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우주의 역사, 137억 년의 신비를
하나씩 벗겨나가는
유쾌한 지식 탐구여행!

● 저자 다케우치 가오루(竹內 薰)는 일본 대중들에게 과학의 역사와 어려운 과학 이론을 일관되고 체계적으로 저술, 과학을 쉽고 재미있게 소개하는 전문 과학작가이며 과학 해설가로 활동하고 있다. ‘유카와 가오루’라는 필명으로 추리소설을 쓸 정도로 유연한 사고방식과 문학적 상상력을 겸비한 탁월한 능력자로 다수의 책들을 출간하여 베스트셀러를 기록하는 등 많은 독자들로부터 사랑을 받고 있다.

● 그동안 발간된 ‘우주론’에 관한 책들은 대개 과학도나 관련 분야의 전문가 등 상당한 수준의 지식이 있어야 이해할 수 있었지만 《친절한 우주론》은 이제까지 나온 우주론 관련 서적 중에서 우주의 다양한 모습의 칼러 화보과 사진, 그림, 도표를 가장 많이 활용한 책이다. 거의 모든 이론을 설명할 때 그림으로 이해를 돕고 복잡한 수학적 연산은 그래프와 도표를 활용해 설명한다.

● 심층적인 우주론의 역사와 개념들을 명쾌하고 쉬운 논리로 풀어썼다. 체계적이고 일관되게 서술하고 핵심주제도 잘 정리하여 과학에 대한 기초적인 상식만 가지고 있어도 충분히 이해할 수 있도록 저술한 ‘대중 우주론’이다. 과학도는 물론 일반교양과 과학에 흥미가 있는 대중들에게 충분히 권할 만하다.

● ‘고전이론에서 포스트 아인슈타인 이론까지’ 프톨레마이오스의 천동설과 코페르니쿠스의 지동설에서 시작한 고전 우주론은 물론 아이슈타인의 현대 우주론, 이어 스티븐 호킹의 우주론까지 각각의 우주론을 드라마틱한 방식으로 서술하고 있다. 특히 이 가운데 ‘인플레이션우주론’, ‘브레인우주론’, ‘초끈우주론’ 등 각각 가지를 쳐나가는 세부 우주론까지 포괄적으로 다루고 있다.

● 과학서적에서 무엇보다 중요한 것은 개념의 이해이다. 특히 우주론의 경우, 우주라는 워낙 커다란 대상을 다룬다는 점에서 과학적 개념에 대한 적절한 이해없이는 해독 자체가 힘든 경우가 많다. 《친절한 우주론》에서는 ‘허수시간’, ‘대통일장이론’, ‘상대성 이론’, ‘루프양자중력’, ‘특이점’, ‘블랙홀과 웜홀’, ‘우주배경복사’ 등 우주론에 반드시 필요한 개념들을 이해하기 쉽게 설명해 놓았다.

편집자의 글 _ ‘시각화를 통한 명쾌한 이해’를 가장 잘 적용한 우주론

글머리에 _ 시각적 영상을 전면에 내세운 우주론, 그 흥미진진한 세계로 여행을 떠나보자!

제1장 우주론 기초 닦기
1-1 과연 우리는 우주에 대해 얼마나 알고 있는가?
우주라는 상자
우주론이란
우리는 우주에 대해 어디까지 알고 있는가?
1-2 우주론과 천문학의 다른 점, 같은 점
우주론이 천문학과 다른 점
별 사이의 공간은 타임머신
1-3 우리가 관측할 수 있는 우주의 범위
혼잡한 지하철역에서의 이동
부딪치는 전자기파는 보이지 않는다
1-4 상상할 수 없을 정도로 작은 소립자에서 탄생한 우주
우주는 상상할 수 없을 만큼 크다
우주가 탄생했을 때는 상상할 수 없을 정도로 작았다
양자역학의 출현
1-5 드디어 떠나보는 우주 여행
망원경(현미경)의 배율을 바꿔서 우주를 실감해보자
●여기서 잠깐! 광속으로 인간을 태워 보낼 수는 없을까? ·

제2장 한눈에 보는 우주의 스펙
2-1 숫자로 보는 우주의 모습
우주를 나타내는 여러 가지 수치
밀도와 압력
2-2 우주의 온도는 과연 몇 도?
전자기파로 우주의 온도를 측정한다
‘우주의 맑게 갬’으로 직진할 수 있게 된 전자기파
2-3 우주의 모습은 닫혀 있다? 평탄하다? 열려 있다?
우주의 바깥쪽은 어떤 모습일까?
우주를 대략적으로 시각화해본다면…


