우주로의 여행

자오정 지음 | 채경훈 옮김

시그마북스 2024년 12월 06일 출간 국내도서 : 2024년 12월 06일 출간

작품소개

책소개

20세기 초에 수많은 물리학자들은 물리학이라는 큰 건물이 이미 완성되었다고, 이제 물리학이라는 큰 건물을 보수하는 작업만이 남았다고 생각했다. 하지만 그 이후 탄생한 상대성 이론과 양자 이론은 물리학을 새로운 발전 단계로 이끌었고, ‘시공간’에 대한 인류의 인식에도 큰 영향을 끼쳤다.
이 책은 중국 물리학계의 거장 자오정 교수가 진행한 온라인 플랫폼 강의를 기초로 쓴 것으로, 근대 물리학의 발전과 아인슈타인의 상대성 이론, 그 외에 물리학의 새로운 발전을 소개한다. 이 책을 통해 인류가 어떻게 작고 작은 지구에서 우주와 시공간을 발견하고 연구하고 이해했는지 그 궤적을 따라갈 수 있을 것이다.

목차

개요
머리말

제1과 물리학에 드리워진 먹구름 두 조각
『상대성 이론: 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론』
물리학에 드리워진 먹구름 두 조각
200년 동안 지속된 큰 논쟁
물리학자들을 당혹하게 만든 난제
우유부단한 플랑크
빛은 파동인 동시에 입자다

제2과 아인슈타인과 물리학 혁명
결코 영재가 아니었던 아인슈타인
고등학교 보충 수업: 가장 행복했던 1년
취리히연방공과대학교: 무단결석을 하다
사면초가에 직면한 실업 청년
특허청과 자유롭게 공부할 수 있는 아카데미
아인슈타인의 기적의 해

제3과 특수 상대성 이론이란 무엇인가
모든 건 에테르 때문이다
상대성 이론을 향해서
동시성의 상대성
시간 팽창
길이 수축
속도를 중첩하면 빛보다 빠른 속도에 도달할 수 있을까
상대론적 질량은 질량일까 아닐까
질량이 곧 에너지일까

제4과 쌍둥이 역설과 광속 불변의 원리
행성 여행을 마치고 돌아오자 불가사의한 사건이 발생했다
쌍둥이 역설은 사실일까
상대성 원리와 뉴턴 물리학의 분수령, 광속 불변 원리
상대성 이론을 제시한 사람은 대체 누구인가

제5과 만유인력은 보편적인 힘이 아니다
아인슈타인은 왜 특수 상대성 이론을 발전시켜야 했는가
뉴턴의 양동이 실험은 무엇을 설명하는가
피사의 사탑부터 사과의 낙하 운동까지
아인슈타인의 엘리베이터 실험
만유인력이 보편적인 힘이 아니라고 말하는 이유

제6과 왜곡된 시공간, 일반 상대성 이론
유클리드 기하학에서 비유클리드 기하학까지
일반 상대성 이론의 창립
중력의 적색편이와 수성의 궤도 세차 운동
빛의 굴절과 GPS 위치 측정

제7과 시공간의 팽창과 물결
중력파는 과연 존재할까
결국 중력파를 찾아내다
블랙홀 충돌로 인한 시공간의 잔물결
우주는 어떻게 생겨났는가
우주론적 적색편이는 도플러 효과가 아니다
암흑 물질과 암흑 에너지의 불가사의

제8과 볼 수 없는 별을 예측하다
라플라스와 미첼이 예측한 암흑성
오펜하이머가 다시 암흑성을 예측하다
오, 선녀님, 저에게 키스해주세요!

