아인슈타인과 논쟁을 벌여봅시다

후위에하이 지음 | 이지수 옮김

미디어숲 2024년 10월 20일 출간 국내도서 : 2024년 10월 20일 출간

작품소개

책소개

12명의 천재 물리학자와 함께 떠나는 물리학 대탐험

200년 물리학의 진화를 이 책 한 권으로 이해한다!

이 책은 풍부한 사례와 생생한 묘사를 중심으로 독자들이 시공간을 넘나들며 다양한 시대에 걸쳐 일어난 물리학의 주요 사건과 인물을 한 편의 영화를 보듯이 생생하게 경험하게 한다. 고대 그리스 철학자부터 현대 과학자까지, 뉴턴의 고전 역학부터 아인슈타인의 상대성 이론까지 물리학의 역사를 망라하며 200년의 물리학 발전 역사와 그 과정에서 탄생한 중요한 이론들에 대해 설명한다.

‘물리학 이론’ 하면 복잡한 수식과 어려운 설명이 먼저 떠오르지만, 이 책의 저자는 복잡하고 어려운 물리학 이론을 독자가 직관적으로 이해할 수 있도록 알기 쉽게 설명하는 데 천부적인 재능을 보여준다. 이공계 대학교에 재학 중인 톰슨과 소피아의 입을 빌려 우리 주변의 사물과 관련된 물리법칙을 설명하면서 위대한 과학자들의 혁신적인 사고와 탐구 정신을 능숙하게 드러낸다. 물 흐르듯 자연스러운 전개와 간결하면서도 명확한 설명 덕분에 누구나 재미있게 읽을 수 있다.

이 책을 통해 세상을 뒤집은 12명의 거장의 여러 물리학 법칙 및 이론을 배울 뿐만 아니라 천재적인 과학자들의 사고방식과 탐구 과정에 대해서도 더 깊이 이해할 수 있다. 과학과 친숙하지 않은 문과생이나 일반인이라 하더라도 물리학의 매력에 빠져들지 않을 수 없다. 천재 과학자들의 지혜와 용기, 그리고 끊임없는 진리 추구의 과정은 감동마저 느끼게 한다. 현대 물리학의 심오하고 무한한 신비의 세계로 12명의 거장과 함께 떠나보자.

목차

추천의 글
프롤로그

1장 러더퍼드와 함께 아침을 먹어봅시다 : 빵 한 조각으로 시작된 물질의 구성에 관한 고찰
1.1 아침 식사로 먹은 ‘빵’
1.2 운동장과 작은 개미
1.3 0에서 출발해 0으로 끝나다

2장 망델브로와 함께 해안선을 측정해 봅시다 : 자연계의 자기 복제
2.1 겨울 창가의 눈송이
2.2 열대성 회오리바람
2.3 셋에서 만물이 나오다

3장 후크, 뉴턴과 함께 실험해 봅시다 : 300년 동안 이어진 입자와 파동의 논쟁
3.1 캠퍼스의 작은 연못
3.2 만물의 형태
3.3 입자와 파동의 논쟁
3.4 구름 속의 코끼리

4장 아인슈타인과 논쟁을 벌여봅시다 : 시간의 물리적 개념에 관한 논쟁
4.1 시간에 관한 이야기
4.2 일반 상대성 이론
4.3 우주 탄생의 메아리에 귀를 기울이다

5장 슈뢰딩거와 그의 고양이에 대해 이야기해 봅시다 : 단절된 공간
5.1 연속성의 종결
5.2 존재성의 붕괴
5.3 꼬리를 무는 뱀

6장 리만과 함께 풍선을 관찰해 봅시다 : 시공간을 새기는 도구
6.1 풍선과 말안장
6.2 신기한 연산 부호

7장 하이젠베르크와 함께 빙글빙글 돌아봅시다 : 바늘 끝의 세계
7.1 입자 대가족
7.2 신비한 힘의 작용
7.3 탐구는 끝이 없다

8장 갈루아와 결투를 벌여봅시다 : 아름다운 대칭에 관하여
8.1 구체와 입방체
8.2 시계와 회전
8.3 천재 소년
8.4 대칭과 게이지
8.5 통일의 길

9장 힉스와 함께 파티에 참석해 봅시다 : 질량의 비밀
9.1 엘리베이터에서 터지지 않는 휴대폰
9.2 입자들의 파티
9.3 연필은 어디로 쓰러질까?
9.4 자욱한 ‘에테르’
9.5 현실과 환상

