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E=mc2 : 현대 물리학의 기본 원리

원제 : アインシュタインの世界一有名な式E=mc2
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책소개

현대 물리학의 기본원리인 『E=mc2(Newton Highlight)』. 이 책은 아인슈타인이 물리학의 대혁명을 일으킨 공식을 살펴보며, 에너지, 질량, 광속의 관계를 밝혀내고 있다. 아인슈타인의 공식이 나오기까지의 과정에서부터 에너지, 질량, 특수 상대성 이론, 핵분열과 핵융합, 원자력 발전, 소립자, 암흑 에너지 등 아인슈타인과 밀접한 관계를 맺고 있는 현대 물리학의 주요 개념들을 살펴본다.

출판사 서평

10원짜리 동전에도 막대한 에너지가 숨어 있다

‘자연의 법칙은 아름답고 단순하다.’는 말이 있다. 이 말을 증명이라도 하듯 심오한 자연의 원리를 단순명쾌하게 보여 주는 관계식이 있으니, 바로 저 유명한 아인슈타인의 E=mc^2이다. 여기에 등장하는 문자는 E, m, c, 그리고 2뿐이다.
그러나 이 단순한 식의 의미는 대단히 중요하다. ‘10원짜리 동전(질량 1g의 물질)에도 서울에서 제주도를 비행기로 248번 왕복할 수 있는 에너지가 숨어 있다.’는 사실을 말해 주기 때문이다. 뿐만이 아니다. 1g의 동전이 가지고 있는 에너지로는 웬만한 도시 하나에 해당하는 83,000세대가 1개월 동안 쓸 수 있는 전력을 마련할 수 있으며, 야구장 부피의 물을 끓일 수도 있다.
왜 이렇게 되는 것일까? 어떻게 1g의 작은 동전에 그처럼 엄청난 에너지가 숨어 있으며, 아인슈타인은 어떻게 해서 그 ‘비밀’을 알아냈을까? 이 책은 이러한 배경을 바탕으로, E=mc^2이 나오기까지의 과정, 그리고 에너지, 질량, 특수 상대성 이론, 핵분열과 핵융합, 원자력 발전, 소립자, 암흑 에너지 등, E=mc^2과 밀접한 관계를 맺고 있는 현대 물리학의 주요 개념들에 대해 상세히 설명한다.

책은 크게 6개의 Part로 나누어져 있다.
Part 1에서는 E=mc^2이라는 관계식에 등장하는 ‘에너지, 질량, 광속’이란 과연 무엇인지를 정리해서, E=mc^2에 관련된 기본 지식을 갖추도록 한다. Part 2에서는 아인슈타인이 ‘특수 상대성 이론’으로부터 E=mc^2을 유도해 내는 배경과 함께 그것의 구체적인 계산 과정까지도 소개한다. Part 3에서는 E=mc^2의 핵심인 질량과 에너지의 관계를 보여 주는 극적인 사례인 ‘핵분열’과 ‘핵융합’의 메커니즘을 눈으로 확인시켜 준다.
한편 E=mc^2은 ‘물질’이 막대한 에너지의 덩어리라는 사실을 보여 주었다. 그러면 이 물질은 과연 어디에서 왔을까? Part 4에서는 물질의 기원과 그 정체를 어떻게 확인할 수 있는지를 설명한다. Part 5에서는 물질을 더 자세히 파고 들어간다. 물질을 형성하고 힘을 전달하는 소립자는 무엇이며, 질량 및 힘과는 어떤 관계에 있는지를 분석한다. Part 6은 E=mc^2이 예측하는 우주의 수수께끼를 해설하는 장이다. 우주를 가득 채우고 있는 ‘암흑 물질’과 ‘암흑 에너지’는 어떤 존재이며, 우주의 미래를 왜 좌우할 수 있는지에 대해서도 상세히 알아본다.
아이작 뉴턴의 F=ma와 함께 물리학의 기둥을 이루는 E=mc^2의 모든 것을 이 책 한 권으로 일목요연하게 정리할 수 있을 것이다.

● 에너지, 질량, 광속의 개념과 E=mc^2이 나오기까지의 과정
물리학에서 말하는 에너지란 ‘무엇인가를 움직이는 능력’을 가리키며, 질량은 ‘사물을 움직이기 어려운 정도’를 나타내는 양이다. 또 빛의 속도인 ‘광속’은 어떤 점이 특별할까? 이 책에서는 먼저 E=mc^2이라는 관계식에 나오는 ‘에너지’와 ‘질량’ ‘광속’의 개념을 정리해 둔다.
한편 아인슈타인은 E=mc^2이라는 놀라운 결과를 ‘특수 상대성 이론’으로부터 유도해 냈다. 아인슈타인은 그 이론에서 어떻게 E=mc^2을 유도했을까? 현대 과학의 상징이라고도 할 만한 이 관계식이 태어난 물리적 배경은 물론 그 관계식의 유도 과정까지도 상세하게 소개한다.

