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온 가족이 함께 읽는 교양과학의 세계-과학이 재미있다, 즐겁다

- 오늘날의 문명을 만든 과학기술, 그 성과는 공유되면서도 지식의 탐구과정은 철저히 비밀에 붙여진 이유는 무엇일까?
- 스티브 호킹의 [시간의 역사]는 1000만부가 팔려나간 베스트셀러로 기록되었으나 거의 대부분의 사람들이 끝까지 읽지 못한 책으로 남아 있는 이유는 무엇일까?

근대 이후 산업화의 과정에서 성취된 현대문명사회는 지식과 정보에 기반한 사회였다. 특히나 과학분야의 발전과 과학자들의 공헌이 없었더라면 오늘날 우리가 향유하고 있는 물질 기반과 문명의 혜택은 생각지 못했을 것이다. 하지만 불행히도 기실 그간의 지식과 정보는 은폐되고 폐쇄되면서 어느 특정한 계급, 특별한 계층에게만 독점되어 왔었다. 일반인들 보통의 대중에게는 접근제한 구역이었던 셈이었다. 이것의 논리 안에는 정보와 지식을 독점함으로써 특별히 누릴 수 있었던 권력과 지배의 숨은 이데올로기가 개입되었음을 무시하지 못할 것이다. 대중은, ‘과학은 전문가들의 것이다, 그리고 과학은 삶과 격리된 것이다’라는 거짓 유포에 의해 자연 설득되어 왔던 것이다. 하지만 과학은 인류 공동의 노력과 공헌에서 나온 재산으로 등록되어야 한다. 함께 과학의 성과들이 공유될 수 있을 때 그렇게 함으로써만이 독점된 과학기술이 초래할지 모를 무서운 공포와 생존의 위협으로부터 우리 모두가 살아남을 수 있을 것이며 자유로운 인간들의 공동체의 이상 또한 실현될 것이다.
이러한 문제의식으로부터 과학 교양서의 지속적인 대중화를 위해, 삶으로서의 과학이 자리잡는 노력의 한 기획으로서 이 책은 그 의의를 가지고 있다.

세상을 움직이는 보이지 않는 힘과 법칙 - 과학으로 세상 읽기
시간과 우주의 비밀이 탐구되어온 흥미진진한 모험의 여정

시간이란 무엇일까? 이에 이 책의 대답은 시간 개념은 단지 인간의 시간 유전자가 만들어내는 화학작용에 의한 환상이라고 설명한다. 그렇다면 시간 여행은 가능한가? 우리가 절대적이라고 믿었던 시간 개념은 공간과 더불어 얼마든지 줄어들고 늘어날 수 있는 상대적인 것으로 변한다. 이것의 근거가 아인슈타인의 상대성이론이다. 그리고 또 우주는 어떻게 해서 생성되었을까? 이에 스티브 호킹의 블랙홀을 비롯한 무수한 빅뱅에 대한 이론들이 질문에 답해주고 있다.
이 책은, 중력의 법칙을 발견한 뉴턴의 물리학 이후, 아인슈타인의 상대성이론, 20세기의 양자물리학과 호킹의 블랙홀에 이르기까지, 세상을 움직이는 보이지 않는 힘과 법칙을 알아내고자 겨룬 물리학과 세계와의 지난한 투쟁과 발견의 발달사를 보여주고 있다. 시간과 우주의 비밀이 탐구되어온 흥미진진한 모험의 여정은 인간과 세계와의 비밀을 둘러싸고 벌어지는 투쟁 그 자체였다고 말할 수 있다. 이로써 우리가 얻을 수 있는 교훈은 과학이란 과학자들의 논쟁적이며 때로는 주관적일 수도 있는 주장들에 다름이 아님에 공감하게 된다. 인간의 최종 인식에 대한 동경은, 자연과학 분야를 발달시켰고, 상상력은 세상을 지배하는 보이지 않는 힘과 법칙을 발견해 내었으며, 호기심은 이론을 계속적으로 검증해 나가도록 만들었던 것이다. 이 책이 전하고자 하는 메시지는 복잡다단한 물리학의 이론적 설명이 아니라, 그들 과학자들이 어떤 문제에 관심을 갖고 연구하고 있으며 그 문제를 해결하기 위해 어떤 노력들을 하였는지, 그리고 나서 우리에게 아직 남아 있는 문제는 무엇인지까지도 함께 생각해 볼 계기인 것이다.
평소 우리가 막연히 품고 있었던, 세상은 아주 복잡하지만 그렇다하더라도 세상을 움직이는 어떤 힘과 질서가 있지 않을까에 대한 의문들에 대해 이 책에 등장하는 물리학자들은 진진하고도 따뜻한 대답을 독자들에게 들려줄 것이다. 세상은 복잡하지만, 우리가 충분히 이해할 수 있을 만큼 복잡한 것이기 때문이다.