10장 오일러와 함께 우주의 교향곡을 들어봅시다 : 끈 이론
10.1 무한대의 난제와 쿼크 감금
10.2 진동하는 끈
10.3 더 높은 차원을 향해
10.4 깊이 있는 탐구

11장 앨런 구스와 함께 별이 가득한 하늘을 감상해 봅시다 : 진공의 신비
11.1 끓고 있는 진공
11.2 만물은 하나다

그 후의 이야기
에필로그
참고 문헌

책 속으로

** 1960년대 수학자 망델브로는 과학학술지 《사이언스》에 ‘영국 해안선의 총 길이는 얼마인가?’라는 질문을 던졌다. 그 당시 사람들은 직접 재보면 알 수 있지 않겠냐며 그의 질문을 대수롭지 않게 생각했다. 그러면서 영국 해안선의 길이를 대략 수 천km 정도로 예상했다. 그런데 놀랍게도 망델브로는 영국 해안선의 길이가 무한하다고 주장했다. 비록 지금까지 직접 해안선의 길이를 재본 사람은 아무도 없지만 눈송이 둘레의 예시를 생각해 보면 완전 터무니없는 주장이라고 볼 수는 없다.

** 물결, 음파, 전자파 등 모든 파동에는 한 가지 공통된 특징이 있는데, 바로 장애물을 우회할 수 있다는 점이다. 이를 파동의 회절 속성이라고 부른다. 예를 들어, 물결은 자갈 등의 장애물을 만나면 돌 뒤로 돌아가 계속 전파된다. 두 사람이 벽을 사이에 두고 이야기해도 건너편까지 말소리가 전달되고, 전자파가 큰 건물을 만나도 그대로 통과해 전파될 수 있는 이유는 파동의 회절 속성 때문이다.

** 일상생활에서 볼 수 있는 역학적 파동은 매질의 진동을 통해 전달된다. 음파는 공기 분자의 진동을 통해 전달되고, 물결파는 물 분자의 진동을 통해 전달되는 것처럼 말이다. 이러한 상황에서 전파 매질은 필수 요소다. 그런데 전자파의 경우 전기장이 자기장을 자극하고, 자기장이 다시 전기장을 자극하며 작용하므로 별도의 매질이 필요하지 않다. 이처럼 전자파의 발생 메커니즘은 역학적 파동과 다르며, 바꿔 말하면 에테르의 존재 자체가 필요하지 않다는 의미다.

** 우주 탄생 109년 후, 즉 10억 년 이후에는 항성계가 조금씩 형성되기 시작했다. 이 시기 우주의 물질은 대부분 균일하게 분포되어 있었지만 물질 밀도가 주변보다 약간 높은 곳이 곳곳에 있었고, 중력의 영향으로 물질들은 밀도가 높은 곳으로 점차 모이게 되었다. 처음에는 아주 작은 차이지만 이러한 현상은 눈덩이가 굴러가듯 점점 커져 나가게 되고, 결국 항성계도 이러한 효과로 형성되었다.

** 1927년 하이젠베르크는 행렬 역학 방식을 통해 미시적 세계의 운동 규칙을 정량 묘사했다. 그가 제시한 계산 방식에 따르면 전자는 더 이상 궤도 안에서 움직이지 않고 흩어져 있기 때문에 좌표를 이용해 위치를 표시(대응하는 행렬식의 행과 열을 표시)해야 한다. 비록 하이젠베르크의 계산 방식에는 오류가 없었지만, 선형대수학에 대한 기초 지식이 있어야만 이해할 수 있는 난도가 굉장히 높은 방식이었다.

** 뫼비우스의 띠, 클라인 병 그리고 끊임없이 팽창하는 풍선의 공통점은 시공간이 크게 휘어지고, 측지선이 크게 한 바퀴 돌아 다시 원점으로 돌아온다는 점이다. 즉, 우주의 실제 모습은 곡률 R에 의해 결정된다는 말이다. 측정 결과, 본 우주의 시공간 곡률 R은 0에 근접한 것으로 나타났고, 결국 우주는 기본적으로 평평한 공간이라는 결론에 도달했다. 그러므로 실제 우주의 모습은 끝없이 펼쳐진 빈 공간일 가능성이 높다.

