현대물리학 입문(수식을 쓰지 않는)

영화 〈마션〉, 〈그래비티〉는 외국에서 그렇게 흥행하지 못했음에도 불구하고 우리 극장가에서는 큰 흥행을 거두었다. 우주와 과학이론이 어려운 이야기일 수도 있지만, 〈우주 시대〉는 벌써 우리 앞에 실제 경험할 수 있는 일로 성큼 다가와 있다. 우주에서 생존하기 위해 필요한 과학적 지식 그리고 공간 이동 등의 이야기는 과학이론으로 따지면 쉽게 이해할 수 없는 세계이다. 그래서 대부분의 관람객들은 그 이야기 중간중간에 나오는 과학 원리나 법칙을 이해하지 못하고 그냥 화면이 보여주는 신비함(?)만 바라보다 극장을 나오게 된다. 조금만 우리가 과학 지식을 가지고 있다면 조금 더 영화가 주는 신비감과 제작자가 보여주고 싶어 했던 장면을 신나게 볼 수 있었을 것이다.
〈(수식을 쓰지 않는) 현대물리학 입문〉은 과학적 지식이 전무한 사람들에게도 우주, 미소립자, 과학이론 이야기 등 다양한 자연과학 이야기를 어려운 수식을 쓰지 않고 설명하고 있다. 과학자, 전문가들은 과학을 이해하는 데 오히려 수학과 통계학 같은 수식을 사용하는 것이 쉬울 것이다. 그러나 일반인이 이런 수식을 접한다면 그 본질적인 의미를 알아보기 전에 벌써 자리를 떴을 것이다.
이 책이 편저자의 이야기대로 자연과학에 쉽게 접근하여 과학적 상상력을 가진 청소년들에게 과학자가 되는 꿈을 가지게 하며, 또한 일반인들에게도 자연과학, 특히 물리학의 원리가 재밌는 원리로 가득 차 있다는 사실이 공유되었으면 한다.

I. 현대과학의 최첨단을 걷는 물리학
1. 사람의 어떤 공상도 뛰어넘는 기묘한 세계
사람의 지식욕에는 한계가 없다
고대 인도사람은 지구를 받치는 코끼리가 있다고 생각했다
뉴턴도 우물 안 개구리였다
자연에 대한 흥미와 신비성을 가르쳐 주는 현대물리학
새 이론은 언제나 광기가 있다

2. 우주에는 끝이 있는가?
「우주는 휘었다」아인슈타인의 우주론
〈마이너스로 휜 면〉은 말안장 모양을 한 면
휘어진 공간은 보이지 않는다
앞을 보고 있는데도 자기 뒷머리가 보이는 이상한 공간
은하계가 1회전 하는데 2억 년이 걸린다
우주 전체의 별은 1조의 1,000억 배
아인슈타인의 예상을 뒤엎은 실측 결과

3. 우주는 팽창하고 있다
20억 광년의 먼 성운도 망원경으로 보인다
우주의 나이는 250억 살, 반지름 50억 광년의 구체
우주 밖에는 물질도 공간도 없다

Ⅱ. 극미의 세계는 상식을 깨뜨린다
1. 물질의 최소단위는 무엇인가?
한 줌의 먼지 속에도 하나의 우주가 있다
원자는 전기력에 의해 두 부분으로 나뉜다
1cm3 안에 원자핵을 채우면 1억 톤의 무게가 된다
원자의 성질은 전자가 결정한다

2. 극미 세계의 불가사의
이중인격의 괴물 소립자
수면 위의 기름의 반사로 빛이 파인 것을 알 수 있다
소립자의 크기는 1조 분의 1mm
「빛은 파」라는 확신은 무너졌다
「빛은 입자이기도 하다」〈아인슈타인의 광양자설〉
현대판 요술 문 자동도어(Door)
빛이 드디어 소립자 그룹에 끼다

3. 얼마나 작은 것까지 보일까?
극미의 세계를 엿보는 방법
광학현미경으로 보이는 한계
물리학 사상 최대 발견의 하나인 〈드브로이의 물질파〉
극미 세계의 벽을 깬 전자현미경
전자현미경으로도 보이지 않는 기묘한 원자의 구조
만약 전자현미경으로 원자 내부가 보였다면
핵외전자는 유령처럼 운동한다

Ⅲ. 현대물리학은 자연의 본질을 밝혔다
1. 단념은 체념이 아니다 〈단념의 철학〉
알게 될까, 알 수 없을까? 그것이 문제다
보기만 해도 물체의 운동에 변화가 일어난다
〈단념〉은 〈창조〉의 모체

