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과학의 전 영역을 종횡무진 넘나들며 현대 과학의 기본 원리를 쉽고 명쾌하게 설명해주는 [과학의 열쇠]. 이 책에는 ‘힘과 운동’의 관계를 최초로 밝힌 뉴턴 역학부터 나노 기술과 양자 컴퓨터 같은 첨단 기술의 바탕이자 20세기 과학, 철학, 문화 전반에 결정적인 영향을 끼친 양자역학, 시간과 공간에 관한 새로운 인식을 제공한 상대성 이론까지, 인류의 역사를 바꾸고 인식의 차원을 넓힌 위대한 과학적 발견의 이야기들이 들어 있다.

■ 2005년 문화체육관광부 선정 우수교양도서 ■
　
뉴턴, 멘델, 다윈, 아인슈타인 같은 위대한 과학자들과
양자역학, 상대성 이론, 판 구조론, 분자생물학까지
한 권으로 만나는 현대 과학의 모든 것!

물리학, 화학, 생물학, 지구과학, 천문학까지
과학의 전 영역을 관통하는 19가지 핵심 개념과 원리!

우리가 과학에 매혹되는 이유는 무엇일까? 인간과 세계에 대한 근본적인 의문에 명쾌한 답을 줄 것이라는 기대 때문이 아닐까. 우주 탐사와 시간 여행을 다룬 영화가 열광적 반응을 일으키고 칼 세이건과 스티븐 호킹의 물리학 책이 교양인의 필독서가 된다. 그러나 암호 같은 수학 공식과 기호 위에 세워진 과학의 성채가 앞을 가로막는 순간, 우리의 뜨거운 지적 호기심은 눈 녹듯 사라진다. 《과학의 열쇠》는 바로 그렇게 과학 앞에서 작아지는 보통 사람들이 읽으면 딱 좋을 최적의 과학 입문서이다.
과학의 전 영역을 종횡무진 넘나들며 현대 과학의 기본 원리를 쉽고 명쾌하게 설명해주는 이 책에는 ‘힘과 운동’의 관계를 최초로 밝힌 뉴턴 역학부터 나노 기술과 양자 컴퓨터 같은 첨단 기술의 바탕이자 20세기 과학, 철학, 문화 전반에 결정적인 영향을 끼친 양자역학, 시간과 공간에 관한 새로운 인식을 제공한 상대성 이론까지, 인류의 역사를 바꾸고 인식의 차원을 넓힌 위대한 과학적 발견의 이야기들이 들어 있다.

“모든 과학의 기초를 이루는 원리는 단순하다.”
이 책은 ‘에너지’ ‘힘’ ‘운동’ ‘전기와 자기’ ‘원자와 원소’ 같은 현대 과학의 기본 개념과 원리를 통해 과학의 세계로 통하는 문을 환하게 열어준다. 단일한 중심에서 사방으로 뻗어 나가는 거미줄처럼, 현대 과학의 중요한 이론과 발견들은 모두 연결되어 몇 개의 법칙과 개념으로 묶인다. 원자의 구조에서 시작한 모험은 소립자 물리학, 양자역학, 통일장 이론, 우주의 탄생(빅뱅), 분자생물학까지 뻗어 나간다. 양성자와 전자의 미시 세계부터 블랙홀과 초은하의 거시 세계까지, 존재하는 모든 세계를 설명하는 아름답고도 단순한 법칙을 이 책에서 만날 수 있다.

과학 초보들을 위해 탄생한 “모든 과학 교과서의 교과서”
저자들은 손에 잡히지 않는 과학의 세계를 눈앞에 보이는 구체적인 현실로 그려내는 데 뛰어난 능력을 발휘한다. 빅뱅 이후 계속 팽창하는 우주는 오븐 속에서 부풀어 오르는 건포도 빵이 되고, 눈에 보이지 않는 소립자의 세계에서 작동하는 불확정성 원리를 캄캄한 터널 안에서 자동차 찾는 법으로 설명한다. 오믈렛을 다시 달걀과 야채 상태로 되돌릴 수 없다는 사실에서 시간에 따라 자연이 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 향한다는 엔트로피의 법칙을 확인한다. 이 책 한 권이면 과학의 전 분야가 한눈에 들어오며, 과학의 모든 핵심 개념이 한 손에 잡힌다.

