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무와 유의 물리학 : 수 공간 우주탄생 소립자의 무와 유

원제 : 無と有の物理學 「何もない」空間は存在するのか?「存在する」とはどういうことか?
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책소개

아무것도 없다는 것은 어떤 상태인가?
무와 유의 다양한 개념을 세계 최고 수준의 그래픽으로 이해한다!

‘아무것도 없는’ 상태라고 하면 흔히 진공을 떠올리게 된다. 하지만 물질이 전혀 없는 진공을 인위적으로 만들어 내기가 어렵기 때문에 실제로는 극히 저압의 상태를 진공이라고 규정한다. 우주 공간 역시 진공의 정도는 높지만 완전한 진공은 아니다.
반면에 숫자 0은 ‘아무것도 없음’을 나타낸다. 또 우주는 ‘공간도 시간도 없는’ 무(無)에서 탄생했다고 한다. 뿐만이 아니다. 모든 물질의 근원인 소립자는 ‘크기가 없는’ 점이라고 한다. 게다가 전자 등의 소립자는 어느 위치에 ‘있는지 없는지’를 쉽게 정할 수 없다고 한다. 이처럼 ‘무’와 ‘유’의 문제는 과학과 수학에서 아주 깊은 수수께끼를 우리에게 던져 준다.
이 책의 제1장에서는 먼저 0이란 무엇인지, 0의 발견 과정과 그 의미, 0과 무한의 문제와 함께, 절대 온도·저항·질량·크기에서 0은 어떤 상태인지를 밝힌다.
제2장에서는 원자와 같은 눈에 보이지 않는 물질의 존재를 어떻게 알게 되었는지, 그리고 양자론에서 말하는 ‘같은 물체가 동시에 여러 곳에 존재한다’는 것은 무슨 의미인지를 생각해 본다.
제3장의 주제는 ‘공간’이다. 즉 우리의 세계에 ‘무’의 공간이 존재하는가를 알아본다. 진공이란 무엇인가, 그리고 형광등·망원경·우주 공간·원자 내부의 진공 문제, 진공의 상전이와 진공 에너지 등을 다룬다.
제4장은 우주 탄생의 장이다. 우주가 무에서 탄생한다는 것은 어떤 상태이며, 어떻게 오늘날의 모습이 되었는지를 알아본다.
제5장에서는 소립자의 무와 유를 설명한다. 소립자는 크기가 0이라고도 하고, 극히 작은 끈이라고도 한다. 이 세계를 구성하는 소립자와, 우주 만물의 생성 기원도 설명할 수 있다는 초끈 이론의 내용을 정리한다.
모든 페이지에 컬러 그래픽과 전문가의 자상한 설명이 들어 있는 이 책을 통해, ‘수’ ‘존재’ ‘공간’ ‘우주의 탄생’ ‘소립자’ 등의 분야에서 과학자와 수학자를 매료시켰던 ‘무’와 ‘유’의 세계를 분명하게 정리할 수 있을 것이다.

출판사 서평

● 0이란 무엇인가? 0의 발견과 의미, 0과 무한, 0과 미적분, 절대온도 0°, 저항·질량·크기·0의 정체 등
0은 신기한 숫자이다. 수학에서는 아무것도 없는 것을 나타낼 때 0을 사용한다. 인류가 0의 개념을 생각해내는 데는 아주 오랜 시간이 필요했다. 수학자와 철학자는 0의 매력에 사로잡혔으며, 0을 둘러싼 어려운 문제와 답이 차례로 제기되었다. 0과 함께 제시되는 무한의 개념 역시 학자들을 괴롭혔다.
0의 개념이 활약하는 것은 비단 수학 분야만이 아니다. 온도, 저항, 질량, 크기, 속도 등의 물리적인 값이 0이 되면 기묘한 일이 일어난다. 이러한 모든 개념을 알기 쉽게 그래픽을 바탕으로 설명하는 것이 이 책의 큰 장점이다.

● 파동과 입자의 양면성, 전자의 궤도, 상태의 공존, 코펜하겐 해석과 ‘관측’, 다중 세계 해석 등 존재의 유와 무를 설명
현대의 우리는 눈으로 볼 수 없는 작은 것, 예컨대 원자나 전자가 ‘존재한다’는 사실을 의심하지 않는다. 인류는 볼 수 없는 물질의 존재를 왜 믿으며, 어떤 과정을 거쳐 그러한 사실을 알게 되었을까?
그리고 원자와 같은 극미의 세계에서는 ‘같은 물체가 동시에 여러 곳에 존재한다.’는 불가사의한 일이 일어나고 있다. 이러한 것을 바탕으로 한 양자 역학이 없었다면 전자 공업의 발전도 없고, 컴퓨터와 인터넷, 휴대전화도 탄생하지 못했을 것이다. 양자 역학의 핵심의 하나인 코펜하게 해석 등 물체의 존재에서 다루어지는 무와 유의 개념을 정리한다.

