과학의 열쇠

■ 머리말

열쇠 1 · 힘의 법칙 _ 뉴턴과 고전 역학
“우주는 시계처럼 움직인다. 그러므로 예측이 가능하다.”
최초의 과학자들 | 규칙적으로 움직이는 우주 | 힘과 운동에 대하여 | 만유인력의 법칙 |
과학적 탐구란 무엇인가 | 새로운 분야

열쇠 2 · 에너지 _ 열역학과 엔트로피
“에너지는 사라지지 않는다. 다만 쓸모 있는 상태에서 덜 쓸모 있는 상태로 바뀔 뿐이다.”
일, 에너지, 힘 | 에너지의 여러 형태 | 반가운 법칙 - 열역학 제1법칙 | 움직이는 열 에너지 |
달갑잖은 법칙 - 열역학 제2법칙 | 새로운 분야

열쇠 3 · 전기와 자기 _ 맥스웰 방정식과 전자기력
“전기와 자기는 같은 힘의 두 측면이다.”
자석은 왜 항상 양극을 지닐까? | 전기 회로 | 빛에서 감마선까지, 전자기파의 모든 것 | 새로운 분야

열쇠 4 · 주기율표에 담긴 비밀 _ 원자와 원소
“모든 것은 원자로 되어 있다.”
원자의 존재를 어떻게 알 수 있을까? | 원자의 구조 | 보어의 원자와 양자 도약 |
멘델레예프의 주기율표 | 새로운 분야

열쇠 5 · 신이 던진 주사위 _ 양자의 세계
“원자와 그 구성 요소들은 ‘양자’의 형태로 나타나며, 변화를 가하지 않고서는 측정할 수 없다.”
보이지 않는 세계의 물리 법칙 | 하이젠베르크의 불확정성 원리 | 확률로 표시되는 세계 |
파동과 입자, 빛의 이중성 | 양자역학과 원자 | 양자 얽힘 | 새로운 분야

열쇠 6 · 원자와 원자가 만날 때 _ 화학 결합의 모든 것
“원자는 전자를 접착제 삼아 결합한다.”
전자 접착제와 화학 결합 | 반도체와 초전도체의 과학 | 새로운 분야

열쇠 7 · 흑연과 다이아몬드의 화학 _ 원자의 구성
“물질의 특성은 원자가 어떻게 배열되어 있는가에 따라 결정된다.”
물질의 상태 | 화학 반응 | 물리적 성질 | 기계적 성질 | 자기 특성 | 광학적 특징 | 새로운 분야

열쇠 8 · 원자핵의 힘 _ 핵 에너지와 핵물리학
“원자핵의 질량이 변하면 에너지가 발생한다.”
핵이란 무엇인가? | 핵분열과 핵융합 | ‘철학자의 돌’과 방사능 | 새로운 분야

열쇠 9 · 소립자 세계 _ 입자물리학과 ‘만물의 이론’
“모든 것은 쿼크와 렙톤으로 이루어져 있다.”
더 쪼갤 수 없는 입자를 찾아서 | 자연을 움직이는 네 가지 힘 | 통일장 이론 | 새로운 분야

열쇠 10 · 별의 삶과 죽음 _ 천문학과 우주 탐사
“다른 모든 것들과 마찬가지로 별도 태어나고 죽는다.”
별의 일생 | 태양계에 대하여 | 태양계 생명 탐사 프로젝트 | 다른 태양계들 |
모여 사는 별의 무리, 은하 | 새로운 분야

열쇠 11 · 코스모스 _ 빅뱅 이론에서 암흑 물질까지
“우주는 과거 특정 시점에 탄생했고, 그 이후로 계속 팽창하고 있다.”
허블의 팽창하는 우주 | 우주는 하나의 점에서 출발했다 | 빅뱅의 증거 | 우주의 구조 |
암흑 물질과 암흑 에너지 | 새로운 분야

열쇠 12 · 아인슈타인의 사고 실험 _ 상대성 이론
“모든 관측자는 똑같은 자연의 법칙을 본다.”
관측자와 기준틀 | 특수 상대성 원리와 E = mc2 | 일반 상대성 원리와 블랙홀

열쇠 13 · 움직이는 대지 _ 판 구조론과 지구과학
“지구의 표면은 끊임없이 변하고 있으며, 영원한 지구란 존재하지 않는다.”
지진은 왜 일어날까? | ‘대륙 이동설’과 ‘판 구조론’ | 지각에서 핵까지, 지구 내부 탐사 | 새로운 분야

열쇠 14 · 바람과 물과 흙의 일대기 _ 지구의 순환
“지구의 모든 것은 순환하고 있다.”
변화의 규칙 | 암석의 순환 | 물의 순환 | 대기의 순환 | 새로운 분야

열쇠 15 · 생명의 사다리 _ 생명체의 기원과 세포
“모든 생명체는 생명의 화학 공장인 세포에서 만들어진다.”
생명을 이루는 분자 | 세포, 생명의 화학 공장 | 흑곰과 백곰은 왜 같은 종이 아닐까? | 새로운 분야

