떤 감각에서 힌트를 얻었는지? 질문은 질문을 낳고 원자핵 속 깊숙한 곳에서 사는 소립자인 ‘쿼크’를 발견하면서 이들이 이 세상 만물과 생물을 이루는 원시 재료임을 확인한다. 과학자들은 이들이 마치 목욕탕의 삼각 무늬 타일과 같은 그런 구조를 가진 것을 알아내고 이것을 세상의 기본 ‘디자인’으로 받아들인다. 그러나 이들 쿼크는 전기나 자기의 힘과 결합할 때에는 삼각 무늬를 풀고 부부처럼 쌍을 이루어 행동한다. 이렇게 미시의 세계는 변화무상한 세계이기도 한 것이다. 상대성 이론을 믿는다면 우리는 미래로 미리 가 볼 수도 있다. 방법은 원리적으로는 간단하다. 특수 상대성 이론에 따르면 광속도에 가까운 속도로 여행을 하면 시간은 거의 흐르지 않는다. 따라서 이렇게 잠시 여행을 하고 지구에 돌아오면 이 땅의 시간은 몇 천 년이 흐르게 될 것이고 그는 그의 몇 십 대 후손을 만나게 될 것이다. 이처럼 미래로의 여행은 비교적 간단하다. 그렇다면 과거로의 여행은 할 수 있을까? 이런 것들을 우리는 좀 더 알아보아야 할 것이

평면에만 익숙한 김씨는 높은 탑 위에 살고 있었다. 내려갈 사다리가 없어서 김씨는 땅 위에 내려가지 못하고 있었다. 어느 날 김씨가 탑 위에서 내려다보니 아이들이 구슬치기를 하고 있었다. 한 아이가 구슬을 굴렸더니 똑바로 가지 않고 휘어지다가 어떤 곳에서는 원을 그리면서 돌기도 했다. 중력 때문에 지구나 행성들이 태양 주위를 맴도는 것도 알고 있는 유식한 김씨는 구슬이 둥근 원을 그리는 중심에는 보이지 않는 굉장히 무거운 물체가 있어 마치 지구를 잡아당기는 태양처럼 구슬을 잡아당기는 거라고 생각했다.
그러나 어느 날 누군가가 사다리를 갖다 놓아서 김씨는 땅위로 내려갔다. 그랬더니 위에서 평면이라고 생각했던 지면은 곡면이었다. 구슬이 곡선을 그리며 굴러가던 곳은 땅이 굽어 있어서 구슬이 맴을 돌며 굴러가는 곳이었고 원을 그리던 부분 역시 원형의 홈이 파여 있는 게 아닌가? 무거운 물체가 끌어당겨서 휘어지는 것이 아니라 면이 휘어져 있기 때문에 곡선을 그리면서 굴렀던 것이다. 높은 곳에서 보았을 때는 땅의 굴곡이 보이지 않았기 때문에 따로 당기는 힘이 있어 공이 도는 것처럼 보였지만 사실 공은 그저 그 휘어진 곡면을 따라 움직인 것뿐이다.
이렇게 생각하면 모든 것이 자명해진다. 중력은 휘어진 공간과 대응되고 따라서 이 휘어진 공간을 따라 움직이는 것은 그것이 빛이든 쇳덩이든 재떨이든 다 같이 휘어진 경로를 따라 움직인다. 피사의 사탑에서 떨어진 쇳덩이와 재떨이가 동시에 떨어지는 것은 시공간이 휘어진 정도가 같은 공간을 따라 움직였기 때문에 당연한 것이었다.
(p.72~73 중에서)

목차
책을 시작하며
프롤로그｜400년 만의 크리스마스 선물
1장 우주의 개척자들
망원경으로 하늘을 보다·망원경만을 위해 태어난 사람, 헤일·행운아 허블·
기차위에서 부는 나팔·반짝이는 별들은 무엇을 말?하고 있나· 별의 일생·
『조선왕조실록』에 기록된 초신성· 괴짜 스위스 인과 펄서
2장 천재의 생각
4차원의 세계·시간을 아시나요·벌거벚은 임금님·과거와 미래가 사라진 영원한 현재·
특허국의 방석·천재의 생각·불쌍한 프리드만 씨·피카소와 달리의 4차원적 천재성·
우주는 4차원 풍선·공간의 진화·중력파를 잡은 운 좋은 사나이
3장 두 얼굴의 티끌 우주
러더퍼드의 공방·장님과 접시·불안정한 미나 태양계·플랑크의 용광로·빛의 두 얼굴·
존재의 새로운 모습·웨이클의 방정식·탈옥의 귀재, 웨이클·지킬 박사와 하이드·
전자의 위치를 알 수 없지만, 알 수 있다고?·텔레파시가 가능할까?
4장 자연을 이루는 벽돌들
한없이 작고 작은 세계·웨이클의 주민 등록표·왼손잡이 하느님·
자연의 무늬·입자와 반입자·목욕탕 타일과 쿼크 모형·입자가족의 족보·
힘 역시 입자 가족의 일원·무궁화 꽃이 피었습니다
5장 우주 창조의 원리
우주가 생기기 전에는 무엇이 있었을까?·최초의 찰나·3분이 되면서·
빛이 있으라 하시니…·인터미션
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