현대 물리학 3대 이론(Newton Highlight)

1. 출간 의의



현대 물리학의 핵심을 한 권으로!



물리학은 자연계에서 일어나는 여러 가지 현상에 감추어져 있는 법칙을 찾아내어 설명하는 학문이다. 그 대상 중에는 우리가 매일 보는 현상에 관한 것도 많다. 예를 들면 '얼음 위에서는 발이 미끄러지는데 땅 위에서는 왜 미끄러지지 않는가?' '힘껏 던진 야구공은 어떤 원리로 날아가는가?' '사과는 땅으로 떨어지는데 달은 왜 지구로 떨어지지 않는가?' 등등이다.

그런데 물리학은 우리의 맨눈으로는 인식하기 어려운 분야까지도 그 설명 범위로 한다. 20세기 초에 등장한 '상대성 이론'과 '양자론'은 그러한 대표적인 사례이며, 이들은 자연계의 비밀을 잘 설명하는 이론이라 할 수 있다.

상대성 이론은 물리학자 아인슈타인이 만들어 낸 시공과 공간, 그리고 중력에 관한 이론이다. 시공(시간과 공간을 하나로 본 것)의 크기는 절대적인 것이 아니라 관측자의 입장에 따라서 늘어나거나 줄어든다는, 우리의 상식과는 동떨어진 세계의 메커니즘을 설명한다.

양자론은 원자나 전자 등 극미 세계 입자들의 움직임을 설명하는 물리 이론이다. 자연계는 궁극적으로 원자나 전자 같은 극미 입자로 이루어져 있기 때문에, 양자론은 자연계의 근원에 다가가는 이론이라고 해도 좋을 것이다.

그런데 상대성 이론과 양자론은 20세기 초까지 인류가 알고 있던 물리 지식의 근본을 뒤집을 정도의 획기적인 내용이었지만, 자연계의 모든 것을 설명할 수는 없었다. 그래서 이들 두 가지 이론을 통합한 '궁극의 이론'이 요구되고 있다. 현재 그중에서 가장 유력한 후보라고 일컬어지는 이론은 '초끈 이론'이다.

초끈 이론은 자연계의 모든 물질은 약 10-34m 길이의 '끈'으로 이루어져 있다고 설명하는 이론이다. 그리고 이 세계는 '10(또는 11) 차원'이며, 우주 공간 전체가 '막(膜, 브레인)'으로 이루어져 있다는 등 엄청나게 불가사의한 '우주의 모양'을 예언한다.

여기에서는 상대성 이론·양자론·초끈 이론이라는, 현대 물리학의 근본이라고도 할 수 있는 '3대 이론'을 한 권으로 설명한다. 세 가지 이론의 핵심 내용을 한 권에 요약한 구성이다.

과연 현대의 물리학자들은 이 세계의 메커니즘을 어떻게 밝혀 왔을까? 그리고 최첨단 이론은 어떤 세계를 예언하는가? 자연계의 '참모습'을 밝히려는 물리학자들의 노력과 연구 성과, 그리고 앞으로의 과제 등을 정리하는데 더 없이 좋은 기회가 될 것이다.







2. 특장



● 시간과 공간은 신축하며, 질량은 공간을 휘어지게 하고 중력을 만든다

누구에게나 시간은 일정하게 흐르며, 공간의 크기도 일정하다는 오랜 '진리'는 20세기에 들어와 아인슈타인의 상대성 이론이 발표되면서 그 뿌리부터 흔들리게 되었다. 우주에서 일정한 것은 빛의 속도뿐이며, 빛의 속도가 일정해지기 위해서는 시간과 공간의 길이가 관찰자의 입장에 따라 늘어나거나 줄어들 수밖에 없다는 아인슈타인의 이론은 물리학의 새로운 문을 열었다. 또 만유인력으로 설명되던 중력의 실체를, 질량이 공간을 휘어지게 하며 그 결과로 생기는 것이 중력이라는 설명을 함으로써 새로운 이론 체계를 만들어 냈다.



