차원의 모든 것

차원이란 무엇인가? 우리의 세계는 몇 차원인가?

뉴턴프레스 지음

아이뉴턴(뉴턴코리아) 2019년 09월 23일 출간 종이책 : 2019년 08월 15일 출간

작품소개

책소개

차원의 기초부터 최첨단 이론까지

‘이 세계는 몇 차원인가?’ 이런 질문을 받는다면 당신은 어떻게 대답할 것인가? 아마 대부분의 사람은 ‘3차원’이라고 대답할 것이다. 그렇게 대답하는 이유는 우리의 눈에 가로·세로·높이의 세 방향을 가진 공간이 명백하게 보이기 때문일 것이다. 그리고 일부 사람들은 ‘4차원 시공’이라는 대답도 할 것이다. 4차원 시공은 공간 3차원과 시간 1차원을 합해서 하나로 본 개념인데, 20세기 초에 아인슈타인이 ‘상대성 이론’을 발표하면서 사용되기 시작했다.

하지만 20세기 후반에는 ‘아인슈타인의 놀라운 우주관’을 넘어서는 몇 개의 이론이 등장했다. 그들 이론은 놀랍게도 ‘우주에는 더 많은 차원이 존재한다’고 주장한다. 우리의 세계에 가로·세로·높이 말고 또 다른 차원이 있다니, 대체 무슨 뜻일까? 그렇다면 또 다른 차원은 어디에 있다는 말인가? 왜 우리 눈에 보이지 않을까?

더 놀라운 것은, 이론 물리학자들은 우리의 세계가 9차원(시간 1차원을 더하면 10차원 시공)이라는 주장도 한다는 점이다. 물리학을 파고들면 이처럼 우리의 세계가 고차원일 가능성이 있다고 한다. 그리고 고차원이 실제로 존재함을 증명하기 위해 세계 최대의 가속기를 이용한 실험도 계속 이루어지고 있다.
차원에 관한 더욱 불가사의한 논란도 지금 물리학자들 사이에서 벌어지고 있다. ‘우리의 세계는 2차원 평면에서 떠오른 홀로그램 같은 것일지도 모른다’ ‘우리가 보는 공간은 허상’일 수도 있다는 것이다.

과연 우리의 세계는 몇 차원일까? 그 이전에 차원이란 무엇인가? 이 책에서는 0차원(점), 1차원(선), 2차원(면), 3차원(입체)의 기본 개념과 성질, 차원과 연관된 상대성 이론 및 블랙홀의 관계, 고차원 공간의 개념과 근거, 고차원 공간을 찾는 방법 등 첨단 내용에 이르기까지 차원의 모든 것을 정리했다.
차원에 대한 핵심 내용을 일목요연하게 정리해 주는 좋은 안내자가 될 것이다.

목차

프롤로그 : 다른 차원의 세계를 살짝 엿본다

제1장 차원이란 무엇인가?

차원이란? ①~③ / 2차원의 특징은? ①~② / 3차원의 특징은? ①~② / 3차원 입체와 2차원 그림자 ①~② / 우리의 세계는 ‘그림자’일까? / 차원의 확장 / ‘초입체’란? ①~② / 4차원 초입체를 ‘본다’ / 4차원 공간에서는 어떤 일이 일어날까? ①~ ②

Q1. ‘휘어진 면’은 3차원이 아닌가?
Q2. 1차원과 2차원의 중간은 없을까?

칼럼 2차원 사람의 눈에는 세계가 어떻게 보일까?
칼럼 초정육면체를 회전하면 어떻게 보일까?
칼럼 정다면체의 4차원판 ‘정다포체’란?칼럼 4차원 공간을 이용하면 우리에서 탈출할 수 있다!?
칼럼 푸앵카레 추측이란 무엇인가?

제2장 상대성 이론과 차원

제4의 차원 ‘시간’ / 시간의 ‘흐름’ / 특수 상대성 이론 / 시공도(時空圖) ①~④ / 일반 상대성 이론 / 휘어진 공간이란? ①~② / 중력과 시공 / 블랙홀과 시공 ①~② / 특이점과 차원

Q3. ‘4차원 시공’이란 무엇을 의미하는가?
Q4. 시간은 왜 1차원밖에 없을까?
Q5. 중력으로 빛이 휘어지는 현상의 실제 사례는?

칼럼 과학적 사고의 기초 ― 유클리드의 《원론》
칼럼 ‘곡면이 휘어진 정도’를 나타내는 방법
칼럼 곡률이 음(-)인 세계와 ‘푸앵카레 원판칼럼 차원에 따라 직선의 의미가 달라진다!
칼럼 우주 공간은 관측할 수 있는 범위에서는 휘어지지 않은 것 같다

제3장 고차원 공간을 찾아라!

고차원 이론의 등장 / 고차원을 생각하는 이유 ①~④ / 고차원은 어디에 있는가? ①~③ / ‘초끈 이론’의 여분 차원 ①~③ / 여분 차원의 크기 / 휘어진 여분 차원 / 차원의 수와 중력 ①~③ / 가속기 실험 / 고차원의 증거 찾기 ①~③

좀 더 알고 싶다 고차원 ①~②
Q6. 차원이 다른 세계에서는 물리 법칙도 달라진다?
Q7. 탄생 직후의 우주는 몇 차원이었을까?
Q8. 평행 우주는 정말 존재하는가?

제4장 공간은 허상인가?