열쇠 16 · DNA, 생명의 암호 _ 염색체와 유전 메커니즘
“모든 생명체는 유전정보에 기초하고 있다.”
멘델의 완두콩 | DNA와 RNA - 유전정보의 전달자 | 두 개의 성(性) - 좋은 아이디어 | 새로운 분야

열쇠 17 · 클론과 줄기세포 _ 생명공학이 만드는 세상
“모든 생명체는 같은 화학적 과정과 유전정보에 바탕을 두고 있다.”
범인 잡는 DNA | 유전공학이 바꾸는 세상 | 클론의 탄생 | 재생의학과 줄기세포

열쇠 18 · ‘종의 기원’과 진화 _ 진화론의 과학적 증거
“모든 생명체는 자연 선택에 의해 진화한다.”
원시 수프와 생명의 바다 | 다윈과 자연 선택 | 진화의 증거 | 박테리아에서 호모 사피엔스까지 | 멸종 |
진화론에 대한 도전 | 새로운 분야

열쇠 19 · 함께 살아가는 지구 _ 지구 생태계
“모든 생명체는 서로 연관되어 있다.”
생명의 집 | 에너지와 먹이 그물 | 영양분과 탄소 순환 과정 | 지구 온난화와 환경 오염

■ 맺음말
■ 찾아보기

열쇠1 · 힘의 법칙 _ 뉴턴과 고전 역학

현대 과학은 영국의 뉴턴으로부터 시작되었다고 말할 수 있습니다. 뉴턴에 따르면 우주는 시계와 같습니다. 시계의 겉모습, 즉 바늘이 천천히 도는 것은 안에 있는 톱니바퀴의 운동 때문입니다. 마찬가지로 우리가 주변에서 보는 모든 자연 현상은 그 현상의 배후에서 작용하는 몇몇 법칙의 결과입니다. 뉴턴은 다음과 같은 사실을 증명했습니다. “몇 개의 법칙이 모든 운동을 설명한다.”
뉴턴은, 운동의 핵심은 하나 혹은 그 이상의 힘이 작용하는 것에 대한 반응이라고 했습니다. 운동에 관한 뉴턴의 세 가지 법칙은 힘과 운동을 연결하는 ‘톱니바퀴’라고 할 수 있습니다. 이 법칙들은 움직이는 모든 것에 적용됩니다. 폭발하는 별, 공기 중으로 흩어지는 가스, 날아가는 공, 우리의 동맥 안을 흐르는 혈구 등 모든 것들은 이 단순하고도 일반적인 세 가지 법칙에 따라 움직이는 것입니다. - 28～29쪽에서

열쇠4 · 주기율표에 담긴 비밀 _ 원자와 원소

원자는 너무 작아서 눈에 보이지 않기 때문에 원자의 존재 여부를 논쟁하는 것은 멀리서 흰 페인트로 칠한 집을 보면서 그 집이 벽돌 집인가 콘크리트 집인가 입씨름을 하는 것과 같습니다. 아인슈타인은 1905년 ‘브라운 운동’이라는 현상을 설명함으로써 이 논쟁에 종지부를 찍었습니다. 조그마한 입자, 예를 들어 하나의 꽃가루를 액체 중간에 떠 있게 하고 현미경으로 관찰하면 불규칙하게 운동하는 꽃가루를 볼 수 있습니다. 아인슈타인은 이 꽃가루가 주변의 원자와 충돌하기 때문에 운동을 하는 것이라고 설명하였습니다. 원자의 존재를 상상하는 것만으로는 운동을 일으킬 수 없으므로 원자는 현실로 존재하는 것이 틀림없다고 주장했던 것입니다. - 102쪽에서

열쇠6 · 원자와 원자가 만날 때 _ 화학 결합의 모든 것

화학은 특히 전자 자체, 그리고 전자들끼리의 상호작용을 다루는 학문입니다. 화학 하면 흔히 시험관, 거품이 이는 비커, 이런저런 희한한 것들을 섞으면 색이 변하는 시약 등을 떠올리게 되지요. 이렇게 머릿속에 떠오르는 것을 생각해보면 방금 한 말은 이상하게 들릴 수도 있습니다. 그러나 이 모든 화학 반응은 전자가 원자 사이를 옮겨 다닌 결과로 나타나는 현상입니다. …… 우리 주변의 물질이 어쩌면 이토록 다채로운가를 이해하는 첫 걸음은 두 개 또는 그 이상의 원자가 어떤 식으로 결합하는가를 들여다보는 것입니다. 이렇게 뭉치는 과정을 ‘화학 결합’이라고 합니다. - 137쪽에서

열쇠9 · 소립자 세계 _ 입자물리학과 ‘만물의 이론’