타임머신, 블랙홀, 빅뱅...... 상상의 무한한 가능성 우주,
시간과 공간, 우주의 질서 그 무한한 상상력 속에 숨겨진 비밀을 찾아서

시간이란 무엇인가? 우리가 살고 있는 우주는 어떻게 해서 생겨났을까? 미시세계에서는 무슨 일이 일어나고 있을까? 20세기의 물리학, 특히 상대성이론과 양자역학은 우주에 대한 우리의 인식을 철저하게 바꾸어 놓았다. 하지만 우주의 모든 것을 설명할 수 있는 공식은 아직 밝혀지지 않았다.
자연과학적인 세계상은 우리가 살고 있는 세계에 대해 믿을 수 없는 관점을 제시한다. 시간여행을 할 수 있는 가능성, 텔레포트를 할 수 있는 가능성, 무에서 유를 만들어낼 수 있는 가능성, 블랙홀에 빠질 가능성...... 이들보다 더 환상적인 것이 무엇이 있겠는가?
그 동안 이에 대해서 많은 사색이 이루어졌다. 그리고 여전히, 이 영역에서 어떤 것이 가능하고 어떤 것이 불가능한지에 대해 혼란이 계속되고 있다. 이 책에서는 이들 논의 중에 어떤 것이 현실적인 근거를 가지고 있는지 일반인들이 이해할 수 있도록 쉽게 풀어 설명되고 있다. 이제 뉴턴의 중력, 아인슈타인의 상대성이론, 호킹의 블랙홀까지 흥미진진하게 펼쳐지는 시간과 우주의 비밀에 대해 탐구해 온 위대한 물리학의 발견과 모험의 여정은 시작되었다.

1장
우리가 시간에 대해 가지고 있는 관념은 전혀 절대적이고 본질적인 양이 아니라 화학적인 과정의 산물이다. 우리가 살고 있는 지구가 태양 빛에 따라 24시간 주기에 의해 움직이기 때문에, 우리는 이 24시간 주기의 시간 감각만 가지고 있다. 다른 행성, 다른 태양계에서는 시간 감각이 아주 다르게 발달할 수도 있다. 만약 그곳에 생물이 존재한다면 말이다. 우리들이 당연하게 받아들이고 있는 시간 개념은 이제 불가침의 권좌로부터 쫓겨나게 된다.

2장
정확한 시계의 발명으로 새로운 연구영역이 열렸다. 사람들은 자연에서 일어날 수 있는 모든 가능한 사건들을 시간으로 측정하기 시작했다. 시간 측정과 공간 좌표를 이용하여 아주 제멋대로인 사건들의 속도를 확정할 수 있었다. 그렇게 하여 인간은 과거의 측량술로는 접근이 불가능했던 새로운 세계로 진출했다.

3장
정확한 시간 측정으로 광속의 유한성이 드러났을 뿐만 아니라, 시간 간격을 더 작고 정확하게 측정할 수 있게 됨으로써 이제까지 우리에게 비밀에 쌓여 있던 우주의 맥락이 분명해졌다. 시간 측정은 우주에 대한 자연과학적 관점에서 이루어지는 혁명적인 변화에 결정적인 몫을 하였다.

4장
우리가 순간적으로 체험하는 것이 현실인가? 하지만 이제 우리가 사고로 추론할 수 있는 또 다른 현실이 존재한다. 예를 들어 광속의 유한성을 통해 인식되는 현실 말이다. 이제 우리는 지금 우리가 보고 있는 태양은 8분 전의 모습이고, 실제로 현재 태양에서 일어나고 있는 일은 8분 뒤에야 체험할 수 있다는 것을 알게 되었다.