● 2005년에 출간된 《과학의 열쇠》가 10년 만에 전면 개정판으로 돌아왔다. 초판이 전체 18장으로 구성되었던 데 비해 개정판은 19장으로 확장되었고, 기존 18개 장도 모두 과학의 발전을 반영해 내용이 수정되거나 추가되면서 전체 내용의 20% 가까이 개정되었다. 개정판에서 추가된 장은 ‘생명공학’을 다룬 17장(열쇠17ㆍ클론과 줄기세포)이고, 초판에 없었던 ‘암흑 물질과 암흑 에너지’, ‘양자 얽힘과 양자 텔레포트’, ‘핵융합 연구의 현주소’, ‘생명 복제 기술과 재생의학’, ‘고세균 발견과 새로운 생물 분류법’, ‘미래 기후를 예측하는 대기 순환 모델(GCM)’을 비롯해 새로운 주제가 많이 추가되었다.

주요 내용

존재하는 모든 것을 지배하는 과학의 법칙!

대학에서 과학을 전공하지 않는 한, 대부분 사람들은 중ㆍ고등학교를 졸업한 뒤에 과학, 수학과 담을 쌓고 산다. 물론 과학을 전공하지 않아도 스티븐 호킹이나 아인슈타인의 이론을 알고 싶어서 스스로 이런저런 책을 읽는 사람들도 있다. 그러나 아무리 쉽게 설명한 책이라 해도 과학과 수학의 언어는 낯설기만 하고 갈증은 쉽게 풀리지 않는다. 한편으로 일상에서도 과학을 알아야 하는 경우가 적지 않다. 《인터스텔라》 같은 영화를 볼 때도 상대성 이론이나 블랙홀, 웜홀 같은 내용을 알면 더 재미있게 즐길 수 있고, 노후된 원자력 발전소 재가동이나 경주 방폐장(방사성폐기물처리장) 건설을 두고 벌어지는 논쟁을 이해하는 데에도 최소한의 과학 지식, 즉 과학적 교양이 필요하다. 《과학의 열쇠》는 바로 이렇게 과학적 교양이 필요한 모든 사람들을 위해 탄생했다.

이 책은 물리ㆍ생물ㆍ화학ㆍ지구과학 등 현대 과학의 전 분야를 관통하는 개념과 원리를 일목요연하게 정리해준다. 어떻게 책 한 권으로 상대성 이론에서부터 분자유전학까지 현대 과학의 모든 것을 알려준다는 걸까? 실마리는 “모든 과학의 기초를 이루는 원리는 단순하다.”는 데 있다. 오랫동안 일반인을 위한 과학 교육 커리큘럼을 개발해 온 두 저자는 거미집 같은 과학의 논리 구조 덕분에 몇 가지 기본 원리와 개념만 알면 모든 과학을 이해할 수 있다고 말한다.

과학은 몇 개의 핵심 개념, 즉 전체 구조를 떠받치는 몇 개의 기둥들을 중심으로 구성되어 있습니다. 이 개념(원리)의 수는 얼마 안 되지만 바로 이들이 우리를 둘러싼 세계의 모든 것을 설명해줍니다. …… 과학의 논리적 구조는 마치 거미집 같다고 할 수 있습니다. 거미집 가장자리 어디서 출발하든 안으로 들어가다 보면 결국 똑같은 중심에 이르게 되듯이, 과학의 모든 분야는 몇 개의 법칙으로 서로 통합니다. 이 중심을 이해하는 것이 과학의 처음과 끝입니다. - 《머리말》 13쪽에서

이 책 역시 과학의 거미집 구조를 반영하고 있다. 저자들은 먼저 현대 과학을 이해하는 데 필수적인 ‘에너지’ ‘운동’ ‘열’ ‘원자’ 같은 개념들을 설명한다. 각 장 첫머리에 등장하는 일반 원리(개념 혹은 자연 법칙)가 한 분야를 이해하는 중심이 되고, 하나의 원리는 다른 원리로 꼬리에 꼬리를 물고 이어진다. 원자의 구조에서 시작된 앎은 양자역학, 핵물리학, 천문학, 분자생물학으로까지 이어지고 확장된다. ‘에너지 보존의 법칙’은 여러 개의 은하가 덩어리를 이루고 있는 거대 은하군으로부터 우리 몸의 세포, 그리고 이제까지 알려진 물질의 가장 작은 구성 요소인 쿼크에 이르기까지 모든 것에 적용된다. 다음 인용문들은 모두 ‘원자’라는 중심에서 뻗어 나오는 내용들이다.

