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우주 선진국으로 발돋움하기 위한 필수 과학 교양서

'대한민국 독자 기술 누리호 발사', '뉴 스페이스 시대 본격 개막'. 세계에서 일곱 번째로 독자적인 기술로 만든 발사체를 우주로 보내면서 우리나라는 우주 선진국으로 도약하고 있다. 정부 주도 아래 민간기업까지 모두 우주개발에 힘을 쏟고 있는 시대이다. 우주개발의 중요성과 화제성이 높아진 만큼 이제 우주에 관한 기본 소양을 쌓아야 할 때이다.
이 책은 어려운 수식 없이 친절한 설명과 함께 우주에 관한 거의 모든 기본적인 정보들을 담아냈다. '우주의 시작과 끝은 어떤 모습인지, 지구와 인류는 어떻게 탄생했는지, 우주 전체에 에너지는 얼마나 있는지, 블랙홀과 암흑물질에 관한 연구가 왜 필요한지, 태양이 사라지기 전에 인류는 어디를 향해야 하는지, 인류를 뛰어넘는 외계 문명이 존재하는지' 등, 우주를 거시적 시선과 미시적 시선으로 다양하게 바라보며 꼬리에 꼬리를 무는 질문과 답이 이어진다. 이 책을 통해 무엇을 위해 우주개발이 세계적 추세가 되었는지, 그리고 그것이 우리의 일상과 어떻게 연결되어 있는지를 깨닫고, 나아가 우주 감각이 깨어나는 순간을 맞이하기 바란다.

웅장하고 신비로운 우주를 한 권으로 압축하다
“처음 1일째인가 2일째는 다들 자기 나라를 가리켰다. 3일째, 4일째는 각자 자기 대륙을 가리켰다. 5일째, 우리 눈에 비친 것은 오직 지구 하나밖에 없다는 것을 깨달았다.”
1985년 6월, 최연소 우주왕복선 승무원에 선발된 술탄(사우디아라비아)이 우주에서 지구를 바라보며 남긴 말이다. 웅장하고 적막하며 수수께끼로 가득찬 우주. 이 책은 우주의 정의부터 우주의 탄생과 종말, 우주의 수많은 별들의 생애, 지구와 인류의 탄생과 소멸, 미지의 우주 에너지, 우주의 최소 단위, 중력과 빛의 정체, 블랙홀, 우주엘리베이터와 외계인까지 우주를 설명하는 거의 모든 정보를 담은 우주의 집합체이다. 기후 변화, 식량 부족, 에너지 위기를 극복하기 위해 전 세계가 우주개발에 박차를 가하고 있는 시대에 우주에 관한 기본 소양을 기르는 완벽한 한 권이 될 것이다.

과학 이론을 일상의 시선으로 담아내다
과학자가 아닌 이상, 우주는 우리 일상과 너무나도 먼 이야기 같다. 하지만 이 글을 읽고 있을 독자와 글을 출력하는 노트북 혹은 스마트폰, 그 옆에 놓인 커피 한 잔, 커피잔을 든 손에 누군가와 영원을 맹세하며 끼운 반지 등, 모두 우주와 깊이 연관되어 있다. 우리를 비롯한 우리 주변의 모든 것은 우주의 물질로 빚어진 생명이고 물체이다. 따라서 우주의 법칙을 배운다는 것은 우주에 존재하는 지구, 우주에 존재하는 '우리'를 배우는 것이 된다. 〈우주 모멘트〉의 저자는 친절한 말투로 우리가 무심코 구분하게 되는 지구와 우주를 연결해 우주를 친근한 존재로 인지시키고, 우주에 관해 깊이 있게 배울 필요가 있다는 것을 느끼게 해준다. 이 책을 읽고 나면 우리는 단순히 지구가 아닌 '우주'에 살고 있다는 사고의 전환과 함께 '우주 감각'을 깨우는 '모멘트'를 맞이할 것이다. 나아가 우주로 도약했을 때 인류의 세계관이 크게 바뀐 것처럼 화성에 이주하고 태양계로 뻗어나가는 미래의 세계관을 실감할 수 있다.