홀로그래피 원리란? / 홀로그램이란? / 중력은 허상인가? / 블랙홀과 정보 / 홀로그래피 원리의 탄생 / 홀로그래피 원리의 세계관 ①~③

칼럼 홀로그램을 만드는 열쇠는 ‘빛의 간섭’

출판사 서평

[특징]
● 0·1·2·3차원 등 차원의 기초, 4차원·시공·중력·고차원·초끈 이론·여분(잉여) 차원·브레인 등 다양한 개념을 알기 쉽게 소개
0차원은 점, 1차원은 선, 2차원은 면, 3차원은 입체…, 여기까지는 우리의 눈에 보이므로 모를 것이 없다고 생각하기 쉽다. 그러나 0·1·2·3차원에도 우리가 잘 알지 못하는 특성들이 있다. 더구나 4차원 공간, 4차원 시공, 더 나아가 10차원까지 나아가면 그 개념과 특성을 이해하기가 더 어려워진다. 이 책에서는 차원의 정의부터 시작해, 0·1·2·3차원의 특성, 공간과 시공, 4차원 초입체 등 차원에 대한 기본적인 개념을 물론, 중력과 초끈 이론, 여분 차원, 브레인 등 차원에 관한 더욱 발전된 개념을 알기 쉽게 소개한다.

● 글만으로는 이해하기 어려운 차원의 내용을 정밀한 컬러 그림을 바탕으로 설명
우리가 고차원을 이해하기 어려운 이유는 그것이 우리의 눈에 보이지 않기 때문이다. 고차원 공간이 정말 존재한다면 왜 우리의 눈에 보이지 않는가? 2차원 평면의 생물은 3차원 공간의 실제 모습을 머릿속에 그릴 수 없다. 그러면 3차원 생물인 우리 인간이 4차원 이상, 많으면 9차원의 공간을 어떻게 이해할 수 있을까? 4차원 이상의 고차원 공간(입체)을 평면이나 3차원 공간에 정확하게 묘사할 수는 없다. 그러나 다양한 기법으로 고차원 공간을 그림으로 볼 수는 있다. Newton의 자랑 중 하나인 세계 최고 수준의 정밀한 일러스트레이션을 바탕으로 고차원 공간을 좀 더 쉽게 이해해 보자.

● 차원에 대해 흔히 생각하는 궁금증에 대한 답을 17개의 특별 코너에서 제시
‘4차원 공간의 생물은 벽을 마음대로 통과할 수 있는가?’
고차원에 관한 이야기 중 널리 알려진 질문 내용의 하나이다. 고차원 공간에 대해서는 우리의 일상적인 감각으로는 이해하기 어려운 내용이 많다. 앞의 예도 마찬가지이다. 이 책에서는 고차원은 물론, 우리가 쉽게 접하는 3차원 이하의 공간에 대해서도 잘 알지 못하는 여러 가지 내용과 흔히 제기되는 궁금증을 17개의 특별 코너에서 상세히 설명해 준다.

● 상대성 이론·초끈 이론·홀로그래피 원리 등 차원과 밀접한 관련을 가진 이론 집중 해설
차원에 대한 이야기는 차원 그 자체만으로 끝나는 것은 아니다. 고차원의 세계를 설명할 때 빼놓을 수 없는 것이 상대성 이론과 초끈 이론이다. 상대성 이론은 중력을 공간의 휘어짐으로 설명한다. 또 우리의 세계는 극히 미세한 끈으로 이루어졌다는 초끈 이론에서는 10차원 시공(공간 9차원 + 시간 1차원)을 말한다. 뿐만 아니라 우리의 공간은 허상일 수도 있다는 놀라운 견해도 있다. 차원에 관한 혁신적인 연구해의 핵심 사항도 이 책 《차원의 모든 것》을 통해 빠짐없이 정리할 수 있다.

● 매월 한 권씩 발간되는 ‘뉴턴 하이라이트 시리즈’
뉴턴 하이라이트 시리즈는 과학 잡지 의 기사 중에서 특히 독자의 호평을 받은 기사만을 골라 테마별로 재구성한 과학 단행본 시리즈이다. 물리·화학·생물·지구과학·수학·과학기술 등 다양한 분야에 걸쳐 정밀한 고급 그래픽과 전문가들의 쉽고도 자세한 해설로 구성해 한 달에 한 권씩 발간되고 있다. <상대성 이론> <양자론> <인체와 첨단 의학> <주기율표> <뇌와 뉴런> <미분과 적분> <신기한 수학의 세계> 등 많은 자매편들도 절찬리에 판매되고 있다.

작가정보

저자(글) 뉴턴프레스

고노 도시타케 河野俊丈 / 일본 도쿄 대학 대학원 수리과학연구과장·교수, 이학 박사
네가미 세이야 根上生也 / 일본 요코하마 국립대학 대학원 환경정보연구원 교수, 이학 박사
니시무라 준 西村 淳 / 일본 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 이론센터 부교수, 이학 박사
다카야나기 다다시 高柳 匡 / 일본 교토 대학 기초물리학연구소 교수, 이학 박사
다카키 야스히로 高木康博 / 일본 도쿄 농공대학 대학원 공학연구원 첨단전기전자부문 교수, 공학 박사
마에다 게이이치 前田惠一 / 일본 와세다 대학 이공학술원 교수, 와세다 대학 고등연구소 소장, 이학 박사
무라타 지로 村田次郞 / 일본 릿쿄(立敎) 대학 이학부 교수, 이학 박사
아사이 쇼지 淺井祥仁 / 일본 도쿄 대학 소립자물리국제연구센터장, 동 대학원 이학계 연구과 교수, 이학 박사
이치하라 가즈히로 市原一裕 / 일본 니혼 대학 문리학부 수학과 교수, 이학 박사
하시모토 고지 橋本幸士 / 일본 오사카 대학 대학원 이학연구과 물리학전공 교수, 이학 박사