양자역학이 이룩한 가장 큰 업적은 원자가 어떻게 이루어져 있는가를 설명한 것입니다. 4장에서 우리는 보어의 원자 가설을 통해 전자의 특성을 설명했고 여기서 고정된 전자 궤도를 이용했습니다. 이렇게 궤도가 고정되어 있는 것은 전자가 지닌 에너지의 값이 정해져 있기 때문입니다. 전자는 정확한 값의 에너지만 지니기 때문에 궤도 사이를 이동하려면 각 궤도 에너지의 차이만큼 정확한 양의 에너지를 받아들이거나 내놓아야 합니다. 그래서 전자가 한 번 이동할 때마다 광자가 만들어지거나 흡수되는 것입니다.
- 《열쇠 5ㆍ신이 던진 주사위》 125쪽에서

핵을 이루는 두 개의 주요 입자, 즉 양성자와 중성자는 핵의 구조 안에서 강한 힘으로 결합되어 있습니다. 이런 핵의 구조를 바꾸려면 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. …… 핵이 지닌 에너지를 이용하는 데는 핵분열과 핵융합 두 가지 방법이 있습니다. 양쪽 다 질량의 변환을 거쳐 에너지가 얻어지며, 두 경우 모두 핵 구조의 마지막 상태에서 질량이 원래 상태의 질량보다 작습니다.
- 《열쇠 8ㆍ원자핵의 힘》 188쪽에서

큰 분자가 만들어지려면 결합되기 쉬운 원자들이 풍부하게 있어야 합니다. 가장 바깥 궤도에 네 개의 전자가 들어 있는 탄소 원자가 이러한 특성을 지니고 있습니다. 또한 탄소 원자에는 더 중요한 성질이 있는데, 다른 탄소 원자들과 공유 결합을 할 수 있다는 것입니다. 탄소 원자는 서로 결합하여 긴 사슬을 이루고 그 안에 있는 원자 하나하나에 속한 전자는 자유롭게 ‘고리’ 역할을 하여 다른 원자와도 공유 결합을 할 수 있습니다. 탄소 원자의 이런 성질 때문에 탄소는 생명체의 모든 분자 안에 존재하고, 또 그렇기 때문에 지구상의 생명 현상은 탄소에 기초하고 있다고 할 수 있습니다.
- 《열쇠 15ㆍ생명의 사다리》 333쪽에서

‘어두운 터널 안에서 고장 난 자동차를 찾는 법’

이 책의 커다란 장점은 과학적 원리들을 난해한 수학 공식이나 추상적인 기호를 하나도 쓰지 않고 오로지 일상의 언어로만 설명한다는 데 있다. 또 누구나 쉽게 이해할 수 있는 친근하고 흥미진진한 비유를 써서, 과학을 낯설고 어렵게 여기는 사람들에게 한 걸음 더 가까이 다가간다. ‘에너지 보존의 법칙’이라고 알려진 열역학 제1법칙을 설명할 때에는 롤러코스터를 비유로 들고, 전자와 중성자 같은 소립자의 세계에서 작동하는 불확정성 원리를 설명할 때에는 캄캄한 터널 안에서 고장 난 자동차를 찾는 법으로 설명한다.

(열역학) 제1법칙을 설명하는 데는 롤러코스터가 제격입니다. 일단 승객이 자리에 앉으면 강력한 모터가 바닥에 있던 롤러코스터를 제일 높은 지점으로 끌어올립니다. 이 단계에서는 전기 에너지가 위치 에너지로 전환합니다. 꼭대기에 다다르면 중력의 힘에 의해 내려오기 시작하는데, 차는 내려오는 과정에서 지니고 있던 위치 에너지를 운동 에너지로 전환하면서 계속 빨라지게 됩니다. 바닥에 이른 순간 모든 위치 에너지는 운동 에너지로 바뀌며 차의 속도도 여기서 가장 빨라집니다. 다시 올라가면서 속도는 떨어지고 다음 고개의 꼭대기 근처에서는 거의 멈춰섭니다. 이런 식으로 롤러코스터가 오르내릴 때마다 위치 에너지와 운동 에너지의 상호 전환이 반복됩니다. - 《열쇠 2ㆍ에너지》 57쪽에서