시작하며 여러분은 지금 우주를 여행하고 있습니다 13
추천의 글 우주에 관한 거의 모든 질문의 답을 풀어나가다 20

1장 우주란 무엇인가
우주는 어떻게 탄생했을까 25
인력과 중력의 차이 ／ 만유인력을 발견한 뉴턴 ／ 만유인력의 문제를 해결한 일반상대성이론 ／ 우주의 정의 ／ 우주는 점 하나에서 시작되었다 ／ 우주 탄생 후 1초 사이에 무슨 일이 벌어졌을까 ／ 우주가 탄생한 지 1분 후 ／ 우주의 팽창을 뒷받침하는 또 하나의 사실 ／ 우주의 끝은 어디에 있을까 ／ 관측 가능한 우주의 크기는 465억 광년 크기 ／ 우주의 최소 단위는 '소립자' ／ 양자역학과 일반상대성이론에서 탄생한 '끈이론'
우주가 끝나는 시나리오 45
우주의 미래를 점치는 '미지의 물질' ／ 암흑에너지의 세 가지 가설 ／ 암흑물질이란 무엇일까 ／ 우주 종말의 네 가지 예측
우주 이론과 기술의 발전 56
우주를 알려면 미시 세계를 알아야 한다 ／ 눈에 보이지 않는 세계를 어떻게 볼 것인가 ／ 인간 생활과 밀접한 전자기파 ／ 전자 수준의 관찰은 어떻게 할까 ／ 이론과 기술이 충돌하는 양자역학의 사고 실험 ／ 중력에 양자역학을 적용할 수 있을까 ／ 끈이론의 등장 ／ 검증이 불가능한 끈이론

2장 별이야기
항성의 종류 73
항성의 생애는 질량으로 결정된다 ／ 항성은 가벼울수록 수명이 길다 ／ 태양보다 무거운 항성의 생애 ／ 항성의 핵 '중성자별'
중성자별의 탄생 82
대질량 항성의 생애 ／ 초신성 폭발로 탄생하는 중성자별 ／ 중성자별의 특징 ／ 중성자별의 구조 ／ 중성자별 폭발로 만들어지는 원소
중성자별의 내부는 어떻게 되어 있을까 93
쿼크란 무엇인가 ／ 쿼크별에 존재하는 기묘물질 ／ 기묘물질은 모든 것을 침식한다 ／ '기묘물질=암흑물질' 설
태양계는 얼마나 클까 101
태양계는 어떻게 만들어졌을까 ／ 태양이란 무엇인가 ／ 태양 주위를 도는 '지구형 행성' ／ 행성이 되지 못한 '소행성대' ／ 태양 주위를 도는 '목성형 행성'／ 명왕성은 왜 태양계에서 퇴출당했을까 ／ 태양계의 가장 먼 곳에 있는 태양권 ／ 태양권의 건너편에 도달한 탐사선 '보이저'

3장 에너지
에너지란 무엇인가 121
열과 전기는 에너지가 아니다 ／ 물 한 방울의 에너지는 원자폭탄 격 ／ 에너지에서 물질을 만들어내다 ／ 반물질이 만들어내는 에너지 ／ 우주의 전체 에너지 중 알려진 에너지는 단 5%
중력의 정체 132
중력을 밝혀내고자 했던 과학자들 ／ 만유인력의 법칙으로 발견된 행성 ／ 만유인력의 법칙 붕괴와 아인슈타인 ／ 적색편이란 ／ 특수상대성이론에 중력을 추가한 '일반상대성이론' ／ 중력이 강할수록 시간은 느려진다 ／ 일반상대성이론으로 수성의 수수께끼가 풀리다 ／ 일반상대성이론으로도 풀리지 않는 물질 ／ 아인슈타인의 최대 실수
빛의 정체 145
빛과 인류의 역사 ／ 빛의 정체는 입자? ／ 빛의 정체는 파동? ／ 빛의 정체는 입자이자 파동이었다 ／ 빛의 이름은 '광자'
우주의 최소 단위, 중성미자 156
'우주 최소 단위' 발견의 역사 ／ 중성미자를 알기 위한 'α붕괴'와 'β붕괴' ／ 중성미자는 우주 과학에 어떻게 이바지할까 ／ 질량이 있는데 왜 빛보다 빠를까 ／ 관측하기 위한 관건은 '물'

4장 지구와 인류
지구 탄생 171
시작은 '구름' ／ '별주위원반'의 모습 ／ 달의 탄생 ／ 우주에서 온 물 ／ 여전히 수수께끼투성이인 '생명 탄생' ／ 지구의 변화와 생명의 진화
인류 탄생 181
생명은 '누가' 만들었나 ／ 눈에 보이지 않는 세포는 어떻게 진화했을까 ／ 사람과 침팬지의 갈림길 ／ 5만 년 전에 획득한 '능력' ／ '개인'에서 '사회'로 진화하다
태양의 일생 191
태양의 탄생 ／ 태양의 구조 ／ 코로나가 초고온에 도달하는 수수께끼 ／ 태양은 어떻게 수명을 다할까
태양 소멸 전 인류의 목표 201
태양과 비슷한 항성에 가까운 행성 ／ 적색왜성 ／ 백색왜성 ／ 블랙홀