제3장 지금까지 밝혀진 우주의 수수께끼
3-1 점점 늘어나고 있는 우주의 나이 3-2 깜짝 놀랄 대폭발로 탄생한 우주
불덩어리의 탄생
우주론에도 ‘헌법’이 있다
정상우주론
3-3 아주 오래된 우주, 뜨거운 용광로
누구나 들어봤을 우주배경복사
뜨거운 용광로의 흔적
3-4 그래도 늘어만 가는 수수께끼들
허블의 법칙이 의미하는 것
이상한 허블상수의 단위
●여기서 잠깐! 우주의 나이를 한번 계산해볼까? ·
3-5 90억 광년의 저편에서 오는 우주의 신호
우주를 비추는 등대
●여기서 잠깐! 도플러효과와 적색이동
3-6 우주를 구성하는 소립자의 세계
우주의 구성 요소
소립자 관측 자료
3-7 우리가 아는 우주는 4%에 불과하다
물질은 어디로 사라졌는가?
관측망에 걸리지 않는 암흑물질·에너지
3-8 나머지 96%를 이루는 암흑물질의 정체는?
존재하지만 보이지 않는다?
우주에 가라앉은 암흑물질의 수수께끼
●여기서 잠깐! 뉴트리노도 질량은 있다
3-9 우주를 지배하는 네 가지 힘
자연계에 존재하는 네 가지의 힘
힘은 상변화에 의해 나뉘어졌다
3-10 원시우주를 재현하는 대형 입자가속기
입자가속기의 원리
세계 최대의 입자가속기
고에너지 입자가속기의 충돌 실험으로 우주의 탄생을 재현한다

제4장 본격적인 우주 탐험
4-1 우주에서 거리를 측정해보자
삼각측량의 원리
가장 오래된 수학 지식
●여기서 잠깐! 계속해서 개정되는 별들의 목록 ·
4-2 초신성이 알려주는 우주의 비밀
초신성은 우주의 등대
초신성 폭발과 구급차의 사이렌
●여기서 잠깐! 초신성 폭발이란?
4-3 최첨단 기술이 집약된 스바루망원경의 모든 것
●여기서 잠깐! 스바루망원경 VS 허블우주망원경 ·
4-4 수많은 업적을 남긴 허블우주망원경
●여기서 잠깐! 허블우주망원경이 포착한 오로라
4-5 화성에서 찾은 생명의 흔적
화성에 생명체가 존재했을까?
화성 무인탐사로봇의 구조
4-6 우주의 얼룩, 그 의미는?
우주배경복사를 ‘본다’
COBE가 포착한 ‘얼룩’의 정체
4-7 우주의 나이를 맞춘 장본인, WMAP
초기 우주의 모습을 보여준 증거 영상
4-8 우주도 음악을 연주한다?
먼저 악기 음색의 원리부터
우주 초기의 밀도 요동은 인플레이션을 통해 시작되었다
4-9 우주는 도대체 어떤 모양일까?
우주의 모양과 온도 요동의 미묘한 관계
●여기서 잠깐! 기구로 우주를 관측하는 부메랑계획
4-10 인류의 거대한 프로젝트, 대우주 지도
우주 대규모 구조의 ‘씨앗’
SDSS계획
●여기서 잠깐! 푸앵카레의 12면체

제5장 인류가 생각해온 우주의 모습들
5-1 프톨레마이오스가 실수한 부분
프톨레마이오스의 우주 체계
이심원과 주전원
역행하는 화성의 위치
5-2 오해받은 코페르니쿠스의 지동설
5-3 천동설과 지동설의 절충안이 있었다?
●여기서 잠깐! 튀코별의 짝별을 발견하다
5-4 케플러가 밝혀낸 천체의 하모니
케플러의 법칙
반드시 틀렸다고만은 할 수 없는 ‘천체의 하모니’ 사상
5-5 뉴턴의 중력이론에도 한계는 있다
만유인력의 법칙

제6장 아이슈타인에서 시작된 현대 우주론
6-1 에테르를 찾으려는 마이컬슨과 몰리의 노력
마이컬슨과 몰리의 실험
에테르는 존재하지 않았다
6-2 시간과 공간에 대한 기묘한 이론, 상대성이론
상대성원리란?
광속도불변의 원리
시간은 느려진다
공간도 줄어든다
시간이 느려지거나 물건의 크기가 줄어드는 이유
6-3 시공간을 바꿔놓는 로렌츠·피츠제럴드 변환
로렌츠·피츠제럴드의 변환은 시공간을 변환한다
엘비스와 마이클이 목격한 살인 현장은!?
6-4 마법의 수식, E=mc2의 의미
마법의 수식이 나타나다
핵분열
핵융합
6-5 좀 더 보편적인 일반상대성이론
질량·에너지의 등가원리
가속도운동을 하는 사람은 나이를 먹지 않는다
구불구불 휘어진 공간
6-6 시공간이 ‘이끌린다’고?
렌제·티링의 효과란?
인공위성의 흔들림으로 시공간의 이끌림을 증명한다
6-7 우주상수, 과연 아인슈타인은 옳았을까?
50억 년 전의 진실
우주상수가 부활한 이유
6-8 뻥 뚫린 시공간의 구멍, 블랙홀과 웜홀
블랙홀의 원리
‘대머리정리’란?
웜홀을 이용해 타임머신 만들기
6-9 아인슈타인의 틀에서 다시 본 고전 우주론
우주 모델의 기준
고전적인 우주 모델의 현재형
●여기서 잠깐! 슬픈 개인사를 살았던 인간 아인슈타인