5장
아인슈타인 이론의 결론은 전대미문의 것이었다. 그때까지 우리의 세계상에 따르면 공간과 시간은 불가침의 것이었다. 인간은 공간과 시간이 자연의 사건들이 일어나는 세계에 대한 포괄적인 틀로써 절대적인 양이라고 믿어왔다. 뉴턴이 이 세계상을 세웠고, 이것은 우리의 자연스런 감정과 맞아떨어졌다. 그런데 갑자기 우리의 세계상을 떠받치고 있는 이 지주가 상대적인 값이 되어버린 것이다!

6장
특수상대성이론에 따르자면 아주 높은 속도에 도달한 인간에게 어떤 일이 일어날까? 우주 비행사가 자신이 타고 있는 우주선을 광속에 가까운 속도로 가속시킬 때, 지구에 있는 관찰자의 눈에는 우주선에서의 시간이 지구에서보다 더 느리게 가는 것으로 보인다. 하지만 우주 비행사의 관점에서 지구를 관찰하면 지구상의 시간이 지연되고 거리가 짧아진 것으로 보인다. 두 좌표계 모두 옳다. 각자 자신의 좌표계가 정상이라고 생각한다. 그런데 나중에 놀라운 일이 일어난다. 우주 비행사가 지구로 돌아오면 자기 동료들이 자신보다 훨씬 더 늙어 있게 된다.

7장
E=mc2 이 공식은 간단하게 말하자면, 에너지는 질량과 같고 질량은 에너지와 같음을 의미한다. 다시 말해 물질의 고유한 성질로 우리에게 아주 친숙한 질량은 에너지의 특별한 형태인 것이다.

8장
마침내 아인슈타인은 중력을 고려하여 시공간을 완전하게 설명하는 데 도달하였다. 그 결과가 일반상대성이론이다. 중력은 힘의 작용이 아니라 시공간의 변형이다. 즉, 이 세계상에서는 지구가 달을 힘으로 끄는 것이 아니라 지구의 질량이 시공간을 변화시켜, 즉 시공간이 굽어져서 달이 지구에 묶이는 것이 된다. 이 시공간의 변형에 의해서 달이 지구 주위의 궤도에 묶이는 것이다.

9장
빛이 이동할 때 역시 중력의 영향을 받는다면 그로 인한 공간의 변형에 의해 빛의 방향이 틀어지게 된다. 이것은 정말 상상하지도 못한 일이다. 우리는 늘 빛이 직진한다는 가정에서 출발한다. 하지만 아인슈타인에 의해 우리는 빛이 물질에 의해 굽을 수 있음을 예측하게 된다. 이것은 일식에 의해 확인되었다.

10장
상상할 수 없이 거대한 중력은 시간 개념에도 큰 영향을 미친다. 그 예로 질량이 극도로 큰 블랙홀은 거대한 중력을 만들고 이것은 주변의 모든 것을 끌어당겨 삼켜버린다. 이때 광양자 역시 더 이상 움직이지 못할 정도로 강하게 끌어당겨지고 시간은 정지된 것처럼 보인다.

11장
빛에 관해서 물리학자들은 어떤 실험들은 빛을 파동으로 봐야 설명이 가능하고, 어떤 실험들은 빛을 미립자로 봐야 설명이 가능하다는 기이한 상황에 놓였다. 이 상황은 물리학에서 이론이 갖는 의미를 분명하게 해준다. 즉 세계는 어떤 한 이론으로서만 설명될 수 없다는 것이다. 우리는 자연에 대해 어떤 상을 만들지만 이 상은 우리 인식의 한계 안에 존재할 뿐이다.

12장
미시세계에서도 물리학 이론을 적용할 수 있을까? 원자 영역에서도 거대한 우주에서처럼 똑같은 규칙성을 적용할 수 있을까? 양자역학의 세상상에서는, 고전적인 표상과는 달리 하나의 좌표계 안에 있는 물리량이 완전한 값을 가질 수 없다. 위치와 운동량에 대한 불확정성의 원리에 의해 거시세계와는 다른 현상이 관찰된다.

13장
양자물리학적인 고찰로 세계에 대해 또 다른 낯선 관점이 열린다. 양자세계에서는 부분영역으로 분리될 수 없다. 이것으로 공간이동의 가능성이 열린다. 또한 텅빈 공간, 즉 진공에서도 에너지와 물질이 생성되는 현상을 관찰할 수 있다. 이러한 미시 세계는 우리의 ‘자연적인’ 이해로부터 멀리 떨어져 있다.