** 양자 역학에서 운동량, 위치, 에너지, 운동 에너지는 모두 연산자의 형식으로 파동함수에 작용(양자의 운동량 등의 정보 측정)한다. 운동량, 위치 연산자는 위의 예시 중 A와 같고, 양자의 파동함수는 고유함수 f(x)다. 만약 상수를 찾아 Af(x) = λf(x)로 만들면, λ는 고유치, 즉 운동량, 위치, 에너지 등 측정해서 나온 구체적인 수치가 된다.

** 만유인력의 법칙이 가장 주목받은 시기는 해왕성을 발견했을 때다. 19세기 전반에 과학자들은 천왕성의 운동 궤적에 불규칙한 파동이 존재한다는 사실을 발견했는데, 이는 물리 법칙으로 설명할 수 없는 현상이었다. 그런데 만약 천왕성 외에 다른 미지의 행성이 존재한다고 가정하면 이 미지의 행성에 의한 섭동이 천왕성의 궤적에 영향을 미친다고 볼 수 있었다. 천문학자들은 만유인력의 법칙을 활용해 미지의 행성의 성질과 위치를 예측했다. 그리고 1846년 드디어 해왕성을 관측할 수 있었고, 행성의 성질은 천문학자들이 예측한 것과 일치했다.

** 암흑 에너지가 과연 무엇인지 현재로서는 아직 명확히 알 수 없다. 우주 전체에 퍼져 있는 힉스장 역시 아직까지는 눈으로 확인할 수도, 만져볼 수도 없는 미지의 존재다. 힉스장은 힉스 입자의 발견을 통해 이러한 장이 존재한다는 사실을 알게 된 것뿐이다. 암흑 에너지와 힉스장 외에 또 어떤 것들이 우주를 가득 채우고 있는지 아직은 알 수 없다. 한 가지 확실한 건 우주가 칠흑같이 캄캄한 공간이라고 해서 텅 비어있는 것은 아니라는 점이다.

** 초대칭 이론의 핵심은 모든 기본 입자들이 자신만의 초대칭 짝입자를 갖고 있다는 것이다. 페르미온에게는 보손이 있고, 보손에게는 페르미온이 있다. 이로써 기본 입자의 수량은 두 배가 된다. 또한 초대칭 이론은 표준 모형의 등급 문제나 대통일 이론의 상수 결합 문제를 해결할 때 사용할 수 있는 유용한 이론이다. 하지만 안타까운 것은 이 이론이 제기된 지 50년이 넘은 지금까지도 실험실에서 초대칭 짝입자를 발견하지 못했다는 사실이다.

출판사 서평

우주보다 넓고 원자핵보다 치밀한 물리학자의 시선
모든 것의 근원을 밝혀낸 12명의 거장과 논쟁한다

물리학자들의 눈에는 우리가 사는 세계가 어떻게 보일까? 이 책의 저자 후위에하이는 과학자들의 눈으로 바라본 세상을 보여준다. 눈꽃송이, 나비, 강물, 빛, 모래알… 등 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 자연의 이면을 탐구한다. 빵 이야기로 시작해 카오스 이론과 파동의 수학 공식까지 깊이 있는 과학 이론을 흥미가 넘치는 이야기로 이해하기 쉽게 풀어낸다.
저자는 인류에게 혜성처럼 나타났던 12명의 놀라운 천재 물리학자의 생각 속으로 들어가 대화를 나눈다. 그들이 우리와는 다른 시각으로 획기적인 아이디어를 떠올리고 우주의 비밀을 한 꺼풀씩 벗겨내는 과정을 마치 영화를 보듯 보여준다. 자신들이 살았던 시대의 상식이나 관습을 깨트리고 세상에 없던 방식으로 자연을 해석하는 그들의 능력은 우리에게도 영감을 준다. 어렵다고만 생각했던 물리학 이론들을 복잡한 수식을 사용하지 않으면서도 체계적으로 알기 쉽게 설명하는 저자의 능력은 놀랍기만 하다.
한 번쯤 들어는 봤지만 내용을 잘 알지 못했던 상대성 이론, 양자 역학, 끈 이론 등 유명한 물리학 이론들의 탄생과 발전 과정을 더 자세히 이해할 수 있게 해준다.