제9과 항성의 진화, 50억 년 이후 태양은 어떻게 변할까
항성의 일생
여러 가지 항성의 비교
서북쪽을 바라보며, 천랑성을 향해 활을 쏜다
50억 년 후 태양은 어떻게 변할 것인가

제10과 백색왜성과 중성자별 이야기
백색왜성에서 중력 붕괴가 다시 일어나지 않는 이유
낙담한 세 젊은이
한 인도 청년의 ‘터무니없는 이야기’
저는 하느님이 왼손잡이일 거라고 믿지 않습니다
졸리오퀴리 부인의 유감
신비한 ‘외계인’
중국 고대인이 기록한 초신성 폭발
공룡 멸종에 관한 또 다른 추측

제11과 블랙홀을 향해 날아간 우주선은 결국 어디로 갔을까
원자폭탄의 아버지가 의심을 받다
구면 대칭인 블랙홀
무한한 적색편이 면과 사건의 지평면
시공간 교환과 화이트홀 문제
블랙홀을 향해 비행하는 우주선
블랙홀에 진입한 이후 우주선의 운명

제12과 블랙홀은 정말로 검을까?
대전된 블랙홀
회전하는 블랙홀
‘털없음 정리’ 또는 ‘털 세 가닥 정리’
블랙홀은 죽은 별인가
아인슈타인의 영감
‘진공은 텅 비어 있는 게 아니다’와 반물질
블랙홀 근처의 진공 변형

제13과 호킹, 갈릴레이의 환생
갈릴레이가 사망한 지 300주년이 되는 날, 호킹이 탄생했다
옥스퍼드대학교에서 케임브리지대학교로: 심각한 병의 습격교수님, 계산이 틀렸습니다
반가운 펜로즈

제14과 호킹의 업적
특이점 정리부터 면적 정리까지
베켄슈타인의 과감한 진전, 블랙홀은 온도가 있다
180도의 태도 변화: 호킹 복사의 발견
블랙홀의 음의 비열
빌 언루 교수의 갑작스러운 깨달음
호킹의 업적 및 그에 따른 도전
만리장성에 가보지 않았다면 사나이가 아니다

제15과 블랙홀과 정보 보존 논쟁
호킹의 내기: 블랙홀의 정보는 보존되는가
블랙홀의 정보는 보존되지 않을 것이다

제16과 시간의 수수께끼를 탐구하다
동시의 전이성, 문제가 아닌 것 같은 문제
시간의 특성은 열의 특성과 관련이 있을까?

맺음말
참고문헌

책 속으로

1905년에, 독일의 〈물리학 연보〉(독일에서 가장 중요한 물리학 잡지 중 하나)의 편집진은 논문 한 편을 받게 된다. 이 논문의 저자는 당시에는 이름이 알려지지 않았던 아인슈타인이었다. 그는 플랑크가 주장한 에너지의 양자화 이론에서, 에너지가 조화 진동자를 떠난 이후에 연속적으로 변하는 것이 아니라 에너지가 복사원을 떠난 이후에도 여전히 불연속적인 상태를 유지한다고 생각했다. 이것이 아인슈타인의 광양자 이론이다. 양자는 조화 진동자가 복사하거나 흡수할 때만 불연속적인 것이 아니라, 양자가 전달되는 과정에서도 불연속적이라는 것이다.
_24쪽

지구 근처와 우주에 모두 에테르가 존재한다면 에테르는 지구에 상대 운동을 하고 있을까 아니면 정지해 있을까? 사람들은 에테르가 지구에 대해 상대적인 정지 상태에 있을 리가 없다고 생각했는데, 지구는 우주의 중심이 아니며, 태양도 우주의 중심이 아니기 때문이다. 에테르가 지구에 대해 정지 상태에 있다면 지구가 우주의 중심이라고 인정해버리는 것과 마찬가지가 아닌가? 그래서 사람들은 지구는 에테르에 대해 상대 운동을 하고 있어야 한다고 생각했다. 1725년에 천문학자 제임스 브래들리는 광행차 현상을 발견하고, 1728년에 광행차 현상이라는 이름을 붙인다. 1810년에 사람들은 이 현상을 다시 검증한다.
_49쪽

상대성 이론은 하나의 시공간 이론으로 시간과 공간을 하나로, 에너지와 운동량을 하나로 간주한다. 여기서 말하는 상대성 이론은 나중에 사람들이 특수 상대성 이론이라고 부르는 부분으로, 물질이 시공간의 왜곡을 일으키는 상황을 고려하지 않는다. 그렇다면 상대성 이론(특수 상대성 이론)은 누가 제시한 걸까? 사실 상대성 이론의 수많은 결론은 상대성 이론이 탄생하기 전에 많은 연구 결과에서 나왔다. 하지만 상대성 이론을 제대로 정립한 사람은 아인슈타인뿐이다.
_79쪽

