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진공과 인플레이션 우주론 : 무의 공간의 수수께끼를 규명한다

원제 : ?空とインフレ?ション宇宙論 : 無の空間の謎に迫る
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책소개

과학의 핵심 주제를 파고드는 「NEWTON HIGHLIGHT」 시리즈 『진공과 인플레이션 우주론』. 세밀하고 정밀한 그림, 생생하고 진귀한 사진, 그리고 전문가의 해설을 통해 진공과 인플레이션 우주론에 대해 알기 쉽게 정리해준다. 우주론의 핵심 논제로 여겨지는 4차원 시공은 물론, 초끈 이론에 대해서도 살펴보고 있다. 우주가 만들어지고 움직이는 원리에 대해 파악하게 될 것이다.

출판사 서평

진공은 ‘활발하게 움직이고 있다!’

진공이라고 하면 ‘아무것도 없는 공간’을 떠올리기 쉽다. ‘아무것도 없는 공간’을 만들기는 어려우므로, 흔히 1/1000mmHg 이하의 저압을 진공이라고 부른다(1기압=760mmHg). 공업적으로는 ‘대기압보다 낮은 압력의 기체로 가득 찬 공간의 상태’를 진공이라고 부르는 경우도 있다. 일반적으로 생각하는 ‘비어 있는’ 진공의 이미지와는 상당히 다름을 알 수 있다. 또 우주 공간을 진공 상태라고 아는 경우가 있는데, 아주 희박하기는 하지만 그곳에도 1m@3당 1개의 수소 원자 등이 존재한다.
이처럼 진공은 조용하고 아무것도 없는 공간이 아니라, ‘활발하게 움직이고 있는’ 불가사의한 존재이다. 즉 진공 상태에서는 실제로 다양한 소립자가 저절로 생겨났다가는 사라지고 있는 것이다. 더욱이 진공 자체가 에너지를 가지고 있으며, 이 진공 에너지가 137억 년 전에 우주를 탄생시켰다고 한다. 진공 에너지가 초기의 우주를 급팽창시켰고, 그로부터 극히 짧은 순간 뒤에 빅뱅 우주를 만들어 냈다는 ‘인플레이션 우주론’이다.

이 책은 진공과 인플레이션 우주론, 그리고 우주론의 핵심 논제 중의 하나인 4차원 시공과 초끈 이론 등을 알기 쉽게 정리해 준다.
Part 1에서는 인플레이션 우주론을 다룬다. 최초의 우주는 1초보다도 훨씬 짧은 순간에 그 크기가 수십 제곱 배로 팽창했다고 한다. 뿐만 아니라 ‘우주는 자식 우주를 탄생시켰다.’는 놀라운 주장을 펼치는데, 이러한 인플레이션 우주론의 전체 모습에 대해 소개한다. 한편 물질 사이에 작용하는 힘도 입자를 주고받아 전해지며, 이들 입자는 모두 초극미의 끈으로 이루어졌다는 ‘초끈 이론’의 기본적인 내용부터 최근 동향까지도 알아본다.
Part 2의 주제는 진공이다. 일상적으로 생각하는 진공과는 다른 소립자·형광등·우주 망원경·가속기·우주 공간·원자 등에서 말하는 진공의 다양한 의미를 정리한다. 아울러 우주를 창조한 진공 에너지 등, 우주의 기원과 진공이 어떻게 연관되는지에 대해서도 상세히 알아본다.
Part 3에서는 우주의 근본 원리를 추구하는 우주론 중에서도 중요한 논제인 4차원과 블랙홀을 다룬다. 4차원 시공에서는 시간과 공간이 절대적인 기준을 가진 것이 아니며, 4차원 시공에 관련된 주요 키워드 즉, 블랙홀·미니 블랙홀·화이트홀·웜홀·퀘이사·중성자별·중력 렌즈·우주의 대구조·차원·상대성 이론·쿼크·핵력·대통일 이론·양자 중력 이론·팽창 우주 등의 의미에 대해서도 명쾌하게 설명한다.

진공의 정체에서부터 인플레이션 우주론, 그리고 4차원 시공과 초끈 이론 등 현대 물리학의 주요 과제를 다루는 이 책을 통해, 우리의 우주가 어떤 원리로 만들어져서 움직이고 있으며, 현재의 과제는 무엇인지를 상세히 알게 될 것이다.

특장

● 진공에서는 다양한 소립자가 태어났다가 사라진다
진공은 아무것도 없는 조용한 공간이 아니다. 인공적으로 ‘아무것도 없는’ 공간을 만들기도 어렵지만, 광막한 우주 공간 같은 자연 상태에도 극히 희박하지만 원자가 있다. 더욱 놀라운 일은 진공 상태에서 다양한 소립자가 저절로 태어났다가 사라진다는 사실이다. 일반적인 의미의 진공에서부터 양자론에서 말하는 진공까지, 그 다양한 현상과 의미를 총정리한다.