(불확정성 원리에서) 양자 수준에서의 측정을 이해하는 데 도움을 줄 만한 비유가 또 하나 있습니다. 여기 길고 어두운 터널이 있다고 칩시다. 그리고 그 안에 차가 한 대 있는지 알아내야 한다고 합시다. 우리가 터널 안으로 직접 들어가 볼 수도 없고 빛을 비춰볼 수도 없다면 방법은 한 가지뿐입니다. 차 한 대를 들여보내서 부딪치는 소리가 나는지 기다려 보는 것입니다. 소리가 들리면 터널 안에는 차가 있는 것입니다. 그런데 이런 식의 ‘충돌 측정’이 끝나면 터널 안에 있던 차의 모습은 결코 처음과 같지 않을 것입니다. 측정 행위, 이 경우에는 차들을 충돌시킨 것이 관찰 대상이 되는 차의 모습을 바꿔놓은 것입니다. …… 불확정성 원리란 어떤 소립자에 대해 아주 정밀하게, 모든 것을 안다는 것은 측정 행위에 의해 일어나는 변화 때문에 불가능하다는 선언입니다. - 《열쇠 5ㆍ신이 던진 주사위》 118～120쪽에서

출퇴근 시간의 도로를 생각해봅시다. 앞의 차가 조금 나아가면 뒤의 차가 들어와서 그 공간을 채우고 이어서 그 뒤의 차가 들어옵니다. 우리는 이럴 때 차들이 앞으로 움직였다고 하지만 공간이 뒤로 이동했다고 해도 옳은 말입니다. 혼잡한 시간에 차를 몰 때 이 공간의 이동 속도보다 더 중요한 것은 없을 것입니다. 물리학자가 전하의 움직임에 대해 생각할 때, 전자와 정공은 똑같은 정도로 중요합니다. 즉, 전하를 움직일 때 음전하를 띤 전자를 한쪽으로 이동시키거나 양전하를 띤 정공을 반대 방향으로 이동시키거나 모두 같은 결과가 된다는 뜻입니다. - 《열쇠 6ㆍ원자와 원자가 만날 때》 149쪽에서

건포도가 박힌 빵 반죽이 오븐 안에서 부풀어 오르는 모습을 상상해봅시다. 건포도 하나하나는 은하에 해당하고 반죽은 은하 사이의 공간에 해당합니다. 여러분이 어떤 건포도 위에 서 있다고 한다면 반죽이 부풀어 오를수록 옆에 있는 건포도가 여러분으로부터 점점 더 멀어지는 것을 볼 수 있을 것입니다. 그 건포도보다 두 배 정도 멀리 떨어져 있는 건포도는 두 배의 속도로 멀어져 갈 것입니다. 왜냐하면 사이에 있는 반죽의 양도 두 배일 테니까요. 건포도는 멀리 떨어져 있을수록 더 빨리 멀어져 갈 것입니다. 바로 이것이 허블의 관측 결과입니다. - 《열쇠 11ㆍ코스모스》 245쪽에서

과학, 인간의 위대한 모험

이 책을 통해 우리는 인간을 위한 기술적 도구로서가 아니라 세계를 이해하는 한 방법으로서 과학적 탐구의 의미를 생각하게 된다. 과학은 철학이나 종교, 예술과 마찬가지로 인간이라는 존재를 깊이 성찰하게 만들고 만물의 아름다움을 느끼게 해준다. 가늠할 수조차 없는 거대한 우주의 역사를 알게 됐을 때, 지구의 모든 생명체가 똑같은 유전정보와 화학적 과정에 따라 존재한다는 사실을 알게 됐을 때, 우리는 만물의 영장이라는 어리석은 오만을 내려놓을 수밖에 없을 것이다.

과학적 교양은 왜 중요할까요? …… 과학적 발견이 한 시대의 지적 분위기를 결정짓는다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 코페르니쿠스의 태양 중심 우주관은 중세의 낡은 사고를 밀어내고 계몽의 시대를 여는 데 결정적인 역할을 했습니다. 다윈이 자연 선택의 원리를 발견하자 사람들은 세상사가 모두 신이 예정한 대로 진행되는 것이 아님을 알게 되었고, 20세기에 들어서서는 프로이트의 업적과 양자역학의 발달로 세계가 완전히 합리적으로 움직이지는 않다는 것이 알려졌습니다. 이러한 예를 통해 볼 때, ‘시대 정신’이라는 것은 그 시대의 과학 발전에 큰 영향을 받은 것입니다. 이렇게 자기 시대의 지적 삶과 긴밀히 연결된 과학을 모르고서 어떻게 그 시대의 정신을 제대로 인식할 수 있을까요?
- 《머리말》 10～11쪽에서