“러더퍼드와 빵 한 조각으로 아침 식사를 하고
슈뢰딩거와 고양이 이야기를 나눈다”

우리가 오랫동안 기다려온 기발한 물리학 이야기

▶ 우주 모든 만물을 이루는 가장 작은 단위인 원자는 내부가 텅 비어 있다. 원자가 운동장이라면 원자핵이 차지하는 부분은 개미 한 마리 크기밖에 안 된다. 원자의 내부는 99.99%가 텅 빈 공간이다.
그렇다면 물체 두 개가 서로 부딪혔을 때 왜 서로 관통하지 않고 튕겨 나가는 걸까?

▶ 세상 만물은 두 가지 형태로 존재한다. 물결이나 소리, 전자파 같은 파동과 물리적, 화학적 성질을 갖춘 입자다. 파동과 입자 사이에는 분명한 차이와 경계가 존재하며 전혀 다른 특성을 보인다.
그렇다면 과연 빛은 입자일까, 파동일까?

▶ 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 광속으로 여행하면 시간이 느리게 흐른다고 설명한다. 쌍둥이 형제 톰과 제리 중 톰이 광속 우주선으로 여행을 다녀왔다. 톰의 상대적인 관점에서는 동생인 제리가 광속으로 자신에게서 멀어져 제리의 시간이 천천히 흐른 셈인데….
그렇다면 과연 톰과 제리 중 누가 더 젊은 상태로 다시 만날까?

이 책의 독자들은 먼저 핵물리학의 아버지로 불리는 어니스트 러더퍼드와 함께 아침 식사를 하면서 빵 조각이 가진 신비한 물질적 구조를 배운다. 그런 다음 망델브로와 함께 끝없이 이어지는 영국의 해안선의 길이가 얼마나 긴지, 정말로 무한대는 아닌지 측정한다. 아름다운 눈송이 결정을 관찰하며 자연의 자기 복제 속성을 분석한 다음, 영국의 레오나르도 다빈치라고 불리던 과학자 로버트 후크와 세기의 천재 아이작 뉴턴이 벌인 격렬한 논쟁과 실험 대결을 함께한다. 로버트 후크는 빛은 파동이라는 자신의 주장을 굽히지 않았고 아이작 뉴턴은 프리즘을 통해 빛도 분리가 가능하다는 것을 보여주면서 빛은 입자로 구성되어 있다고 그를 공격했다. 이것은 이후 300년간 이어진 논쟁의 시작이었다. 또한 아인슈타인의 상대성 이론이 어떻게 영원한 진리라고 여겨지던 고전 역학 이론을 뒤집었는지 ‘지성의 전투’를 벌인다.

저자의 친절하고 재미있는 물리학 여정을 그저 따라가기만 하면 우리는 위대한 물리학자들의 발자취를 좇아가며 우주의 원리에 대한 통찰을 얻고, 물리학 발전의 역사를 이해하며, 마침내 세상 법칙에 대한 지식에서 깨달음을 얻을 것이다.

작가정보

저자(글) 후위에하이

扈悅海
중국과학기술대학교를 졸업하고 푸단대학교에서 석사과정을 마쳤다. 현재 핵물리학 연구와 관련된 일에 종사하고 있다. 과학 탐구에 언제나 열정적이어서 물리학, 수학, 과학 방면에 탄탄한 배경지식을 갖고 있다. 또한 복잡하고 어려운 과학 지식을 쉽고 재미있게 풀어내는 능력이 탁월하다. 이 책에서도 쉽고 간결한 설명을 통해 과학자들의 눈에 비친 세상을 보여주고자 한다. 물리학자들의 눈으로 본 찬란한 세계와 얼마나 많은 획기적인 물리적 아이디어가 탄생하고 진화했는지를 생생하고 흥미로운 이야기로 들려준다.

번역 이지수

중앙대학교 국제대학원 한중 전문통번역학과를 졸업하고 현대자동차에서 전문 통번역사로 일했다. 현재는 번역 에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 중국어 전문 번역가로 활동하고 있다. 주요 역서로는 『기분을 이기는 생각: 90년대생, 성공한 꼰대가 외친다』, 『매일 10분 철학 수업: 짧고 굵게 배우는 서양 철학!』, 『회복력 수업』, 『성장을 꿈꾸는 너에게』, 『1초 만에 잠드는 방법』, 『수학책을 탈출한 미적분』, 『마법의 수학암호를 풀어라』 등이 있다.