14장
오래 전부터 자연과학자들은 우리 우주가 어떻게 생성되었는지 알려고 애썼다. 오늘날 자연과학자들 간에는 모든 것이 빅뱅으로 시작되었다는 학설이 우세하다. 우주와 시공간이 150억 년 전에 상상할 수도 없이 거대한 폭발에 의해 생성되었다는 것이다.

15장
우주의 미래는 어떤 모습일까. 빅뱅 이후 우주가 팽창해 온 것처럼 우주는 계속해서 팽창하게 될까? 이에 대한 해답은 우주의 질량에 달려 있다. 우주에 포함되어 있는 물질이 자신의 중력에 의해 우주의 팽창에 반항할 정도가 되지 못하면 우주는 영원히 팽창하게 된다. 우주에 포함되어 있는 물질이 아주 많다면 그 중력이 언젠가 우주의 팽창을 멈추게 만들 것이고, 그러면 우주는 다시 수축할 것이다.

16장
과학자들이 우주의 생성과 구조에 대해 앞서 설명한 것과 같은 확고한 상을 세웠다면 이 우주에 대해 언제 어디서나 유효한 이론을 세우고자 하는 바람을 갖게 되는 것도 당연하다. 이 이론을 TOE(Theory Of Everything)라고 하며 간단하게 표현하자면 ‘세계공식’이라고 말할 수 있다.

17장
물리학자들의 목표는 단 하나의 힘에 의해 지배되는 단 한 종류의 미립자를 설명하는 것이다. 빅뱅 직후에는 단 하나의 미립자가 단 하나의 힘에 의해 지배되는 상태가 존재했을 것이다. 그러나 우주에서 일어나는 사건을 단 하나의 이론으로 설명하려는 목표는 원칙적인 어려움을 지닌다. 왜냐하면 이론을 실험에 의해 검증하는 자연과학적인 방법론으로는 불가능하기 때문이다.

18장
모든 것을 포괄하는 이론이 정말로 발견된다면 물질의 종류와 존재방식에 대한 수수께끼는 벗겨질 것이다. 이와 같은 최종 인식에 대한 동경은 정말 흥미로운 일이고 몇몇 학자들은 열정적으로, 거의 종교처럼 그것을 추구한다. 하지만 이러한 탐색은 ‘예술을 위한 예술’이 될 수 있다.

19장
자연과학자들은 우주의 초기 단계에 대한 해답을 블랙홀에서 얻을 수 있다고 믿는다. 블랙홀은 하나의 별이 죽은 뒤에, 즉 별이 폭발한 뒤에 남은 물질들이 중력의 압력에 의해 뭉쳐서 생성된것이다. 그들은 이 블랙홀을 조사하면 빅뱅 순간의 물리적 조건에 대해 더 많이 알게 될 것이라고 믿는다. 스티븐 호킹이 그들 중 하나이다.

20장
자연과학자들의 세계상은 완벽하지 않다. 자연과학은 우리 인생을 풍요롭게 해주는 다양한 체험세계와 감정세계에 대해서는 아무것도 말해주지 않는다. 몇몇 선택된 사건들에 한정되어 있으며 우리가 인식할 수 있는 부분에 의해 제한된다. 그러므로 다른 관찰방식의 가능성과 새로운 이론의 여지는 항상 남겨져 있다.

1장 시간이라는 환상
2장 시간이 중요한 이유
3장 불확실의 시작
4장 순간에 대한 회의
5장 절대시간의 상실
6장 타임머신의 세계
7장 두 세계의 융합
8장 새로운 세계상
9장 일식의 승리
10장 시간의 정지
11장 야누스의 얼굴을 지닌 빛
12장 더 이상 예언은 없는가
13장 상상할 수 있는 가능성의 상실
14장 우주의 생성
15장 빅뱅에 대한 회의
16장 세계공식을 찾아서
17장 인간이 이제까지 달성한 것
18장 빅뱅에 대한 무수한 이론
19장 호킹의 블랙홀
20장 세계상의 한계

주요 인물
감사의 말
사진 출처
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