● 전자는 입자인 동시에 파동이며, 위치와 속도를 동시에 결정하지 못한다

상대성 이론과 쌍벽을 이루는 또 하나의 이론은 양자론이다. 양자론은 원자, 양성자, 중성자, 전자 등 미시 입자의 세계가 어떤 원리로 움직이는지를 설명한다. 그 하나의 예로 전자는 입자의 특성과 파동의 특성을 함께 가지고 있으며, 그 위치와 속도를 동시에 결정할 수는 없다는 놀라운 설명을 한다. 일상적인 감각으로는 받아들이기 어렵지만, 그렇게 해석하면 전자 등의 움직임을 잘 설명할 수 있다는 점 때문에 양자론은 널리 받아들여지게 되었다. 우리의 생활과 떼놓을 수 없는 관계가 된 각종 전자 제품이나 컴퓨터의 개발은 물론 화학, 제약 등 다양한 분야에서 활약하는 양자론의 핵심을 쉽게 소개한다.



● 자연계의 최소 단위는 길이 10-34m의 끈이며, 이 세계는 10차원이다

이 세상 모든 물질은 궁극적으로 무엇으로 이루어져 있을까? 분자, 원자, 양성자, 중성자는 최종적으로 쿼크로 이루어져 있으며, 전자 무리와 함께 물질을 구성한다는 것이 오랫동안의 설명이었다. 그러나 초끈 이론에서는 이 세상 만물은 길이 10-34m의 끈으로 이루어졌다고 말한다. 또 우리의 세상은 일상적으로 보고 느끼는 4차원 시공(공간 3차원+시간1차원)이 아니라 10차원 또는 11차원의 세계라고 한다. 그 나머지 차원들은 어디에 있으며, 왜 우리 눈에 안 보이는지 초끈 이론의 해석을 들어 보자.



● 이 모든 내용을 180여 컷의 컬러 그림과 전문가의 쉬운 해설로 이해한다

백문불여일견(百聞不如一見). 20세기 물리학의 핵심을 이해하는 데도 딱 들어맞는 격언이다. 언뜻 난해하다고 생각되는 이론들이지만 그 핵심을 180여 컷의 컬러 그림을 통해 눈으로 확인할 수 있기 때문에 실제로는 이해하기가 훨씬 쉽다. 여기에다 해당 분야 전문가들의 자상한 해설은 모든 내용을 '나의 것'으로 만들어 준다. 핵심을 찌르는 세계 최고 수준의 그래픽, 어려울 수도 있는 내용을 누구나 이해할 수 있도록 쉽게 풀어서 설명하는 노하우는 Newton만의 자랑이다.



● 새로운 형식의 과학 단행본 '뉴턴 하이라이트 시리즈'

'뉴턴 하이라이트 시리즈'는 수준 높은 해설과 세계 최고 수준의 그래픽으로 유명한 과학 잡지 [Newton]의 기사 중에서도 특히 뛰어난 내용만을 엄선해 주제별로 재구성한 과학 단행본이다. 물리학, 화학, 생물학, 지구과학, 우주과학 등의 다양한 주제의 자매편 80여 권이 절찬리에 판매되고 있다.

Part 1 상대성 이론



특수 상대성 이론

광속도 불변의 원리 / 동시성의 불일치 ①~② / 시간의 느려짐 ①~③ / 칼럼 광속도 불변의 원리는 어떤 실험으로 확인되었을까? / 공간이 줄어든다 ①~② / 질량의 증대 ①~② / 질량 = 에너지 / 칼럼 상대성 이론에 의한 공간의 줄어듦을 증명하는 입자가 있다



일반 상대성 이론

중력에 대한 도전 ①~② / 등가 원리 ①~② / 공간이 휘어진다 ①~② / 휘어진 공간과 빛 ①~② / 중력이란 무엇인가? / 중력과 시간의 느려짐 ①~② / 칼럼 상대성 이론에서 우주론으로 / 칼럼 상대성 이론이 올바르다는 것을 보여 주는 새로운 증거