가끔 우리는 인간이 자연의 법칙으로부터 예외라고 생각하고 싶어 합니다. 뭔가 특별하고, 보호받고 있으며, 다른 생물 위에 있다는 생각이 그것입니다. 그러나 우리는 인간도 살아남기 위해 에너지와 영양소를 얻으려고 싸우는 무수한 생물들 중 하나에 불과하다는 사실을 바꾸지는 못합니다. 지구 생태계 안에서 인간의 위치라는 현실을 외면하는 것은 완전히 어리석은 짓입니다. 하지만 인간이 지구 위에서 어떤 특별한 지위를 누리고 있는 것이 아니라는 생각도 어리석기는 마찬가지입니다. 생명의 역사에서 나타난 어느 종과도 달리 우리는 자원을 이용하고 환경을 변화시키는 방법을 터득했습니다. 우리는 과학이라는 도구를 이용해서 우리의 세계를 탐구하는 능력을 갖추고 있고, 예술을 통해 이 세계를 즐길 줄도 알며, 철학과 종교를 통해 인간의 독특한 역할이 지닌 의미를 찾을 줄도 압니다.
인간은 본성상 매우 호기심이 많은 생물이고 과학은 이 호기심을 채우는 데 가장 강력한 도구입니다. 과학은 인간의 위대한 모험이며 그 안에는 엄청난 도전, 값진 선물, 새로운 기회, 유례없는 책임 등이 함께 들어 있습니다. - 《맺음말》 439쪽에서

이 책에 쏟아진 찬사

“잘난 척하지 않으면서 ‘모든 것을 설명해줄 수 있는’ 과학 선생님이 바로 여기 있다. 우리가 언제나 간절히 원했지만 결코 만나지 못한 그런 선생님 말이다.” _ The New York Times Book Review

“명확하고 생동감 넘치는 책. 헤이즌과 트레필은 끔찍할 정도로 추상적인 과학의 개념과 원리를 선명하고 구체적인 이미지로 그려내는 데 아주 특별한 재능이 있다. 정말 이보다 더 좋을 순 없다!”
_ The Washington Post

“잘 정리되어 있고 이해하기 쉽다. 독자를 주눅 들게 만들거나 혼자 앞서 나가지 않는다. 지금까지 자신이 절대로 과학을 이해할 수 없을 거라고 생각해 왔다면, 이제 헤이즌과 트레필이 그 생각이 잘못된 것임을 보여줄 것이다.” _ The Washington Monthly

“명료함과 일관성에서 전범이 될 책.” _ 레온 레더만, 1988년 노벨 물리학상 수상자

“빈틈없고, 이해하기 쉬우며, 재미있는 최고의 해설! 과학을 어렵고 지루하게 생각하는 사람들을 과학의 세계로 안내하는 최상의 길잡이다.” _ Kirkus Reviews

“고등학교에서 화학과 물리학을 가르치는 교사로서 이 책을 알게 되어서 정말 기쁘다. 생물학이나 생태학에 비해 양자역학이나 전자기학 같은 물리학 분야가 낯설었는데, 다행히 이 책의 저자들은 과학의 전 분야에 걸쳐 해박한 지식을 갖고 있었다. 과학을 좀 더 잘 이해하고 싶은 사람, 오랜만에 어떤 분야를 다시 공부해야 하는 교사들이 읽기에 좋은 책이다.” _ amazon.com 독자 리뷰

책속으로 추가

열쇠13ㆍ움직이는 대지 _ 판 구조론과 지구과학

과거에 지진학자들은 대부분의 지진이 환형 지진대 위에서 일어난다는 것을 알고 있었지만 그 이유는 알지 못했습니다. 그러나 지금 우리는 이 지진대가 바로 판끼리 부딪치는 부분이라는 사실을 알고 있습니다. …… 지질학자들과 고생물학자들은 처음으로 아득한 옛날에 형성된 암석과 화석들이 대양의 이쪽과 저쪽에서 어떻게 똑같은 모습을 보이는가를 설명할 수 있게 되었습니다. 판 구조론이라는 발상이 지구와 관련된 많은 의문들을 해결해준 셈입니다. - 297쪽에서

열쇠15ㆍ생명의 사다리 _ 생명체의 기원과 세포

세포는 그 자신이나 자신이 속해 있는 유기체의 생명 유지를 위해 주위에 있는 재료를 처리하여 완성품을 만드는 공장과 같습니다. 복합세포에서 재료는 수용체(선적 부두)에 모이고, 중앙 정보 체계(수뇌부)가 지휘하는 화학 반응을 거쳐 처리되고, 작업이 진행됨에 따라 각 작업실로 운반되며, 끝에 가서는 처음의 수용체를 통해 더 큰 조직 또는 기관으로 들어갑니다. 세포는 전체가 기능을 발휘하기 위해 많은 부분이 바쁘게 협동해야 하는, 고도로 조직화된 장소라 할 수 있습니다. - 330쪽에서