제7장 인플레이션우주론에서 호킹의 최신 우주론까지
7-1 우주의 초기 모습을 알기 위해 필요한 양자론
양자란 무엇인가?
허수의 파(동)
우주의 탄생과 양자적 요동
7-2 빅뱅 이전에 ‘인플레이션’이 있었다?
평탄성 문제
지평선 문제
●여기서 잠깐! 인플레이션을 일으킨 녀석, 미지의 소립자 인플라톤
7-3 시공간마저 무너뜨리는 무서운 특이점
특이점이란 무엇인가?
7-4 우주 탄생의 지표, 플랑크
공간, 시간, 물질은 한순간에 생겨났다
●여기서 잠깐! 플랑크의 크기를 계산해보자
7-5 우주 초기의 시간은 허수시간
호킹의 허수시간 가설이란
허수시간과 양자우주론
7-6 호킹이 생각해낸 호두우주
로켓과 중력퍼텐셜
터널효과로 ‘중력우물’을 빠져나간다
7-7 결국 사건의 진상은 ‘무의 세계’
우주는 시간도 공간도 존재하지 않는 ‘무’에서 탄생했다
●여기서 잠깐! 우주는 그 밖에도 많다? 우주다중발생설!
7-8 아인슈타인이 꿈꾼 대통일장이론
네 가지 힘을 통일한다
아인슈타인도 손들고 말았다
7-9 잃어버린 반물질의 수수께끼
일찍이 존재했던 ‘반물질’
반물질이 존재한다면 양성자는 붕괴한다

제8장 양자중력이론에 근거를 둔 새로운 우주론
8-1 고상한 ‘초끈’의 세계
궁극적인 의문에서 출발한다
초끈의 진동 하모니
●여기서 잠깐! 고상한 초끈의 시공간을 살펴보자
8-2 11차원으로 시각화된 브레인우주론
초끈의 ‘흑막’은 브레인
브레인우주가 충돌을 반복한다
8-3 우주 팽창의 수수께끼를 푸는 열쇠, 제5원소
우주 팽창의 원인은 마이너스의 압력인 ‘퀸테센스’일까?
8-4 초끈을 묶어내는 M이란?
초끈이론을 간단한 수식으로 나타내면?
마술, 미스터리, 아니면 근원
8-5 시공간을 소멸시키는 루프양자중력
우주는 노드와 링크로 이루어져 있다
모든 것은 시공간의 거품
●여기서 잠깐! 감마선버스트로 루프양자중력이론을 검증한다
8-6 팽창의 끝, 우주의 종말
우주는 블랙홀투성이가 된다?
우주는 언젠가 다시 수축해 100억 년 후면 사라질 것이다
●여기서 잠깐! 거대수이론과 인간중심원리

부록

시시콜콜 묻고 답하는 우주론 Q&A

우주론을 더 깊이 알고 싶은 이들을 위한 엄선 도서

우주론 관련 주요 웹사이트

‘시각화를 통한 명쾌한 이해’를
가장 잘 적용한 우주론

과학 단행본의 편집에 있어 가장 중요한 것 중의 하나는 독자와의 눈높이 맞추기라고 할 수 있다. 그렇지 않아도 ‘과학은 어렵다’는 인식을 가지고 있기 때문에 늘 화두는 ‘어떻게 하면 과학을 좀 더 쉽고 재미있게 전달할 수 있을까’ 하는 것이었다. 하지만 과학이라는 것이 원래 이론적인 데다 그 배경이 되는 물리학적, 화학적 지식이 없으면 핵심 논리를 이해하기가 쉽지 않다. 결국 ‘과학의 대중화’라는 말에는 어느 정도 모순이 있을 수밖에 없다.
특히 최첨단 과학이론으로 갈수록 이러한 현상은 더욱 심화된다. 우주론은 그중에서도 가장 광범위하고 가장 추상적인 개념이 동원되는 학문이다. 인간의 상상력으로는 도저히 가늠할 수 없는 범위를 다루는 데다가 우주를 상대로 직접적인 실험을 해볼 수 없다는 점도 우주론을 더욱 어렵게 만든다.