5장 우주 이동 수단
우주쓰레기 문제 213
우주쓰레기는 어떻게 생길까 ／ 우주를 떠도는 쓰레기의 속도와 파괴력
우주엘리베이터 221
우주여행의 문제는 '에너지 부족' ／ 우주에 닿는 엘리베이터 ／ 케이블의 길이와 강도 문제 ／ 탑승칸을 어떻게 승하강시킬까 ／ 안전성과 비용 ／ 현실성 있는 것은 로켓일까, 엘리베이터일까
웜홀은 실현 가능할까 231
시공간이란 무엇인가 ／ 웜홀의 종류 : 아인슈타인-로젠 다리, 통과할 수 있는 웜홀 ／ 인공 웜홀은 가능할까

6장 우주 최대의 수수께끼
블랙홀 241
블랙홀을 예언한 일반상대성이론 ／ 블랙홀 관측에 필수인 '전자기파'란 무엇인가 ／ 파장이 긴 전자기파 ／ 파장이 짧은 전자기파 ／ X선을 이용한 블랙홀 발견의 역사 ／ 블랙홀은 어떻게 탄생했을까 ／ 블랙홀의 중심 ／ 블랙홀의 종류 ／ 블랙홀에 얽힌 문제 ／ '블랙홀 정보 역설'은 해결할 수 있을까 ／ 홀로그램 원리의 과제
암흑물질 261
암흑물질의 발견 과정 ／ 암흑물질의 후보 : 액시온, WIMP ／ WIMP 검출 ／ 암흑물질 연구는 헛수고일까

7장 외계인
우리는 왜 외계인과 만날 수 없을까 277
우주에 지구 외 생명체는 존재할까 ／ 페르미 역설 ／ 그레이트 필터와 인류 멸망 시나리오
문명의 진화는 어디까지일까 284
'생명의 문명' 세 단계 ／ 에너지 획득의 진화 ／ 3,000년 후에 항성을 지배한다 ／ 은하계를 지배하는 문명 ／ 은하군을 지배하는 문명 ／ 우주 전체를 지배하는 문명, 우주를 벗어나는 문명

마치며 우주를 안다는 것은 상식에 구애받지 않는 것 297

우주의 크기를 알기 위한 최대 장벽은 우주 팽창입니다. 현재까지 옳다고 증명된 일반상대성이론에서 속도의 상한선은 빛이고, 빛보다 빠른 것은 존재하지 않습니다. 한편 우주의 가속 팽창은 빛의 속도를 뛰어넘습니다. 따라서 원래 점 하나에서 시작된 똑같은 우주 안에서조차 서로 전혀 상호작용하지 않는 영역이 존재합니다. 이 영역은 아무리 관측 기술이 향상하더라도 인류가 관측할 방법이 없습니다. 그래서 우주의 본래 크기와는 별개로 '관측 가능한 우주(observable universe)'라는 하나의 영역으로 표현합니다.
- p.38('1장 우주란 무엇인가' 중에서)

단 한 알의 기묘물질이 지구에 부딪히면, 부딪힌 부분부터 기묘물질로 변환됩니다. 지구를 침식하면서 결국에는 모든 원자가 기묘물질로 변환됩니다. 그리고 지구는 소행성 크기의 기묘한 별이 되어 생애를 마칩니다. 기묘물질이 지구가 아닌 태양에 부딪힌 경우도 마찬가지입니다. 태양은 기묘물질에 침식되어 소행성 크기의 뜨겁고 작은 기묘한 별이 되고 지구에는 영원한 겨울이 찾아올 것입니다. 참고로 기묘물질이 지구에 가까워지고 있다고 해도 그것을 알 수는 없습니다. 기묘물질은 빛을 내지 않고, 빛과 상호작용하지 않기 때문입니다.
- p.99('2장 별 이야기' 중에서)

목성은 질량이 크고 중력이 강력해서 주위의 소행성과 암석을 끌어들여 대규모 충돌을 종종 일으킵니다. 목성보다 안쪽에 있는 내행성계(수성·금성·지구·화성_옮긴이)를 향해 날아드는 천체도 목성의 거대한 중력에 끌어당겨져, 내행성계의 피해는 최소한으로 그칩니다. 만약 목성이 없었다면 운석이 지구에 충돌하는 빈도가 증가해 생명이 풍부한 지구가 만들어질 일은 없었을 것이라는 말이 나오는 이유입니다. 목성은 말하자면 '지구의 보디가드'와 같은 존재입니다.
- p.110('2장 별 이야기' 중에서)