2. 위치와 속도를 생각하는 새 방식 〈불확정성 원리〉
더 이상 정확하게 알 수 없는 한계
왜 소립자는 파의 모습으로 나타날까?
전자는 구름 덩어리를 만든다
한 개의 전자는 두 곳 이상의 장소에 동시에 존재한다
야구공에도 파장이 있다

3. 자연의 안정을 유지하는 것 〈플랑크 상수〉
완전한 독창성을 지닌 h
발표되자 아무도 이해하지 못한 플랑크의 큰 발견
별도 지구도 사람도 플랑크 상수 덕분에 존재한다
유카와 박사만이 껄껄 웃은 〈일부다처제〉

IV. 우주의 수수께끼를 푸는 소립자의 활약
1. 별은 영원히 빛나는가?
우주는 소립자에서 시작했다
납보다 무거운 수소기체의 형성
수소기체의 핵융합반응으로 별이 탄생했다
매초 약 6억 6,000만 톤의 수소를 태우는 태양
70억 년 뒤에는 별도 태양도 다 타버린다

2. 우주의 방랑자들
우주선의 고에너지를 전력으로 바꾸면…
우주선은 신성, 초신성의 폭발로 발생한다
우주에서의 거대한 자기장의 작용 〈페르미 가속〉
우주선이 되기까지는 몇 천만 년이나 걸린다
우주의 신비를 푸는 중성미자

V. 시간이 지연되고 공간이 수축하는 세계
1. 빛은 진공을 전파한다
우리의 몸을 1분마다 약 100개의 뮤(μ)중간자가 관통한다
준광속도 로켓이라면 50년 동안에 2,500광년을 날 수 있다
속도란 무엇인가?
어떤 고속이라도 빛을 따를 수 없다

2. 절대성의 부정 〈특수 상대성이론〉
1m의 막대는 10m의 막대이기도 하다
속도가 빨라지면 물체는 단축되고, 증대하고, 무거워진다
준광속도 로켓 안의 50년은 지구에서는 2,500년
걷고 있는 사람의 시계는 늦게 간다?뫼스바우어의 실험 결과
전자가 광속도로 날면 지구보다 무거워진다

3. 지구의 인력에 의한 시간의 지연
제창자 아인슈타인도 이해하지 못한 〈일반 상대성이론〉
우주정거장은 상대성이론의 실험실
만유인력은 공간을 휘게 한다
뉴턴이 설명하지 못한 천체 현상의 수수께끼
1층에 사는 사람은 4층에 사는 사람보다 오래 산다

4. 우주의 신비
용궁에서 돌아온 사람보다도 고독한 사람들
두께 1m 납의 벽을 꿰뚫는 수소원자
우주에는 고등생물이 존재한다
생명의 기원은 방사선인가?
우주인이 발신하는 전파를 찾는 미국의 오즈마 계획

VI. 물질세계의 궁극을 쫓아서
1. 전자현미경으로도 보이지 않는 것을 아는 방법
물질의 궁극에는 무엇이 있을까?
미스 인터내셔널을 전자계산기로 뽑는다
TV 속에도 전자가속장치가 있다
길이 3,200m의 기계로 극미의 소립자를 조사한다

2. 극미의 세계에 거대한 힘이 있다
유카와 박사의 예언은 맞았다
원자폭탄의 에너지원
원자핵분열은 이렇게 일어난다
원자력은 왜 강력한가?
파이중간자는 완전범죄의 피해자
하느님에게 빚을 지고 있는 파이중간자
사람도 소립자도 얼굴만으로 판단하지 못한다
유카와 이론은 이렇게 실증되었다
일본의 양성자가속장치
미국의 거대한 양성자가속장치

3. 소립자는 과연 궁극물질인가?
눈에 보이지 않는 소립자에도 발자국이 있다
소립자의 발자국을 보는 장치
윌슨의 안개상자
주전자의 물이 끓는 것은 우주선 때문이다
수사관도 물리학자도 발자국에서 범인을 추적한다
자연의 궁극은 중성미자일까?

VII. 진공의 세계에서는 〈무〉에서 〈유〉가 생긴다
1. 진공은 무가 아니다
납 안도 틈새 투성이
물질이 존재하지 않는 진공은 없다
전기장도 자기장도 광자로 만들어졌다
만유인력은 소립자의 흐름이다

2. 자연은 한없이 깊다
전자를 순간적으로 없애는 것
진공은 소립자로 만원이다
현대물리학은 감각으로 잡을 수 없는 하나의 예술이다
만유인력도 차단할 수 있다
언제나 전파를 발사하고 있는 전파성운
우주는 한 개의 소립자에서 태어났다
반우주는 정말 존재할까?
물리학을 진보시키는 것은 지식보다 상상력

부록. 양자역학을 중심으로 한 연표