자연과 물리학의 숨바꼭질

책머리에

제1부 눈에 보이는 세계

제1장 불과 공기의 과학
한번 붙은 불은 스스로 계속 타오른다
어떤 현상은 꼬리에 꼬리를 물고 계속된다
대기는 여러 방법으로 우리를 보호해왔다
대기는 바람을 만든다

제2장 물의 과학
물은 수중 생명체를 보호한다
빙하는 미끄러져 내려와 녹는다
물 덕분에 쾌적한 환경이 유지된다
대기 중의 수중기는 하늘에 창문을 만든다

제3장 열의 과학
작은 세계에서 모든 것들은 매우 빠르게 끊임없이 운동한다
생명체는 땅과 호흡으로 체온을 유지한다
열은 어떤 방법으로 이동하는가
작은 세계에서는 마음대로 움직이지도 못한다
자연세계는 뒤죽박죽되고 싶어한다

제4장 에너지의 과학
에너지는 모든 운동의 근원이다
우리가 쓰는 에너지는 어디로부터 오는가

제5장 빛의 과학
햇빛은 왜 따뜻한가
빛은 언제나 최단경로로 진행한다
빛은 어떻게 만들어지나
하늘은 왜 푸른가
무지개가 보이는 이유는 무엇인가

제6장 듣기와 보기의 과학
우리의 감각은 믿을 만한가
빛과 소리는 서로를 보완한다
믿을 수 없는 색깔

제7장 힘과 운동의 과학
자연세계는 왜 변화하는가
힘은 어떤 방법으로 전달되는가
자연은 어떻게 변화에 저항하는가
마찰력이 없다면 얼마나 살기 힘들까
달은 어떻게 지구를 돌 수 있는가
천체들은 모두 자전운동을 한다

제2부 눈에 안 보이는 세계

제1장 전기의 과학
우주의 모든 물질은 전하로 이루어져 있다
자연이 전기를 띠고 있다는 것을 왜 몰랐을까?
전자는 가벼워서 매우 활동적이다
어떤 물질이든 전기적 본성을 드러낼 수 있다
인간의 몸은 얼마나 전기적인가
자연은 자신의 전기적 본성을 숨겨왔다
물은 전기적으로 매우 특이한 물질이다
두배의 힘으로 끌면 속도가 두배가 된다?
우리 세계는 뜻밖에 단순하다

제2장 자기의 과학
지구는 커다란 자석이다
물질세계는 작은 자석으로 이루어져 있다
자연은 어떻게 자성을 숨겨왔는가
우리 주위에는 왜 자석이 흔치 않은가
자연은 전기적 변화에 저항한다

제3장 양자세계의 과학
원자는 왜 존재하는가
빛의 정체는 무엇인가
빛은 정말로 입자인가
하나의 광자가 두 틈을 동시에 통과한다?
하나의 광자는 두 틈을 동시에 통과했다
나는 진실로 존재하는가
미시세계를 보는 데 한계가 있다
우주의 미래는 이미 결정되어 있는가
기본입자들은 우리와 다른 세계에 살고 있다

제4장 시간과 공간의 과학
우주는 유한하지만 무한하다?
시간은 누구나 공평한가
거리는 누구에게나 똑같은가
죽기 전에 우주 끝까지 여행해볼 수 있을까
물질은 만들어질 수 있는가

제5장 대칭성의 과학
생명체 분자는 방향성을 가진다
우리 세계는 완전한 대칭성을 지니는가
보존법칙은 자연세계의 대칭성에서 비록되었다

제3부 초자연적 세계와 과학적 진리

제1장 미신과 종교는 얼마나 과학적인가
제2장 생명이란 무엇인가
제3장 외계인은 존재하는가
제4장 과학적 진리는 존재하는가

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상대성 이론이 설명하는 우주론에 따르면, 우리가 있는 곳이 바로 우주의 중심이며, 또한 우주의 어떤 곳이든 모두 우주의 중심이라는 사실로 요약될 수 잇다. 모든 곳이 우주의 중심이라는 말은 한편으로는 어떤 곳도 우주의 중심이 아니라는 말과 같다. 우주의 어느 곳도 우주의 중심이 아니라는 말과 우주의 모든 곳이 다 우주의 중심이라는 말은 마치 선문답처럼 들린다. 그러나 우주는 그렇게밖에 설명할 수 없는 형태를 가진 것이다.

우주의 모양은 흔히 비유로 설명된다. 먼저 커다란 원둘레 위에서만 살 수 있는 1차원 세계를 상상해 보자. 그 존재는 원둘레 위로만 다닐 수 있으므로 원이 매우 크다면 자신이 사는 세계가 1차원 직선 세계라 생각하게 된다. 그러나 2차원 평면에서 전체를 볼 수 있는 존재가 되면, 그 직선은 사실 원둘레의 일부일 뿐이다. 또 그가 자신이 속한 우주의 끝이 어딘가 알아보려고 여행을 떠난다면 결국은 제자리로 돌아올 것이다.

이제 공의 표면에서만 살 수 있는 존재를 생각해보자. 공이 매우 크다면 공의 국지적 표면은 평면과 같으므로 그는 자신이 2차원 평면 세계에 살고 있다고 생각하게 된다. 그러나 3차원 공간에서 전체를 볼 수 있는 존재가 보면, 그 평면은 사실 공 표면의 일부일 뿐이다. 또 그가 자신의 우주의 끝이 어딘가 알아보려고 여행을 떠난다면 마찬가지로 결국은 제자리로 돌아올 것이다.

우리는 우리가 3차원 공간에 살고 있다고 생각한다. 그러나 상대성이론에 의하면 우리는 3차원 세계가 아니고, 사실은 시간까지 포함한 4차원 시공간에서 살고 있다. 4차원 공간에서 전체를 볼 수 있는 존재가 보면, 우리가 사는 공간은 어떻게 보일까? 1차원이나 2차원의 경우에서 유추해본다면, 3차원 공간에서 우주의 '끝'이 어디인가를 탐험하기 위해 곧장 앞으로 영원할지도 모르는 우주여행을 떠난다면 결국 제자리로 돌아오게 될 것 같다. - 본문 199~200쪽에서