Part 2 양자론



양자론의 탄생

양자론의 '설명 범위' / 불연속 세계 / 양자 가설 ①~② / 광양자 가설 / 빛의 '파동과 입자의 양면성' / 칼럼 빛을 광자의 모임이라고 생각한 아인슈타인 / 칼럼 비눗방울이 무지갯빛으로 보이는 이유는 빛이 파동의 성질을 갖기 때문 / 보어의 원자 모델 ①~② / 전자의 '파동과 입자의 양면성' / 칼럼 전자의 '파동과 입자의 양면성'을 결정한 '이중 슬릿 실험'



양자론의 불가사의

파동의 수축 / 전자의 파동 / 슈뢰딩거 방정식 / 불확정성 원리 / 칼럼 양자론의 해석을 둘러싼 논쟁 / 칼럼 양자론으로 '반생반사의 고양이'가 태어난다?



양자론의 응용

원자 / 분자와 결합력 / 거대 물질 / 양자 중력 이론과 양자 컴퓨터 / 칼럼 금속, 절연체, 반도체의 성질을 아는 데 필수인 물성 물리학의 '밴드 이론'이란?



다시 쓰는 '불확정성 원리' ①~④



Part 3 초끈 이론



초끈 이론 입문

만물의 부품은 '끈' / '궁극의 이론'의 후보 / 칼럼 자연계의 최소 부품 '소립자' / '끈'은 무엇인가? / 숨은 차원 ①~② / 칼럼 4차원 '공간'과 4차원 '시공' / 끈이 들러붙은 '막' / 우주 끈 / 칼럼 우주 끈은 중력파로도 검출 가능



초끈 이론의 발전

초끈 이론의 역사 / 블랙홀의 인공 생성 / 확대되는 응용 사례 / 칼럼 궁극의 이론이 목표로 하는 '힘의 통일'



특별 인터뷰

브라이언 그린 박사



'보이지 않는 차원'을 찾아라! ①~④

일본 뉴턴프레스 협력자



나쓰우메 마코토 夏梅 誠 / 일본 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 강사, Ph.D.

무라타 지로 村田次郞 / 일본 릿쿄(立敎) 대학 이학부 교수, 이학 박사

무코야마 신지 向山信治 / 일본 도쿄 대학 카블리수물연휴우주연구기구 특임 부교수, 이학 박사

미오 노리카쓰 三尾典克 / 일본 도쿄 대학 대학원 공학계연구과 광양자과학연구센터 특임 교수, 이학 박사

브라이언 그린 Brian Greene / 미국 컬럼비아 대학 물리학수학 교수, Ph.D.

사토 가쓰히코 佐藤勝彦 / 일본 자연과학연구기구 기구장, 도쿄 대학 명예 교수, 이학 박사

에마 가즈히로 江馬一弘 / 일본 조치(上智) 대학 이공학부 교수, 공학 박사

오자와 마사나오 小澤正直 / 일본 나고야 대학 대학원 정보과학연구과 교수, 이학 박사

와다 스미오 和田純夫 / 일본 도쿄 대학 대학원 종합문화연구과 전임강사, 이학 박사

진노우치 오사무 陣內 修 / 일본 도쿄 공업대학 대학원 이공학연구과 부교수, 이학 박사

하세가와 유지 長谷川祐司 / 오스트리아 빈 대학 공과대학 원자력연구소 부교수, 공학 박사

하시모토 고지 橋本幸士 / 일본 오사카 대학 대학원 이학연구과 교수, 이학 박사

호소야 아키오 細谷曉夫 / 일본 도쿄 공업대학 대학원 명예 교수, 이학 박사

히라야마 노리아키 平山今明 / 일본 도카이(東海) 대학 의학부 의학과 교수, 이학 박사