열쇠18ㆍ‘종의 기원’과 진화 _ 진화론의 과학적 증거

다윈의 뛰어난 통찰력은 “생명은 경쟁적이기 때문에 진화한다.”라고 말한 데서 잘 나타납니다. 우연한 변이가 가끔씩 이로울 때가 있으며, 그런 경우 이들은 유전자 안에 기록되어 계속 보존됩니다. 기린이 목이 긴 것은 높은 가지 위의 열매를 따먹기 위해 목을 뻗어서가 아닙니다. 오히려 자연 선택에 의해 우연히 좀 더 키가 큰 기린들이 살아남았기 때문입니다. 개개의 형질은 다양하게 존재하지만 자연이 주어진 환경에 비추어 적합한 형질을 선택하는 것입니다. 자연 선택에 의해 돌연변이가 계속 이루어져 오랜 시간이 지나면 조상과는 현격하게 다른 개체가 태어납니다. 이것이 바로 새로운 종이 생기는 기본 메커니즘입니다. - 400쪽에서

■ 머리말

열쇠 1ㆍ힘의 법칙 _ 뉴턴과 고전 역학
“우주는 시계처럼 움직인다. 그러므로 예측이 가능하다.”
최초의 과학자들 | 규칙적으로 움직이는 우주 | 힘과 운동에 대하여 | 만유인력의 법칙 |
과학적 탐구란 무엇인가 | 새로운 분야

열쇠 2ㆍ에너지 _ 열역학과 엔트로피
“에너지는 사라지지 않는다. 다만 쓸모 있는 상태에서 덜 쓸모 있는 상태로 바뀔 뿐이다.”
일, 에너지, 힘 | 에너지의 여러 형태 | 반가운 법칙 - 열역학 제1법칙 | 움직이는 열 에너지 |
달갑잖은 법칙 - 열역학 제2법칙 | 새로운 분야

열쇠 3ㆍ전기와 자기 _ 맥스웰 방정식과 전자기력
“전기와 자기는 같은 힘의 두 측면이다.”
자석은 왜 항상 양극을 지닐까? | 전기 회로 | 빛에서 감마선까지, 전자기파의 모든 것 | 새로운 분야

열쇠 4ㆍ주기율표에 담긴 비밀 _ 원자와 원소
“모든 것은 원자로 되어 있다.”
원자의 존재를 어떻게 알 수 있을까? | 원자의 구조 | 보어의 원자와 양자 도약 |
멘델레예프의 주기율표 | 새로운 분야

열쇠 5ㆍ신이 던진 주사위 _ 양자의 세계
“원자와 그 구성 요소들은 ‘양자’의 형태로 나타나며, 변화를 가하지 않고서는 측정할 수 없다.”
보이지 않는 세계의 물리 법칙 | 하이젠베르크의 불확정성 원리 | 확률로 표시되는 세계 |
파동과 입자, 빛의 이중성 | 양자역학과 원자 | 양자 얽힘 | 새로운 분야

열쇠 6ㆍ원자와 원자가 만날 때 _ 화학 결합의 모든 것
“원자는 전자를 접착제 삼아 결합한다.”
전자 접착제와 화학 결합 | 반도체와 초전도체의 과학 | 새로운 분야

열쇠 7ㆍ흑연과 다이아몬드의 화학 _ 원자의 구성
“물질의 특성은 원자가 어떻게 배열되어 있는가에 따라 결정된다.”
물질의 상태 | 화학 반응 | 물리적 성질 | 기계적 성질 | 자기 특성 | 광학적 특징 | 새로운 분야

열쇠 8ㆍ원자핵의 힘 _ 핵 에너지와 핵물리학
“원자핵의 질량이 변하면 에너지가 발생한다.”
핵이란 무엇인가? | 핵분열과 핵융합 | ‘철학자의 돌’과 방사능 | 새로운 분야

열쇠 9ㆍ소립자 세계 _ 입자물리학과 ‘만물의 이론’
“모든 것은 쿼크와 렙톤으로 이루어져 있다.”
더 쪼갤 수 없는 입자를 찾아서 | 자연을 움직이는 네 가지 힘 | 통일장 이론 | 새로운 분야

열쇠 10ㆍ별의 삶과 죽음 _ 천문학과 우주 탐사
“다른 모든 것들과 마찬가지로 별도 태어나고 죽는다.”
별의 일생 | 태양계에 대하여 | 태양계 생명 탐사 프로젝트 | 다른 태양계들 |
모여 사는 별의 무리, 은하 | 새로운 분야

