물리지 않는 물리학

| 감수자의 글 | 물리학도 재미있을 수 있다!_ 오스가 겐

^^Part 1 | 물리학, 최첨단의 날개를 달고서

인간의 어떤 상상도 뛰어넘는 기묘한 물리학 세계^^
인간의 지식욕은 끝이 없다 l 큰 괴물 거북이나 코끼리가 지구를 떠받친다고? l 뉴턴도 우물 안 개구리였다 l 자연의 흥미로움과 신비를 알려주는 현대 물리학 l 새로운 이론은 늘 상식을 벗어난다

^^우주에는 끝이 있을까? ^^
“우주는 휘어 있다”, 아인슈타인의 우주론 l ‘휘어짐이 마이너스인 면’은 말의 안장 모양이다 l 우리에게는 공간의 휘어짐이 보이지 않는다 l 앞을 보면 자신의 뒤통수가 보이는 불가사의한 공간 l 은하계가 한 번 회전하려면 2억 년이 걸린다 l 우주 전체의 별의 개수는 1조의 1,000억 배 l 아인슈타인의 예상을 뒤엎은 실측 결과

^^우주는 팽창하고 있다^^
20억 광년 떨어진 성운도 망원경으로 볼 수 있다 l 우주의 나이는 250억 살, 크기는 반지름이 50억 광년 l 우주 바깥에는 물질도 공간도 없다

^^Part 2 | 미시 세계는 상식을 파괴한다

물질의 최소 단위는 무엇일까?^^
먼지 한 톨에도 하나의 우주가 있다 l 전기력을 이용하면 원자도 두 부분으로 나눌 수 있다 l 1세제곱센티미터 상자에 원자핵을 채우면 1억 톤이나 된다 l 원자의 성질은 전자가 결정한다

^^미시 세계의 불가사의^^
이중인격의 괴물, 소립자 l 수면 위 기름의 반사로 빛이 파동임을 알 수 있다 l 소립자의 크기는 1조분의 1밀리미터 l ‘빛은 파동’이라는 확신이 무너지다 l “빛은 입자다”, 아인슈타인의 광양자설 l “열려라, 참깨!”의 현대판, 자동문 l 빛, 마침내 ‘소립자 클럽’에 가입하다

^^얼마나 작은 것까지 보일까?^^
미시 세계를 들여다보는 방법 l 광학 현미경의 한계 l 물리학 역사상 최대 발견 중 하나, 드브로이의 물질파 l 미시 세계의 벽을 부순 전자 현미경 l 전자 현미경으로도 보이지 않는 기묘한 원자의 구조 l 만일 전자 현미경으로 원자 내부를 본다면 l 핵외 전자는 유령처럼 운동한다

^^Part 3 | 물리학은 자연의 본질을 해명했다

단념은 포기가 아니다^^
알 수 있을까, 알 수 없을까? 그것이 문제로다 l 보는 것만으로 물체의 운동에 변화가 일어나다 l ‘단념’은 ‘창조’의 모체

^^위치와 속도의 새로운 관점, ‘불확정성 이론’^^
우리가 더 이상 정확히 알 수 없다는 한계 l 왜 소립자는 파동의 모습으로 나타날까? l 전자는 구름 덩어리를 만든다 l 하나의 전자는 두 곳 이상의 장소에 동시에 존재한다 l 야구공에도 파장이 있다

^^자연의 안정을 지키는 플랑크 상수^^
양자 역학이 어려운 학생은 ‘h’에 약한 학생 l 발표 당시 누구도 알아주지 않았던 플랑크의 발견 l 별, 지구, 인간 모두 플랑크 상수 덕분에 존재한다 l 유카와 박사만 껄껄 웃어대던 ‘일부다처제’

^^Part 4 | 우주의 수수께끼를 푸는 소립자의 활약

별은 영원히 빛날까?^^
우주는 소립자에서 시작되었다 l 납보다 무거운 수소 가스의 형성 l 수소 가스의 핵융합 반응으로 별이 태어나다 l 매초 약 6억 6,000만 톤의 수소를 태우는 태양 l 70억 년 뒤에는 별도 태양도 완전히 타버린다

^^우주의 방랑자들^^
우주선의 고에너지를 전력으로 바꾸면? l 우주선은 신성, 초신성의 폭발로 발생한다 l 우주의 거대한 자기장의 작용, ‘페르미 가속’ l 우주선이 우주선이 될 때 까지는 수천만 년이나 걸린다 l 우주의 신비를 푸는 중성미자

^^Part 5 | 시간이 느려지고 공간이 줄어드는 세계

빛은 진공 속을 전파한다^^
우리의 몸은 매분 약 100개의 뮤 중간자가 관통한다 l 준광속도 로켓이라면 50년 동안 2,500광년을 날 수 있다 l 물체의 속도란 무엇인가 l 아무리 빨라도 빛을 따라잡을 수는 없다

