무와 유의 물리학(Newton Highlight 113)

● 0이란 무엇인가? 0의 발견과 의미, 0과 무한, 0과 미적분, 절대온도 0°, 저항·질량·크기·0의 정체 등

0은 신기한 숫자이다. 수학에서는 아무것도 없는 것을 나타낼 때 0을 사용한다. 인류가 0의 개념을 생각해내는 데는 아주 오랜 시간이 필요했다. 수학자와 철학자는 0의 매력에 사로잡혔으며, 0을 둘러싼 어려운 문제와 답이 차례로 제기되었다. 0과 함께 제시되는 무한의 개념 역시 학자들을 괴롭혔다.

0의 개념이 활약하는 것은 비단 수학 분야만이 아니다. 온도, 저항, 질량, 크기, 속도 등의 물리적인 값이 0이 되면 기묘한 일이 일어난다. 이러한 모든 개념을 알기 쉽게 그래픽을 바탕으로 설명하는 것이 이 책의 큰 장점이다.



● 파동과 입자의 양면성, 전자의 궤도, 상태의 공존, 코펜하겐 해석과 '관측', 다중 세계 해석 등 존재의 유와 무를 설명

현대의 우리는 눈으로 볼 수 없는 작은 것, 예컨대 원자나 전자가 '존재한다'는 사실을 의심하지 않는다. 인류는 볼 수 없는 물질의 존재를 왜 믿으며, 어떤 과정을 거쳐 그러한 사실을 알게 되었을까?

그리고 원자와 같은 극미의 세계에서는 '같은 물체가 동시에 여러 곳에 존재한다.'는 불가사의한 일이 일어나고 있다. 이러한 것을 바탕으로 한 양자 역학이 없었다면 전자 공업의 발전도 없고, 컴퓨터와 인터넷, 휴대전화도 탄생하지 못했을 것이다. 양자 역학의 핵심의 하나인 코펜하게 해석 등 물체의 존재에서 다루어지는 무와 유의 개념을 정리한다.



● 진공이란 무엇인가? 형광등·망원경·우주 공간·원자 속의 진공, 진공의 상전이와 에너지 등

아무것도 들어 있지 않은 상자나 방을 우리는 '비었다'고 생각한다. 그러나 인간의 눈에 보이지 않을 뿐 상자나 방 안에는 수많은 공기 분자가 들어 있다. 그러면 분자, 원자, 그리고 훨씬 작은 소립자를 제거한 공간은 '무(無)'의 공간이 되는가? 진공이란 과연 무엇인가? 우리가 생각하는 진공 상태에는 아무것도 존재하는 않는가?

이와 함께 형광등·망원경·우주 공간·원자 속의 진공의 실체는 무엇인지 알아봄으로써 이 세계에 아무것도 없는 '무'의 공간이 존재하는지 그 수수께끼를 풀어 본다.



● 무에서 탄생한 우주, 인플레이션과 빅뱅, 우주의 가속 팽창과 우주항, 암흑 에너지 등

우주는 지금 계속해서 가속 팽창하고 있다. 그렇다면 시간을 거슬러 올라가면 우주는 하나의 점에서 시작했다고 볼 수 있다. 우리 우주는 과연 무엇에서 어떻게 시작된 것일까?

현재 가장 유력한 우주 탄생 모델에 의하면, 우주는 '무(無)'에서 거품처럼 탄생했다고 한다. 무는 공간도 시간도 없는 것이라고 하는데 과연 어떤 상태일까? 우주는 거기서부터 시작해 어떻게 오늘날의 모습이 되었을까? 우주가 폭발적으로 확대되었다는 인플레이션과 그 직후의 빅뱅, 아인슈타인의 우주항과 암흑 에너지 등 우주론에서 거론되는 무와 유의 개념을 알아본다.



● 소립자, 힘의 통일, 초끈 이론, 양자 중력 이론, 보이지 않는 차원, 브레인 월드 등

모든 물질을 잘게 분해해 나가면 분자, 원자를 거쳐 결국은 소립자에 이른다. 소립자는 더 이상은 나눌 수 없는 궁극의 기본 입자이다. 물질의 근원인 소립자는 크기가 0(무)인 입자라고 알려져 있었다. 그러나 최신 이론인 '초끈 이론'에 의하면 그 정체는 극히 미세한 크기를 가진 아주 작은 끈이라고 한다. 이 작은 끈의 진동 방식의 차이가 여러 가지 다른 소립자로 관측된다고 한다. 소립자에 대한 개념을 바꾸는 이들 이론을 통해, 차원이나 우주 탄생에 대한 새로운 사고방식까지도 소개한다.