역사에서 처음으로 블랙홀이라는 천체에 대해 비교적 과학적으로 묘사한 시기는 18세기 말과 19세기 초의 나폴레옹 시대였다. 영국의 케임브리지대학교 감독관 존 미첼, 프랑스의 유명한 천체물리학자인 피에르 라플라스는 암흑성이 존재한다고 예측했다. 만유인력이 강하게 작용하는 탓에 이 암흑성은 자신이 발생시킨 빛을 끌어당겨 올 수 있고, 외부에 있는 사람은 이 암흑성을 볼 수 없다. 라플라스는 자신의 과학 저서 『우주 체계 해설(Exposition du systeme du monde)』과 거작 『천체역학(Traite de mecanique celeste)』에서 암흑성에 대해 묘사한 적이 있다.
_141쪽

블랙홀의 표면에는 또 다른 특징이 있는데 이를 사건의 지평면이라고 부른다. 무슨 의미일까? 블랙홀 내부의 신호는 밖으로 나올 수 없다는 것이다. 외부에 있는 사람은 블랙홀의 표면 외부만을 볼 수 있으며, 장시간 동안 관찰해도 볼 수 있는 건 기껏해야 블랙홀 표면에 무한히 가까워지는 상황뿐이고, 내부의 상황을 알 수 없다. 그래서 사건의 지평면은 블랙홀의 경계가 된다.
_198쪽

블랙홀의 표면 부근에는 교차선이 있는 어두운 영역이 있는데, 이 어두운 영역은 음의 에너지의 전자로 가득 차 있다. 하지만 이 영역의 에너지는 여전히 일반적인 진공 상태의 양의 에너지 상태의 에너지보다 높다. 따라서 이 전자들은 터널링 효과를 통해 제한 영역을 뛰어 넘어 양의 에너지의 전자가 될 가능성이 있다. 이 현상이 블랙홀의 자연 방사다. 스타로빈스키와 언루는 이 자연 방사를 예측하고 계산했다. 나중에 필자의 프로젝트 팀도 블랙홀이 운동하고 있는 상황에서 계산과 연구를 진행하여 어느 정도 성과를 얻었다.
_221쪽

면적 정리에서 다음과 같은 추론을 얻어낼 수 있다. 하나의 큰 블랙홀은 두 개의 작은 블랙홀로 분열될 수 없다. 이 두 개의 작은 블랙홀의 표면적의 합은 큰 블랙홀의 표면적보다 작다는 걸 증명할 수 있으며, 이는 면적 정리를 만족하지 못하기 때문이다. 2016년에 중력파 GW150914를 발견했다는 보고에 따르면, 이 중력파는 두 개의 비교적 작은 블랙홀이 하나의 큰 블랙홀로 합쳐지면서 생성된 중력파이며, 큰 블랙홀의 총질량은 두 개의 작은 블랙홀의 질량의 합보다 작지만, 큰 블랙홀의 표면적은 두 개의 작은 블랙홀의 표면적의 합보다 크다. 따라서 이 블랙홀의 병합은 면적 정리를 만족하고, 병합된 이후의 총질량은 감소하며 감소한 질량이 중력파로 변한다.
_240쪽