● 빅뱅에 앞서 우주는 무시무시한 급팽창 ‘인플레이션’을 일으켰다
흔히 빅뱅을 ‘우주의 시작’이라고 말한다. 그러나 우주의 탄생과 성립 과정에 대해 빅뱅 이론이 설명하지 못하는 내용이 알려지면서 다양한 우주론이 제시되었다. 그중 하나인 ‘인플레이션 우주론’에서는 빅뱅에 앞서 우주가 어마어마하게 급팽창했다고 말한다. 최초의 우주를 탄생시킨 진공의 에너지와 그 후 발생한 인플레이션, 빅뱅의 정체를 확인한다.

● 우주의 모든 물질은 극미(極微)의 ‘끈’으로 이루어져 있다
우주의 모든 물질은 분자·원자·원자핵·양성자·중성자·전자·쿼크 등으로 이루어졌다고 알려져 있다. 그러나 그 최소 단위가 ‘점’이 아닌 극미의 ‘끈’의 형태로 이루어졌다는 초끈 이론이 있다. 이 이론은 완성되지는 않았지만, 자연계에 존재하는 네 가지 힘, 즉 강한 핵력·약한 핵력·전자기력·중력의 통합에 이르기까지 우주의 생성 원리를 설명해 줄 것으로 기대된다. 초끈 이론의 기본 개념부터 발전 과정을 알아보면서, 현 단계의 과제는 무엇인지도 정리한다.

● 4차원 시공의 세계에서는 공간이 휘어지고 시간은 느려진다
시간의 흐름과 공간의 크기 및 형태는 일정한 것이 아니라 관측자의 상황에 따라, 그리고 중력의 강한 정도에 따라 변한다는 상대성 이론은 그때까지의 물리학을 뿌리째 흔들어 놓았다. 그리고 상대성 이론에서 말하는 여러 가지 현상이 실제로 관측되면서, 인류의 우주관은 급변하게 된다. 블랙홀·화이트홀·웜홀·중력 렌즈 등 4차원 시공에서 벌어지는 불가사의한 사건의 핵심을 설명한다.

● 새로운 형식의 과학 단행본 ‘뉴턴 하이라이트’ 시리즈
과학 잡지 은 수준 높은 해설과 그래픽으로 널리 알려져 있다. 그러한 의 기사 중에서도 독자로부터 큰 호평을 받았던 내용만을 골라서 재구성한 단행본이 ‘뉴턴 하이라이트’ 시리즈이다. 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학, 우주과학, 수학 등 다양한 주제의 자매편들이 절찬리에 판매되고 있다.

목차

Part 1 우주의 시작과 인플레이션

* 인플레이션 우주론
인플레이션과 빅뱅 / 인플레이션 우주론 탄생 이야기 / 우주는 팽창하고 있다 / 초기의 우주는 불덩이 우주였다 / 관측할 수 있는 가장 오래된 우주의 빛 / 빅뱅 모델로 해결할 수 없는 문제 / 인플레이션 우주론의 등장 / 인플레이션을 일으키는 힘 / 인플레이션에서 빅뱅으로 / 은하 우주를 만든 인플레이션 / 인플레이션 우주론의 검증 / 인플레이션 우주론의 놀라운 예언 / 더욱 놀라운 예언 / 인플레이션과 암흑 에너지 인플레이션 우주론의 정리

* 모든 수수께끼를 해결한다? 초끈 이론 입문
물질 사이에 작용하는 힘 / 쿼크와 렙톤 / 힘의 통일 이론 / 게이지 이론과 게이지 입자 / 대칭성 / 초끈 이론과 M이론 / 소립자의 내부 / M이론

Part 2 진공의 정체

* 진공은 무(無)인가? 그 정체는?
저압의 진공과 소립자 세계의 진공 / 진공의 존재를 확인한 역사 / 형광등 속의 진공 / 거대한 거울을 만들기 위한 진공 / 전자와 양전자를 가속시키기 위한 진공 / 인공적인 진공의 한계 / 우주 공간의 진공 / 원자 주위나 원자 속의 진공 / 소립자 세계의 진공 / 양전자와 전자를 진공에서 만들어 낸다 / 진공에서 생겨났다가 사라지는 소립자 / 들끓는 진공의 실증 / 진공 에너지가 모든 물질을 만들었다?

* 양자론으로 본 진공의 세계

Part 3 4차원 우주

* 4차원 시공의 수수께끼
차원과 시공 / 시공의 법칙 / 시공의 휘어짐 / 블랙홀 / 웜홀 / 타임머신 / 빅뱅과 우주 팽창 / 4차원 웜홀 / 평행 우주 / 10차원의 세계 / 상대성 이론과 양자 역학의 통일

* 4차원 키워드

* 블랙홀에 대한 의문에 답한다
일반 상대성 이론과 블랙홀 / 등가 원리와 공간의 휘어짐 / 블랙홀의 모습 / 웜홀 / 블랙홀의 생애는 어떤 것일까?

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