열쇠 11ㆍ코스모스 _ 빅뱅 이론에서 암흑 물질까지
“우주는 과거 특정 시점에 탄생했고, 그 이후로 계속 팽창하고 있다.”
허블의 팽창하는 우주 | 우주는 하나의 점에서 출발했다 | 빅뱅의 증거 | 우주의 구조 |
암흑 물질과 암흑 에너지 | 새로운 분야

열쇠 12ㆍ아인슈타인의 사고 실험 _ 상대성 이론
“모든 관측자는 똑같은 자연의 법칙을 본다.”
관측자와 기준틀 | 특수 상대성 원리와 E = mc2 | 일반 상대성 원리와 블랙홀

열쇠 13ㆍ움직이는 대지 _ 판 구조론과 지구과학
“지구의 표면은 끊임없이 변하고 있으며, 영원한 지구란 존재하지 않는다.”
지진은 왜 일어날까? | ‘대륙 이동설’과 ‘판 구조론’ | 지각에서 핵까지, 지구 내부 탐사 | 새로운 분야

열쇠 14ㆍ바람과 물과 흙의 일대기 _ 지구의 순환
“지구의 모든 것은 순환하고 있다.”
변화의 규칙 | 암석의 순환 | 물의 순환 | 대기의 순환 | 새로운 분야

열쇠 15ㆍ생명의 사다리 _ 생명체의 기원과 세포
“모든 생명체는 생명의 화학 공장인 세포에서 만들어진다.”
생명을 이루는 분자 | 세포, 생명의 화학 공장 | 흑곰과 백곰은 왜 같은 종이 아닐까? | 새로운 분야

열쇠 16ㆍDNA, 생명의 암호 _ 염색체와 유전 메커니즘
“모든 생명체는 유전정보에 기초하고 있다.”
멘델의 완두콩 | DNA와 RNA - 유전정보의 전달자 | 두 개의 성(性) - 좋은 아이디어 | 새로운 분야

열쇠 17ㆍ클론과 줄기세포 _ 생명공학이 만드는 세상
“모든 생명체는 같은 화학적 과정과 유전정보에 바탕을 두고 있다.”
범인 잡는 DNA | 유전공학이 바꾸는 세상 | 클론의 탄생 | 재생의학과 줄기세포

열쇠 18ㆍ‘종의 기원’과 진화 _ 진화론의 과학적 증거
“모든 생명체는 자연 선택에 의해 진화한다.”
원시 수프와 생명의 바다 | 다윈과 자연 선택 | 진화의 증거 | 박테리아에서 호모 사피엔스까지 | 멸종 |
진화론에 대한 도전 | 새로운 분야

열쇠 19ㆍ함께 살아가는 지구 _ 지구 생태계
“모든 생명체는 서로 연관되어 있다.”
생명의 집 | 에너지와 먹이 그물 | 영양분과 탄소 순환 과정 | 지구 온난화와 환경 오염

■ 맺음말
■ 찾아보기

열쇠1ㆍ힘의 법칙 _ 뉴턴과 고전 역학

현대 과학은 영국의 뉴턴으로부터 시작되었다고 말할 수 있습니다. 뉴턴에 따르면 우주는 시계와 같습니다. 시계의 겉모습, 즉 바늘이 천천히 도는 것은 안에 있는 톱니바퀴의 운동 때문입니다. 마찬가지로 우리가 주변에서 보는 모든 자연 현상은 그 현상의 배후에서 작용하는 몇몇 법칙의 결과입니다. 뉴턴은 다음과 같은 사실을 증명했습니다. “몇 개의 법칙이 모든 운동을 설명한다.”
뉴턴은, 운동의 핵심은 하나 혹은 그 이상의 힘이 작용하는 것에 대한 반응이라고 했습니다. 운동에 관한 뉴턴의 세 가지 법칙은 힘과 운동을 연결하는 ‘톱니바퀴’라고 할 수 있습니다. 이 법칙들은 움직이는 모든 것에 적용됩니다. 폭발하는 별, 공기 중으로 흩어지는 가스, 날아가는 공, 우리의 동맥 안을 흐르는 혈구 등 모든 것들은 이 단순하고도 일반적인 세 가지 법칙에 따라 움직이는 것입니다. - 28～29쪽에서