● 원자핵을 조작해 질량을 에너지로 바꾸는 핵분열과 핵융합의 구조
E=mc^2이 적용되는 극적인 사례 중의 하나가 ‘핵분열’과 ‘핵융합’일 것이다. ‘핵분열’은 원자의 중심에 있는 원자핵이 부서지는 현상이고, ‘핵융합’은 원자핵끼리 부딪쳐 하나의 원자핵으로 융합하는 현상이다. 핵분열이나 핵융합에서는 반응 전보다 후에 전체 질량이 줄어드는 경우가 있다. 그 줄어든 만큼의 질량은 막대한 에너지로 바뀐다. 핵분열과 핵융합의 메커니즘을 상세히 설명한다.

● 물질의 근원인 소립자, 그리고 힘과 E=mc^2의 관계
물질을 분자, 원자까지 쪼개 나가면 결국은 양성자와 중성자, 그리고 전자로 나누어진다. 그리고 양성자와 중성자 속에는 쿼크가 들어 있다. 그러면 이러한 물질은 과연 어디에서 왔을까? E=mc^2은 ‘에너지로부터 물질을 만들어 낸다.’는 것도 의미한다. 탄생 무렵의 우주를 채우고 있던 에너지가 질량으로 바뀌어 물질이 되었다는 것이다. 물질의 기원과 그 정체를 알아본다.

● 우주를 가득 채우고 있는 암흑 에너지와 암흑 물질
최신 우주론에 따르면, 우주의 성분 대부분을 차지하는 것은 눈에 보이지 않는 정체불명의 ‘암흑 물질’과 ‘암흑 에너지’라고 한다. 우리가 알고 있는 보통 물질은 얼마 되지 않는다. 암흑 물질과 암흑 에너지는 확인되지는 않았지만, 그것 없이는 현재 관측되는 우주의 팽창 등을 설명할 수 없다. 우주 최대의 수수께끼라고도 불리는 암흑 물질과 암흑 에너지란 무엇인지를 명쾌하게 해설한다.

● 매월 한 권씩 발간되는 ‘뉴턴 하이라이트 시리즈’
이 책은 과학 잡지 의 기사 중에서도 독자의 호평을 받은 기사만을 골라서 보완, 재정리해 펴낸 ‘Newton 하이라이트 시리즈’의 57번 째 단행본이다. 과학 도서의 새로운 기준을 제시한다고도 할 수 있는 독특한 구성 방식은 이 시리즈만의 자랑이다. <상대성 이론> <인체-21세기 해부학> <주기율표> <신비한 수학의 세계> 등, 물리학ㆍ화학ㆍ생물학ㆍ지구과학ㆍ수학 분양의 다양한 자매편들이 절찬리에 판매되고 있다.

목차

Part 1 에너지, 질량, 그리고 광속

프롤로그 : 물질은 에너지의 덩어리
인터뷰 : 전문가에게 듣는 E=mc^2 (에너지의 정체)

E ― 에너지 / 에너지의 종류 / 운동 에너지와 위치 에너지 / 에너지 보존 법칙 / m ― 질량 / ‘질량’과 ‘무게’의 차이 / c ― 광속 / E=mc^2의 위력

Part 2 E=mc^2의 탄생

프롤로그 : ‘E=mc^2’ ― 깊은 생각 끝에 도달한 진실
인터뷰 : 전문가에게 듣는 E=mc^2 (E=mc^2은 어떻게 태어났는가?)

E=mc^2과 기적의 해 / 1905년 6월 논문 ‘특수 상대성 이론’ / 1905년 9월 논문 ‘E=mc^2’ /실험에 의한 E=mc^2의 증명

칼럼 : ‘E=mc^2’을 유추해 내기까지의 계산 과정

Part 3 핵분열과 핵융합

프롤로그 : 원자핵을 조작해 질량을 에너지로 바꾼다
인터뷰 : 전문가에게 듣는 E=mc^2 (원자핵의 분열과 융합)

핵분열과 E=mc^2 / 원자력 발전의 메커니즘 / 핵융합과 E=mc^2 / 핵융합 발전 / 레이저 핵융합

칼럼 : 핵융합을 일으키려면?

Part 4 E=mc^2과 물질의 기원

프롤로그 : E=mc^2이 물질을 만들어 낸다
인터뷰 : 전문가에게 듣는 E=mc^2 (반물질이란 무엇인가?)

빅뱅과 E=mc^2 / 물질의 근원 ‘소립자’ / 전자와 쿼크 / 가속기로 물질을 만든다 / LHC / ILC / 반입자

Part 5 ‘힘’과 ‘질량’의 기원

프롤로그 : 물질은 왜 ‘무거울까?’
인터뷰 : 전문가에게 듣는 E=mc^2 (질량의 기원으로 알아보는 우주의 메커니즘)

힘을 전달하는 소립자 / 소립자와 ‘힘’ / 질량의 기원 / 초끈 이론

Part 6 암흑 물질과 암흑 에너지

프롤로그 : 우리는 우주의 대부분을 아직 알지 못한다
인터뷰 : 전문가에게 듣는 E=mc^2 (우주의 수수께끼를 푸는 열쇠 ‘암흑 물질’과 ‘암흑 에너지’)

암흑 물질 / 초대칭성 입자 / XMASS / 팽창하는 우주 / 우주 가속 팽창의 발견 / 암흑 에너지

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