^^절대성의 부정, ‘특수 상대성 이론’ ^^
1미터의 막대기는 10미터의 막대기이기도 하다 l 속도가 높아지면 물체는 수축하고, 증가하며, 지연된다 l 준광속도 로켓 내부의 50년은 지구상의 2,500년 l 걷는 사람의 시계는 느리게 간다, 뫼스바우어의 실험 결과 l 전자가 광속도로 날면 지구보다 무거워진다

^^지구 인력에 의한 시간 지연^^
창시자 아인슈타인도 이해할 수 없었던 ‘일반 상대성 이론’ l 우주 정거장은 상대성 이론의 실험실 l 만유인력은 공간을 휘게 한다 l 뉴턴이 설명할 수 없었던 천체 현상의 수수께끼 l 1층에 사는 사람이 4층에 사는 사람보다 오래 산다

^^우주의 신비^^
우라시마 타로보다 고독한 사람들 l 두께 1미터의 납 벽을 뚫는 수소 원자 l 우주에는 고등 생물이 존재한다 l 생명의 기원은 방사선일까? l 우주인이 발신하는 전파를 탐지하는 미국의 오즈마 계획

^^Part 6 | 물질 세계의 끝을 찾아서

전자 현미경으로도 보이지 않는 것을 알아내는 방법^^
물질의 궁극에는 무엇이 있을까? l 미스 인터내셔널을 전자계산기로 결정한다? l TV 속에도 전자 가속기가 있다 l 길이 2마일의 기계로 미시 소립자를 조사하다

미시 세계에 존재하는 거대한 힘^^
유카와 박사의 예언은 적중했다 l 원자폭탄의 에너지원 l 원자핵 분열을 일으키는 법 l 원자력은 왜 강력할까? l 파이 중간자는 완전 범죄의 피해자 l 조물주에게 빚을 지고 있는 파이 중간자 l 사람이나 소립자나 얼굴만 보고 판단할 수 없다 l 유카와 이론은 이렇게 실증되었다 l 세계적 수준에 도달했던 전쟁 전 일본의 양성자 가속기 l 하루 1억 엔이 드는 미국의 거대한 양성자 가속기

^^소립자는 과연 궁극의 물질인가^^
눈에 보이지 않는 소립자에도 발자국은 있다 l 소립자의 발자국을 보는 장치 l 내가 과학자가 된 동기는 ‘윌슨 안개상자’ l 주전자 물이 갑자기 끓어오르는 현상은 우주선 때문이다 l 명탐정과 물리학자는 발자국을 통해 범인을 검거한다 l 자연의 궁극 입자는 중성미자 입자인가

^^Part 7 | 진공 세계에서는 ‘무’에서 ‘유’가 생긴다

진공은 무無가 아니다^^
납 속도 빈틈투성이 l 물질이 존재하지 않는 진공은 없다 l 전기장과 자기장 모두 광자가 만들어낸다 l 만유인력은 소립자의 흐름이다

^^자연은 한없이 심오하다^^
전자는 순간적으로 사라지는 것 l 진공은 소립자로 가득 차 있다 l 현대 물리학은 감각으로 파악할 수 없는 하나의 예술 l 만유인력도 차단할 수 있다 l 끊임없이 전파를 발사하는 라디오 성운 l 우주는 하나의 소립자에서 태어났다 l 반우주는 정말 존재할까? l 물리학을 진보하게 한 것은 지식보다 상상력

| 이 책의 복간을 앞두고 | 물리 낙오자에게도 특별했던 책_나가타 가즈히로

누구나 한 번쯤은 ‘우주는 유한할까, 무한할까?’라는 의문을 가진 적이 있을 것이다. 만일 유한하다면, 우주 공간이 아무리 광대할지라도 반드시 그 끝(한계)이 있을 것이다. 그리고 여기까지 생각이 미치면 ‘그 끝의 바깥쪽에는 무엇이 존재할까?’라는 의문을 아무래도 피할 수 없다.

현대 물리학의 위대함은 이뿐만이 아니다. 물리학자가 아닌 사람이라도 그것을 이해하면 초감각적 세계의 현상을 통해 자연의 기묘함, 흥미로움, 한없이 심오한 신비를 알게 된다. 그리고 그처럼 자연의 신비에 도전한 물리학적 연구 방법은 물리학자가 아닌 일반인들의 사고방식에도 큰 기여를 한다. 따라서 현대 물리학은 현대인의 고상한 호기심을 충족시키는 동시에 현대 생활의 살아 있는 교양으로서 유용하다고 할 수 있다.

인간은 자연을 알고 싶다는 본능적인 지식욕을 품고 있다. 인간의 그 지식욕을 제일 처음, 가장 강하게 자극한 것이 우주다. 선사 시대의 원시인이 산 위에 올라 밤하늘을 우러러보는 광경을 상상해보자. 그의 머릿속에는 어떤 생각이 떠올랐을까? 어쩌면 초인간적인 힘을 지닌 자에 대한 두려움이었는지도 모른다.