우주가 가진 에너지는 어디에 어떠한 형태로 존재할까요? 그 수수께끼를 푸는 열쇠는 아인슈타인이 발표한 상대성 이론 공식, 'E=mc²'에 있습니다. 이 공식은 '질량은 에너지이며, 질량과 에너지는 교환 가능하다'라는 사실을 나타냅니다. 예를 들어 1g의 물질이 가진 에너지는 90조 줄(J)입니다. 이것은 태평양 전쟁 당시 일본 나가사키에 떨어진 원자폭탄과 거의 비슷한 에너지양입니다. 스포이트로 떨어뜨린 물 한 방울을 모두 에너지로 변환하면 원자폭탄 한 발 정도가 되는 것입니다.
- p.125('3장 에너지' 중에서)

현재 지구 생명이 가진 지능은 지구 자원의 약 80%를 사용하는 기술 수준에 머물러 있습니다. 하지만 장기적으로 보면 언젠가 인류는 태양계의 자원을 모두 사용할 수 있는 기술을 손에 넣게 되겠지요. 하지만 그런 태양의 수명도 앞으 로 70억 년 남았습니다. 은하의 자원을 사용할 수 있는 3단계의 문명을 목표로 하고 실현하는 것이 지구 생명, 그리고 전체 우주의 생명이 가진 목표일지도 모릅니다.
- p.210('4장 지구와 인류' 중에서)

현재 우주로 1kg의 물자를 보내는 데는 약 2,000만 원이 필요합니다(미국제 아틀라스V 로켓을 사용해 정지 궤도까지 발사했을 때의 비용). 60kg인 사람이면 12억 원입니다. 매우 높은 금액입니다. 바꿔 말하면 필요한 에너지를 줄이면 우주 개발에 드는 비용을 낮출 수 있다는 뜻입니다. 이를 실현하는 것이 '궤도 엘리베이터'입니다. 지상과 우주를 케이블로 연결하고, 승강기가 케이블을 따라 오르내리는 것입니다. 필요한 모듈은 네 가지가 있는데 지상기지국, 케이블, 우주기지국, 그리고 이동용운반기(탑승칸)입니다. 지상기지국은 당연히 해상이나 육지에 설치되어야 하는데, 특정 국가에서 건설하면 정치적인 이슈에 얽힐 수 있으므로 국제 해역에 건설될 것입니다.
- p.223('5장 우주 이동 수단' 중에서)

블랙홀은 호킹복사로 인해 조금씩 작아지다가 결국에는 작은 전자기파를 방출하면서 사라지고 맙니다. 게다가 까다롭게도 호킹복사에는 정보가 포함되어 있지 않습니다. 즉, 지금까지 블랙홀이 빨아들인 모든 것은 에너지가 되어 방출되고 정보는 소멸하고 마는 것입니다. 만일 정보가 보존되지 않고 소멸해 버린다면 현대물리학은 붕괴합니다. 이것이 '블랙홀 정보 역설'입니다.
- p.256('6장 우주 최대의 수수께끼' 중에서)

인류는 지구를 포함한 전체 우주를 알기 위해 두 가지 이론을 만들어냈습니다. 하나는 중력을 설명하는 일반상대성이론이고, 다른 하나는 중력 이외의 세 가지 힘을 설명하는 양자역학입니다. 일반상대성이론과 양자역학의 연구가 진척되면서 우리는 우주의 과거를 알게 되었고 우리 주변의 기술 혁신이 빨라졌습니다. 그리고 우주의 수수께끼 대부분을 설명할 수 있게 되었습니다. 하지만 우리가 알고 있는 우주는 전체의 단 5%에 불과합니다. 암흑 물질의 정체를 밝혀낸다면, 지금보다 다섯 배의 우주를 알게 되어 그 수수께끼를 단번에 밝혀낼 수 있을지도 모릅니다. 이것은 그야말로 혁명입니다.
- p.273('6장 우주 최대의 수수께끼' 중에서)

과학 기술이 발달해 다른 행성에서 자원을 구한다고 해도 인류가 이대로 계속 지구에 산다면, 서기 3,000년 무렵에는 에너지 소비량이 높아 지구 환경이 크게 바뀌어 생명이 살 수 없다는 말도 있습니다. 그래서 인류는 가까이에 있는 천체인 달과 이웃 행성을 목표로 합니다. 지구에서 소비할 수 없게 된 막대한 에너지를 가까운 천체에서 회수하거나 그대로 현지에서 사용하는 것입니다. 달에는 대량의 자원이 있고 소행성에도 귀중한 희유금속이 많이 포함되어 있습니다. 지구를 탈출한 지구 생명은 점차 다른 행성에 거주하기 시작해, 행성을 개조하고 많은 자원을 사용할 수 있는 기술을 손에 넣을 것입니다. 그러면 인류는 마침내 궁극의 에너지원인 태양 에너지를 자유롭게 사용할 수 있습니다. 그것이 바로 '다이슨 구'입니다.
- p.287('7장 외계인' 중에서)