열쇠4ㆍ주기율표에 담긴 비밀 _ 원자와 원소

원자는 너무 작아서 눈에 보이지 않기 때문에 원자의 존재 여부를 논쟁하는 것은 멀리서 흰 페인트로 칠한 집을 보면서 그 집이 벽돌 집인가 콘크리트 집인가 입씨름을 하는 것과 같습니다. 아인슈타인은 1905년 ‘브라운 운동’이라는 현상을 설명함으로써 이 논쟁에 종지부를 찍었습니다. 조그마한 입자, 예를 들어 하나의 꽃가루를 액체 중간에 떠 있게 하고 현미경으로 관찰하면 불규칙하게 운동하는 꽃가루를 볼 수 있습니다. 아인슈타인은 이 꽃가루가 주변의 원자와 충돌하기 때문에 운동을 하는 것이라고 설명하였습니다. 원자의 존재를 상상하는 것만으로는 운동을 일으킬 수 없으므로 원자는 현실로 존재하는 것이 틀림없다고 주장했던 것입니다. - 102쪽에서

열쇠6ㆍ원자와 원자가 만날 때 _ 화학 결합의 모든 것

화학은 특히 전자 자체, 그리고 전자들끼리의 상호작용을 다루는 학문입니다. 화학 하면 흔히 시험관, 거품이 이는 비커, 이런저런 희한한 것들을 섞으면 색이 변하는 시약 등을 떠올리게 되지요. 이렇게 머릿속에 떠오르는 것을 생각해보면 방금 한 말은 이상하게 들릴 수도 있습니다. 그러나 이 모든 화학 반응은 전자가 원자 사이를 옮겨 다닌 결과로 나타나는 현상입니다. …… 우리 주변의 물질이 어쩌면 이토록 다채로운가를 이해하는 첫 걸음은 두 개 또는 그 이상의 원자가 어떤 식으로 결합하는가를 들여다보는 것입니다. 이렇게 뭉치는 과정을 ‘화학 결합’이라고 합니다. - 137쪽에서

열쇠9ㆍ소립자 세계 _ 입자물리학과 ‘만물의 이론’

양성자와 중성자 같은 입자들은 핵 안에 존재하면서 핵의 여러 가지 작용에 직접 관여합니다. 이러한 입자들을 하드론이라고 부르는데 이 단어는 그리스어로 ‘강하게 상호작용을 하는 것들’이라는 뜻입니다. 그에 비해 전자 같은 입자들은 핵에서 멀리 떨어져서 핵이 하는 일에 직접 관여하지 않습니다. 이런 입자들을 렙톤이라고 부르는데 그리스어로 ‘약하게 상호작용하는 것들’이라는 뜻입니다. …… 1960년대 말에 수백 가지의 하드론 사이에서 규칙적인 패턴이 발견되면서 과학자들은 하드론 자체가 기본 입자가 아니라 더 기본적인 것들의 모임이라는 사실을 깨달았습니다. 이렇게 한 단계 아래의 기본 요소를 쿼크라고 부릅니다.
- 208～209쪽에서

열쇠10ㆍ별의 삶과 죽음 _ 천문학과 우주 탐사

우주의 초기에 큰 별들이 형성되었고 짧은 생애를 마친 후 초신성이 되었습니다. 숨을 거두기 직전에 이들은 모든 화학 원소를 합성하여 우주 공간으로 돌려주었습니다. 여기서 이 원소들은 전 우주에 걸쳐 무거운 원소의 양이 증가함에 따라 다음 세대의 별에 흡수되었습니다. 헬륨보다 무거운 모든 원소, 이를테면 우리 혈액 속의 철과 뼈 속의 칼슘 같은 것들도 별에서 만들어졌습니다. 그러니까 우리는 모두 별의 잔해로 만들어진 존재입니다. - 229쪽에서

열쇠12ㆍ아인슈타인의 사고 실험 _ 상대성 이론

상대성 이론에는 한 가지 중요한 전제가 따릅니다. 그것은 우주를 관측하는 데 절대적으로 ‘옳은’ 지점은 없다는 것입니다. ‘신의 눈’으로 볼 수 있는 자리 같은 것은 없다는 뜻입니다. 지구 위의 흔들의자에 앉아 있는 사람이나 광속에 가까운 속도로 비행하는 우주선에 타고 있는 사람이나, 모든 관측자는 같은 자연의 법칙을 보게 됩니다. 우주를 지배한다고 생각되는 법칙들은 모두 관측자가 어디서 어느 쪽을 보든 같은 것이라고 상대성 이론은 주장합니다. - 260쪽에서