출판사 서평

블랙홀을 향해 날아간 우주선은 어디로 갔을까?
항성과 우주의 진화, 그리고 블랙홀의 이해

지금의 물리학, 특히 천체물리학은 아인슈타인의 상대성 이론을 시작으로 새로운 발전 단계를 맞이하게 된다. 이전에는 미약했던 시공간에 대한 이해와 인식에도 큰 변화를 맞이한다. 『우주로의 여행』은 아인슈타인 이후 물리학의 새로운 발전을 소개한다. 20세기 근대 물리학, 아인슈타인의 특수 상대성 이론, 항성과 진화, 중성자, 블랙홀 등의 심오한 내용을 알기 쉽게 소개한다. 여러 가지 과학적 발견이 어떻게 해서 탄생하고 논의되고 정리되었는지 그 과정을 이해할 수 있을 것이다.
특히 이 책에서는 아인슈타인의 위대한 업적 중 가장 중요한 일반 상대성 이론을 중요하게 다룬다. 왜냐하면 일반 상대성 이론을 토대로 우주의 진화, 블랙홀 및 시공간의 특성에 대한 연구가 두드러진 발전을 보였기 때문이다. 아인슈타인이 있었기에 인류가 지구에만 머무르지 않고, 우주로 나아갈 수 있게 되었다. 우주선을 쏘아 올리고, 달에 착륙하고, 새로운 우주선을 만드는 현재의 토대가 된 것이다. 그런 의미에서 아인슈타인의 상대성 이론을 이해하는 것은 미래를 상상하는 중요한 밑거름이 될 것이다.


아인슈타인부터 스티븐 호킹까지,
우주를 탐구하는 여정

물리학은 조금 과장해서 세상 만물을 다루는 학문이다. 그 범위는 광대한 우주부터 원자보다 작은 단위까지 이른다. 그래서 당연하게도 어려울 수밖에 없다. 하지만 이 책은 저자인 자오정 교수가 온라인 플랫폼강의를 기초로 썼기 때문에, 일반인도 비교적 쉽게 이해할 수 있다.
『우주로의 여행』은 총 16장으로 이루어져 있다. 전반적으로 상대성 이론의 탄생을 중심으로 하고, 그 전후의 물리학 발전과 관련된 과학계 인물들이 나온다. 아인슈타인이 어떻게 상대성 이론을 정리하고, 그것이 인류가 우주를 이해하는 발판이 되었는지 알 수 있을 것이다. 1장부터 6장까지는 아인슈타인의 특수 상대성 이론, 일반 상대성 이론을 중심으로 과학적 발견과 관련 스토리를 소개한다. 7장부터 12장까지는 중력파, 암흑 물질과 암흑 에너지, 오펜하이머와 암흑성, 항성의 진화, 백색왜성과 중성자별, 그리고 모든 것을 삼키는 블랙홀을 쉽게 알려준다. 그리고 13장부터 16장까지는 스티븐 호킹의 업적과 블랙홀에서의 정보 보존 논쟁, 그리고 시간의 특성을 이야기한다.

작가정보

저자(글) 자오정

赵峥
베이징사범대학교 물리학과 교수, 박사과정 지도 교수. 1967년에 중국과학기술대학교(中国科学技术大学) 물리학과를 졸업하고, 1981년에 베이징사범대학교 천문학과에서 석사 학위(지도 교수는 리우랴오 교수다)를 받았으며, 1987년에 브뤼셀자유대학교에서 박사 학위(지도 교수는 프리고진 교수다)를 받았다.
베이징사범대학 대학원생 부원장, 물리학과 주임, 중국물리학회의 중력과 상대성 이론 천체 물리 분회 이사장, 중국 물리학회 이사, 「대학물리(大学物理)」 잡지의 부편집장을 역임했다.
자오정 교수는 일반 상대성 이론, 블랙홀과 중력파에 대한 교육과 연구 작업을 오랫동안 했으며, 100편이 넘는 과학 연구 논문을 발표하고, 10여 권의 과학 연구 전문 서적, 교재 및 교양 서적을 출판했다. 중국 국가교육위(현재의 교육부)의 과학 기술 진보 2등상을 2회 수상했고, 중국도서상을 2회 수상했다.

번역 채경훈

외국어고등학교에 다니며 고등학교 때부터 중국어를 수학했고, 서울대학교 전기공학부를 졸업하여 수학 및 과학 관련 지식에 대한 이해도가 높다. 꾸준히 중국어를 공부하며 어떤 번역이 자연스러운 번역이 될까 고민하는 즐거움을 깨닫고 대학교 졸업 후 중국어 번역에 뛰어들었다. 현재는 번역 에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 전문 번역가로 활동하고 있다. 주요 역서로는 『나를 지켜주는 최소한의 방어 심리학』, 『어떻게 살 것인가 인생』, 『양쯔강의 악어』 등이 있다.