우리 안의 우주

들어가는 글

1장 통하는 마법 _
마음속에 우주를 품다 / 과학, 우주와 우리 자신에 대한 이야기 / 경험을 뛰어넘어 우주를 담아내는 수학 / 천상과 지상을 통합한 뉴턴의 물리법칙 / 전기와 자기, 빛을 통합한 패러데이와 맥스웰 / 상상 이상의 미래를 열다

2장 상상 속의 현실 _
아낙시만드로스의 잠재력을 지닌 세계/손 안의 우주에서 불확정성의 원리로 / 빛의 파장은 어떻게 이루어지는가 / 정확할수록 더 불확실하다 / 양자적 현실의 본성을 파헤치다 / 고전적, 국지적 세계를 벗어나다 / 수학적 추론의 승리, 양자이론

3장 무엇이 폭발했는가? _
우주, 그 모든 것의 의미란 무엇인가 / 더 멀리 볼수록 보이는 것들 / 아인슈타인의 위대한 발견 / 우주는 계속해서 진화한다 / 눈에 보이는 우주 / 끝없이 펼쳐진 우주 / 빅뱅이 정말 모든 것의 시작일까?

4장 하나의 방정식 속 세계 _
아프리카의 아인슈타인들 / 마법의 공식/뇌터의 정리와 디랙의 방정식 / 끈이론과 그 한계 / 우리는 과연 누구인가?

5장 최고의 기회 _
우리 세계의 미래는 어떤 모습일까? / 디지털혁명의 정보 과잉 / 양자 컴퓨터와 정보처리 능력 / 미래를 예견한 사람들 / 디지털 정보의 시대 / 과학과 사회는 분리되는가 / 과학과 인간의 본성
감사의 글 / 옮긴이의 글/ 주 / 더 읽어볼 문헌?사진 출처 / 찾아보기

이 책에서 나는 현실을 이해하고 마음속에 우주를 품는 우리의 능력에 대해 이야기하고 싶다. 이 능력은 가장 작은 원자구성입자에서부터 관측 가능한 모든 우주에 이르기까지 강력한 아이디어들의 지속적인 원천이 되어왔다. 이것은 휴대전화에서 인공위성까지 현대의 모든 기술을 품고 있다. 또한 지금까지 그리고 앞으로도 우리의 가장 귀한 자산이며, 동시에 완전히 공짜로 나눌 수 있는 것이다. 역사가 계속 흘러가는 것이라면 우리 안의 우주는 우리 미래의 열쇠가 될 것이다.

다시 갈릴레오 갈릴레이가 물리학의 기반을 건설하는 첫발을 내딛던 16세기 말과 17세기 초 르네상스의 이탈리아로 돌아가보자. 그는 수학이 신중한 실험, 정확한 측정과 결합되면 현실 세계를 기술하는 강력한 도구가 될 수 있음을 깨달았다. 수학은 우리의 일상적인 경험을 훨씬 넘어서는 세계에 대한 개념을 생성하고, 현실의 모형을 깊이 탐구하며, 우리가 기술한 것에서 종종 새로운 발견으로 이어지는 모순을 찾아낼 수 있게 해준다. 하지만 결국은 갈릴레오가 맨 처음 충분히 인정했듯이 진정으로 옳고 그름을 검증하는 유일한 방법은 실험과 관측이다.
그래서 갈릴레오는 논리적 추론, 관측, 성실한 실험을 결합하여 물리학을 새롭고 보편적인 규칙으로 발전시켰다. 그는 경사면에 검은 공을 굴리는 실험, 목성의 위성들과 금성의 위상 변화 관측 등을 통해서, 지구가 우주 중심에 있는 고대 프톨레마이오스 모형을 제거하고 대신 태양이 태양계 중심에 있는 코페르니쿠스의 우주를 확립하는 데 강력한 단서를 제공해주었다. 이것은 뉴턴의 우주로 향하는 첫 번째 발걸음이었다.

1925년, 독일의 젊은 천재 베르너 하이젠베르크Werner Heisenberg는 양자이론을 발표하며 이렇게 말했다. “지금까지 관측이 불가능했던 전자의 위치나 주기 같은 양quantity을 관측하겠다는 희망을 완전히 버려라.” 그 대신 “고전역학과 유사한 형태의 양자역학이론을 만들려고 노력하라. 단, 이 이론에서는 관측 가능한 양들 사이의 관계만 나타난다.” 하이젠베르크의 작업은 전자가 원자핵 주변을 회전한다는 고전적인 그림을 훨씬 더 추상적이고 수학적인 모습으로 바꾸어놓았다. 여기서는 실험에서 직접 관측이 가능한 양들만이 설명될 수 있다. 그로부터 얼마 뒤인 1926년, 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거Erwin Schr?dinger가 하이젠베르크와 똑같은 이론을 발견했다. 여기서는 전자가 고전적인 입자가 아닌 파동으로 다루어진다. 그리고 1927년 초, 하이젠베르크는 뉴턴의 고전적인 우주, 즉 모든 입자들이 명확한 위치와 속도를 가지는 우주가 더는 유지될 수 없다는 사실을 보인 그 유명한 ‘불확정성의 원리’를 발견했다.