말하고자 하는 내용이 복잡할수록 말로만 전달하기보다는 직접 그림을 그려서 분류하고, 표로 만들어보는 ‘시각화’를 하면 내용을 명쾌하게 이해할 수 있을 때가 많다. 《친절한 우주론》은 이제까지 나온 우주론 관련 서적 중에서 사진과 그림, 도표를 가장 많이 활용한 책이다. 거의 모든 이론을 설명할 때 그림으로 이해를 돕고 있으며 복잡한 수학적 연산은 그래프와 도표를 활용해 설명한다. 그런 점에서 이 책은 ‘시각화를 통한 명쾌한 이해’를 가장 잘 적용한 우주론이라고 할 수 있다. 과거에 ‘어려운 과학’, 특히 ‘우주론’과 관련해서 머리가 지끈거릴 정도로 책과 씨름해본 사람들이라면 반드시 일독해볼 것을 권한다.

아마도 이 책을 덮을 즈음에는 우주의 탄생부터 현재와 미래의 모습까지 파노라마처럼 머릿속에 그려질 것이다. 뿐만 아니라 조금만 곱씹으며 읽는다면 누군가에게 ‘우주론이란 말이야~’ 하고 설명해주는 기쁨도 느낄 수 있을 것이라 확신한다. - 편집자의 글 -


● 초신성 폭발을 조사하면 우리는 우주의 거리 측정뿐만 아니라 어느 정도의 속도로 멀어지고 있는가 하는 우주 팽창에 대해서도 알 수 있다. 어째서일까? 빛은 파동이기 때문에 광원이 되는 초신성이 멀어지면(파장이 늘어져서) 빨갛게 보이고 가까워지면(파장이 줄어들어) 파랗게 보인다. 초신성의 본래 색깔은 추측할 수 있기 때문에 우리는 그 색이 어떻게 보이는가를 지구에서 관측하는 것만으로 초신성이 우리에게서 멀어지는 속도를 계산할 수 있는 것이다.
(소리의 파동을 예로 들어 보자. 구급차가 가까워질 때는 소리가 높게 들리고 멀어지면 소리가 낮게 들린다. 본래의 소리가 가진 높이를 알고 있으면 사이렌 소리가 어떻게 들리는가에 따라서 구급차의 속도를 알 수 있는 것이다.) - 〈 4.2 초신성이 밝히는 우주의 비밀 〉 중에서

● 그러나 우주 끝까지 간다고 해서 우주가 끝나는 것은 아니다. 놀랄만한 사실은 푸앵카레 12면체의 가장자리에 도달하면 빛도 물질도 다른 면에서 되돌아와 버린다는 것이다. 이것을 시각화하는 가장 간단한 방법은 2차원의 원통 모양 우주를 떠올리면 된다. 원통이 무한대로 길면 그것은 2차원적으로 평탄한 무한히 큰 우주가 되는 것이다. 그러나 그 원통이 미묘하게 굽어 있어서 어느 한계까지 이르면 원래의 자리로 되돌아와 버린다면? 당신은 유한한 크기의 도넛과 같은 우주에 살고 있다는 것이다! - 〈 4.10 대우주의 지도를 만들다〉 중에서

● 아인슈타인의 일반상대성이론에서는 특이점이 반드시 생길 수밖에 없다는 매우 어려운 내용을 증명한 사람은 스티븐 호킹과 로저 펜로즈이다. 그 이전인 1963년에는 러시아의 물리학자 이브게니 미하일로비치 리프시츠와 이사크 M. 할라트니코프가 인위적인 가설을 토대로 대칭성이 높은 우주에서만 특이점이 생기며 실제 우주에서는 복잡하기 때문에 특이점이 생기지 않는다고 주장하기도 했다. 예컨대 이들의 주장은 ‘우주의 시작은 없다’는 것이다. 그 후 1965년에 호킹과 펜로즈는 그 주장이 잘못된 것이며 특이점은 상대성이론에서 피할 수 없는 문제임을 수학적으로 증명하였다. - 〈 7.3 무서운 특이점 〉 중에서

● 오래전부터 우주의 탄생에 관한 문제는 철학자와 과학자, 종교학자 모두에게 골칫거리였다. 현대 물리학과 우주론에서도 예외는 아니다. 시작도 없이 우주는 영원히 계속되고 있다는 프레드 호일의 정상우주론도 이 고민으로부터 벗어날 수 있는 하나의 방법이기는 하지만, 빌렌킨은 ‘어차피 탄생된 것은 탄생된 것이니까 태도를 바꾸면 되지 않을까?’ 하고 생각했다. 탄생되기 전에는 아무것도 없었기 때문에 결국 우주는 ‘무’에서 탄생되었다는 것이다.
- 〈7.7 사건의 진상은 ‘무의 세계’〉 중에서