● 진공이란 무엇인가? 형광등·망원경·우주 공간·원자 속의 진공, 진공의 상전이와 에너지 등
아무것도 들어 있지 않은 상자나 방을 우리는 ‘비었다’고 생각한다. 그러나 인간의 눈에 보이지 않을 뿐 상자나 방 안에는 수많은 공기 분자가 들어 있다. 그러면 분자, 원자, 그리고 훨씬 작은 소립자를 제거한 공간은 ‘무(無)’의 공간이 되는가? 진공이란 과연 무엇인가? 우리가 생각하는 진공 상태에는 아무것도 존재하는 않는가?
이와 함께 형광등·망원경·우주 공간·원자 속의 진공의 실체는 무엇인지 알아봄으로써 이 세계에 아무것도 없는 ‘무’의 공간이 존재하는지 그 수수께끼를 풀어 본다.

● 무에서 탄생한 우주, 인플레이션과 빅뱅, 우주의 가속 팽창과 우주항, 암흑 에너지 등
우주는 지금 계속해서 가속 팽창하고 있다. 그렇다면 시간을 거슬러 올라가면 우주는 하나의 점에서 시작했다고 볼 수 있다. 우리 우주는 과연 무엇에서 어떻게 시작된 것일까?
현재 가장 유력한 우주 탄생 모델에 의하면, 우주는 ‘무(無)’에서 거품처럼 탄생했다고 한다. 무는 공간도 시간도 없는 것이라고 하는데 과연 어떤 상태일까? 우주는 거기서부터 시작해 어떻게 오늘날의 모습이 되었을까? 우주가 폭발적으로 확대되었다는 인플레이션과 그 직후의 빅뱅, 아인슈타인의 우주항과 암흑 에너지 등 우주론에서 거론되는 무와 유의 개념을 알아본다.

● 소립자, 힘의 통일, 초끈 이론, 양자 중력 이론, 보이지 않는 차원, 브레인 월드 등
모든 물질을 잘게 분해해 나가면 분자, 원자를 거쳐 결국은 소립자에 이른다. 소립자는 더 이상은 나눌 수 없는 궁극의 기본 입자이다. 물질의 근원인 소립자는 크기가 0(무)인 입자라고 알려져 있었다. 그러나 최신 이론인 ‘초끈 이론’에 의하면 그 정체는 극히 미세한 크기를 가진 아주 작은 끈이라고 한다. 이 작은 끈의 진동 방식의 차이가 여러 가지 다른 소립자로 관측된다고 한다. 소립자에 대한 개념을 바꾸는 이들 이론을 통해, 차원이나 우주 탄생에 대한 새로운 사고방식까지도 소개한다.

● 최고 품질의 과학 단행본 ― ‘뉴턴 하이라이트 시리즈’
뛰어난 그래픽과 수준 높은 해설 기사로 유명한 과학 잡지 Newton은, 주제별로 핵심 기사만을 선정해서 과학 단행본 ‘뉴턴 하이라이트 시리즈’로 펴내고 있다. [상대성 이론] [주기율표] [인체와 첨단 의학] [비주얼 생물] [미분과 적분] 등 다양한 자매 도서도 인기리에 판매되고 있다.

목차

제1장 수(數)의 ‘무’와 ‘유’

0이란 무엇인가? / 고대 문명의 0 ①~② / 0의 발견 / 0과 무한 ①~③ / 미분과 적분 / 절대 온도 0° / 저항 0 / 질량 0 / 크기 0 / 겉보기 속도 0

제2장 존재의 ‘무’와 ‘유’

원자의 존재 / 파동과 입자의 양면성 ①~④ / 원자 속 전자의 궤도 ①~② / 상태의 공존 / 코펜하겐 해석 ①~② / 슈뢰딩거 방정식 / 코펜하겐 해석과 ‘관측’ / 다중 세계 해석

제3장 공간의 ‘무’와 ‘유’

진공이란 무엇인가? / 형광등의 진공 / 스바루 망원경의 진공 / 우주 공간의 진공 / 원자 속의 진공 / 가속기의 실험 / 소립자의 쌍생성·쌍소멸 / 불확정성 원리 / 카시미르 효과 / ‘장(場)’의 개념 / 장(場)의 양자론 / 힉스장 / 진공의 상전이 / 진공 에너지 / ‘무의 공간’의 모습

제4장 우주 탄생의 ‘무’와 ‘유’

특이점 / 요동’에서 생긴 우주 / 터널 효과 / 무에서 태어난 우주 / 허수 시간 / 무경계 가설 / 우주의 역사 / 인플레이션과 빅뱅 / 가속 팽창 / 우주항 / 암흑 에너지의 성질 / 암흑 에너지의 정체 / 알렉산더 빌렌킨 박사 인터뷰

제5장 소립자의 ‘무’와 ‘유’

물질을 만드는 소립자 / 힘을 전하는 소립자 / 소립자의 종류 / 네 가지 힘의 통일 / 초끈 이론 / 끈의 성질 / 우주 끈 / 양자 중력 이론 / 초끈 이론의 차원 / 보이지 않는 차원을 찾는다 / 부모우주에서 자식우주가 탄생 / 브레인 월드

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