양성자와 중성자 같은 입자들은 핵 안에 존재하면서 핵의 여러 가지 작용에 직접 관여합니다. 이러한 입자들을 하드론이라고 부르는데 이 단어는 그리스어로 ‘강하게 상호작용을 하는 것들’이라는 뜻입니다. 그에 비해 전자 같은 입자들은 핵에서 멀리 떨어져서 핵이 하는 일에 직접 관여하지 않습니다. 이런 입자들을 렙톤이라고 부르는데 그리스어로 ‘약하게 상호작용하는 것들’이라는 뜻입니다. …… 1960년대 말에 수백 가지의 하드론 사이에서 규칙적인 패턴이 발견되면서 과학자들은 하드론 자체가 기본 입자가 아니라 더 기본적인 것들의 모임이라는 사실을 깨달았습니다. 이렇게 한 단계 아래의 기본 요소를 쿼크라고 부릅니다.
- 208～209쪽에서

열쇠10 · 별의 삶과 죽음 _ 천문학과 우주 탐사

우주의 초기에 큰 별들이 형성되었고 짧은 생애를 마친 후 초신성이 되었습니다. 숨을 거두기 직전에 이들은 모든 화학 원소를 합성하여 우주 공간으로 돌려주었습니다. 여기서 이 원소들은 전 우주에 걸쳐 무거운 원소의 양이 증가함에 따라 다음 세대의 별에 흡수되었습니다. 헬륨보다 무거운 모든 원소, 이를테면 우리 혈액 속의 철과 뼈 속의 칼슘 같은 것들도 별에서 만들어졌습니다. 그러니까 우리는 모두 별의 잔해로 만들어진 존재입니다. - 229쪽에서

열쇠12 · 아인슈타인의 사고 실험 _ 상대성 이론

상대성 이론에는 한 가지 중요한 전제가 따릅니다. 그것은 우주를 관측하는 데 절대적으로 ‘옳은’ 지점은 없다는 것입니다. ‘신의 눈’으로 볼 수 있는 자리 같은 것은 없다는 뜻입니다. 지구 위의 흔들의자에 앉아 있는 사람이나 광속에 가까운 속도로 비행하는 우주선에 타고 있는 사람이나, 모든 관측자는 같은 자연의 법칙을 보게 됩니다. 우주를 지배한다고 생각되는 법칙들은 모두 관측자가 어디서 어느 쪽을 보든 같은 것이라고 상대성 이론은 주장합니다. - 260쪽에서

열쇠13 · 움직이는 대지 _ 판 구조론과 지구과학

과거에 지진학자들은 대부분의 지진이 환형 지진대 위에서 일어난다는 것을 알고 있었지만 그 이유는 알지 못했습니다. 그러나 지금 우리는 이 지진대가 바로 판끼리 부딪치는 부분이라는 사실을 알고 있습니다. …… 지질학자들과 고생물학자들은 처음으로 아득한 옛날에 형성된 암석과 화석들이 대양의 이쪽과 저쪽에서 어떻게 똑같은 모습을 보이는가를 설명할 수 있게 되었습니다. 판 구조론이라는 발상이 지구와 관련된 많은 의문들을 해결해준 셈입니다. - 297쪽에서

열쇠15 · 생명의 사다리 _ 생명체의 기원과 세포

세포는 그 자신이나 자신이 속해 있는 유기체의 생명 유지를 위해 주위에 있는 재료를 처리하여 완성품을 만드는 공장과 같습니다. 복합세포에서 재료는 수용체(선적 부두)에 모이고, 중앙 정보 체계(수뇌부)가 지휘하는 화학 반응을 거쳐 처리되고, 작업이 진행됨에 따라 각 작업실로 운반되며, 끝에 가서는 처음의 수용체를 통해 더 큰 조직 또는 기관으로 들어갑니다. 세포는 전체가 기능을 발휘하기 위해 많은 부분이 바쁘게 협동해야 하는, 고도로 조직화된 장소라 할 수 있습니다. - 330쪽에서

열쇠18 · ‘종의 기원’과 진화 _ 진화론의 과학적 증거

다윈의 뛰어난 통찰력은 “생명은 경쟁적이기 때문에 진화한다.”라고 말한 데서 잘 나타납니다. 우연한 변이가 가끔씩 이로울 때가 있으며, 그런 경우 이들은 유전자 안에 기록되어 계속 보존됩니다. 기린이 목이 긴 것은 높은 가지 위의 열매를 따먹기 위해 목을 뻗어서가 아닙니다. 오히려 자연 선택에 의해 우연히 좀 더 키가 큰 기린들이 살아남았기 때문입니다. 개개의 형질은 다양하게 존재하지만 자연이 주어진 환경에 비추어 적합한 형질을 선택하는 것입니다. 자연 선택에 의해 돌연변이가 계속 이루어져 오랜 시간이 지나면 조상과는 현격하게 다른 개체가 태어납니다. 이것이 바로 새로운 종이 생기는 기본 메커니즘입니다. - 400쪽에서