● 최고 품질의 과학 단행본 ― '뉴턴 하이라이트 시리즈'

뛰어난 그래픽과 수준 높은 해설 기사로 유명한 과학 잡지 Newton은, 주제별로 핵심 기사만을 선정해서 과학 단행본 '뉴턴 하이라이트 시리즈'로 펴내고 있다. [상대성 이론] [주기율표] [인체와 첨단 의학] [비주얼 생물] [미분과 적분] 등 다양한 자매 도서도 인기리에 판매되고 있다.

제1장 수(數)의 '무'와 '유'



0이란 무엇인가? / 고대 문명의 0 ①~② / 0의 발견 / 0과 무한 ①~③ / 미분과 적분 / 절대 온도 0° / 저항 0 / 질량 0 / 크기 0 / 겉보기 속도 0



제2장 존재의 '무'와 '유'



원자의 존재 / 파동과 입자의 양면성 ①~④ / 원자 속 전자의 궤도 ①~② / 상태의 공존 / 코펜하겐 해석 ①~② / 슈뢰딩거 방정식 / 코펜하겐 해석과 '관측' / 다중 세계 해석



제3장 공간의 '무'와 '유'



진공이란 무엇인가? / 형광등의 진공 / 스바루 망원경의 진공 / 우주 공간의 진공 / 원자 속의 진공 / 가속기의 실험 / 소립자의 쌍생성·쌍소멸 / 불확정성 원리 / 카시미르 효과 / '장(場)'의 개념 / 장(場)의 양자론 / 힉스장 / 진공의 상전이 / 진공 에너지 / '무의 공간'의 모습



제4장 우주 탄생의 '무'와 '유'



특이점 / 요동'에서 생긴 우주 / 터널 효과 / 무에서 태어난 우주 / 허수 시간 / 무경계 가설 / 우주의 역사 / 인플레이션과 빅뱅 / 가속 팽창 / 우주항 / 암흑 에너지의 성질 / 암흑 에너지의 정체 / 알렉산더 빌렌킨 박사 인터뷰



제5장 소립자의 '무'와 '유'



물질을 만드는 소립자 / 힘을 전하는 소립자 / 소립자의 종류 / 네 가지 힘의 통일 / 초끈 이론 / 끈의 성질 / 우주 끈 / 양자 중력 이론 / 초끈 이론의 차원 / 보이지 않는 차원을 찾는다 / 부모우주에서 자식우주가 탄생 / 브레인 월드

아이뉴턴 편집부 [감수·협력자 명단]

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

마에다 게이이치 前田惠一 / 일본 와세다 대학 이공학술원 교수, 이학 박사

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

무코야마 신지 向山信治 / 일본 교토 대학 기초물리학연구소 교수, 이학 박사

사사키 미사오 佐佐木 節 / 일본 교토 대학 기초물리학연구소 소장, 교수, 이학 박사

스에쓰구 유스케 末次祐介 / 일본 고에너지가속기연구기구 가속기연구시설 가속기제3연구계 교수, 이학 박사

아다치 노리오 足立恒雄 / 일본 와세다 대학 명예 교수, 이학 박사

에자와 히로시 江澤 洋 / 일본 가쿠슈인(學習院) 대학 명예 교수

오쿠다 유이치 奧田雄一 / 일본 도쿄 공업대학 명예 교수, 공학 박사

와다 스미오 和田純夫 / 전 일본 도쿄 대학 전임 강사, 세이케이(成蹊) 대학 비상근 강사, 이학 박사

유모토 모토시게 湯本雅惠 / 일본 도쿄 도시(都市) 대학 부학장, 공학 박사

이에 마사노리 家 正則 / 일본 국립천문대 명예 교수, 동 TMT 추진실 TMT 계획 일본 대표, 이학 박사

지바 다케시 千葉 剛 / 일본 니혼 대학 문리학부 물리학과 교수, 이학 박사

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

하야시 다카오 林 隆夫 / 일본 도시샤(同志社) 대학 명예 교수, Ph.D.

후지이 게이스케 藤井惠介 / 일본 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 ILC그룹 부교수, 이학 박사