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초끈이론 : 아인슈타인의 꿈을 찾아서
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분류 현대물리학
저자 박재모
출판사/발행일 살림 / 2004.09.30
페이지 수 96 page
ISBN 8952202902
상품코드 2318663
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책내용
만물은 무엇으로 이루어져 있는가
자연은 무엇으로 이루어져 있는가? 우리가 사는 자연계에서 일어나는 상호작용을 관통하는 원리는 무엇인가? 이는 고대 그리스 자연철학자들로부터 제기되어온 자연의 근원적 원리에 대한 물음이며, 21세기에 들어선 오늘날에도 여전히 풀리지 않고 있는 수수께끼이다. 이 수수께끼가 풀린다면 우리는 우주 삼라만상을 지배하는 물리학적 원리를 알 수 있게 되는 것이다.

아인슈타인의 꿈 : 통일장이론
20세기 물리학의 형성에 지대한 공헌을 한 아인슈타인은 그의 말년에 물리학의 중요한 한 문제와 씨름하였다. 그 문제는 바로 자연계에 존재하는 것으로 알려진 힘인, 중력과 전자기력을 통합하여 설명하는 것이었다. 그러나 20세기 중반 이후의 새로운 실험들을 통하여 자연계에는 중력과 전자기력 이외에도 약력과 강력이라는 힘이 존재한다는 것이 밝혀졌다. 따라서 우리가 통일장이론을 원한다면 이러한 네 가지 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력)을 통합해서 설명하는 이론을 만들어야 한다.

일반상대론과 양자역학의 모순
시공간과 중력의 원리 등에 대해 설명하는 상대성이론을 적용하면, 태양과 지구의 운동, 머나먼 별빛의 경로 및 우주의 모습 등을 비교적 정확하게 기술할 수 있다. 상대성이론이 보여주는 거시세계는 연속적으로 이루어져 있으며 예측 가능한 세계라고 할 수 있다. 그러나 거시적인 세계가 아닌, 원자 이하 단위의 아주 작은 미시세계를 기술할 경우에는 양자역학이라는 전혀 다른 이론을 적용해야 한다. 미시세계에서는 우리가 일상세계에서 연속적인 양으로 생각했던 것들이 실은 불연속적인 양들로 기술되고, ‘입자’와 ‘파동’이라는 두 속성을 동시에 가지며, 물체의 속도와 위치를 동시에 정확히 측정하는 데에도 한계가 있다. 즉 미시세계는 불연속적이며 예측 불가능의 세계라고 할 수 있다. 따라서 거시세계를 설명하는 상대성이론과 미시세계를 설명하는 양자역학은 서로 대치되어 있는 셈이며, 현대물리학의 근간을 이루는 두 이론체계가 충돌을 일으키면서 양립되지 못한다는 점은 오늘날 물리학자들이 반드시 해결해야 할 과제로 꼽혀왔다.

일반상대론과 양자역학의 결합 : 초끈이론
초끈이론의 출발점은 매우 간단하다. 우주의 만물이 소립자나 쿼크와 같은 기존의 단위보다도 훨씬 작은 구성요소인 ‘진동하는 가느다란 끈’으로 이루어져 있다고 생각하는 것이다. 우리는 자연계에 존재하는 네 가지 힘들(중력, 전자기력, 약력, 강력)이 작용하게 되는 기본 단위를 ‘소립자’라 부른다. 이러한 소립자들은 양자장론에서는 내부구조가 없는 ‘점입자’로 생각되었다. 그러나 끈이론의 입장에서 소립자는 끈이 진동하면서 만들어내는 특별한 파동으로서, 양자역학의 ‘입자’와 ‘파동’의 이중성에 의해서 입자로 해석될 수 있는 것이다. 재미있는 것은 중력을 매개하는 중력자도 바로 끈의 진동에 의해서 나온다는 사실이다. 끈이론 자체는 양자장론의 범위에서 쉽게 기술된다. 결국 자연을 이루는 궁극 요소가 점입자가 아니라 끈이라는 데서 일반상대론의 양자적 기술이 가능한 것이다. 여기서 초끈이론의 ‘초’는 자연계에 존재할 것으로 생각되는 중요한 대칭성의 하나인 ‘초대칭’을 갖는 끈이론이라는 의미이다.

초끈이론의 구조와 의문
10차원에서 존재하는 초끈이론은 모두 다섯 가지이며, 모두가 중력을 매개하는 중력자를 끈의 진동으로 포함하고 있어서 일반상대론과 양자역학의 결합이 자연스레 이루어진다. 하지만 왜 다섯 가지나 되는 이론이 존재해야만 하는가라는 의문이 남는다. 과연 그 중에 어느 이론이 정말 자연을 기술하는 이론이며, 왜 그 이론만이 자연을 기술하여야 하는가라는 물음에 대한 해석이 필요하다. 또 다른 의문은 10차원의 초끈이론을 우리가 사는 4차원의 물리학과 연결시키는 데에서 제기된다. 10차원 시공간에서 4차원 시공간을 얻기 위해서는 나머지 6차원을 매우 작게 만들어야 한다. 그런데 현재 끈이론에서의 한 가지 문제점은 이러한 6차원 공간의 가능성이 너무나 많고, 이 가능성 중에 왜 특정한 경우를 택해야 하는가에 대한 답을 주지 못한다는 데 있다.

초끈이론의 과제
20세기 초반에 나온 현대물리학의 두 기둥인 양자역학과 일반상대론의 성공적인 결합은 21세기에 접어든 현재에도 물리학의 가장 중요한 문제로 남아 있으며, 이는 최근의 관측 천체물리학의 발전에 따라 근본적인 측면에서만이 아니라 실제적인 측면에서 점점 그 중요성이 대두되고 있다. 그러나 초끈이론은 그 완성까지 먼 길을 가야 하는 현재진행형이다. 아직 이 이론을 온전히 기술하는 방법이 알려져 있지 않고, 또한 자연이 이 이론을 택했는지 여부를 판단하기 위해 수많은 이론적, 실험적 테스트를 통과해야 한다. 그러나 이는 동시에 초끈이론이 그만큼 매력적인 분야임을 의미하는 것이다.
목차
왜 초끈이론인가 | 초끈이론의 구조와 이론적 결과들 | 특수상대론 | 양자역학의 세계 | 일반상대론 | 끈이론의 세계 | 끈이론의 기하학 | D-브레인과 M이론 | 블랙홀 | 양자중력이론과 홀로그래피 | 초끈이론의 과제

저자
박재모
현 포항공과대학교 물리학과 조교수.
미국 캘리포니아 공과대학교 물리학과에서 이학박사학위 받음.
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