물질의 탐구

 

책이름 : 물질의 탐구

지은이 : 짐 배것

옮긴이 : 배지은

펴낸곳 : 반니

 

나에게 영국 과학저술가 짐 배것(Jim Baggott, 1957- )의 『기원의 탐구』에 이은 두 번째 책이었다. 『물질의 탐구』는 질량에 대한 탐구로 지난 2500여년간 인간과 우주를 바라보는 인류의 관점이 어떻게 변하고 발전했는가에 대한 이야기였다. 고대그리스 철학자들의 원자론 사유에서 현대물리학 양자론·빅뱅까지 연대기순으로 ‘질량’의 기원을 4부에 나뉘어 16개 꼭지에 담았다.

제1부 원자와 공허. 고대 그리스의 ‘원자론자’로 불리우는 철학자들. 기원전 5세기 밀레투스의 레우키포스, 기원전 460년경 출생 아브데라의 데모크리토스, 기원전 341년경 출생 사모스의 에피쿠로스. ‘모든 물질은 눈에 보이지 않는 궁극의 구성요소로 이루어졌고 이를 원자라고 부른다.’(31쪽) 도미니크회 수사 조르다노 브루노는 태양을 우주의 중심으로 보는 우주론자로 1592년 5월 체포·종교재판을 받고 수감, 1600년 2월 화형.

물체는 특정한 고유 질량, 즉 내재된 ‘물질의 양’을 가지고 있으며, 이 양은 물체의 밀도 및 부피와 관련. 뉴턴은 힘이 사물에 가해져 사물의 운동 상태, 즉 정지 상태이거나 직선상의 운동 상태를 바꾸는 ‘행위’라고 ‘힘’을 정의. 물체의 질량을 밀도와 부피로 정리. 만유인력 법칙은 두 물체 사이에 작용하는 중력이 두 물체의 질량에 비례하고 중심 사이의 거리의 제곱에 반비례. 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에는 연소는 화학물질의 ‘변화’를 포함하는 과정, 1784년 물이 수소와 산소의 화학적 결합물이라는 것을 밝힘.

제2부 질량과 에너지. 스코틀랜드 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기는 직접적으로 연결된 전기장과 자기장. 아인슈타인의 특수상대성이론은 질량과 에너지가 동일. 예측된 시공간의 곡률에 의해 빛은 1.7각초만큼 휘어진다는 일반상대성이론. 중력파 검출은 일반상대성이론의 가장 최근의 성과. 1931년 미국 천문학자 에드윈 허블과 밀턴 휴메이슨은 우주에서 보이는 대부분의 은하계는 우리로부터 멀어지고 있는, 우주 팽창을 관측.

안드로메다은하는 우리 은하를 향해 초속 300㎞의 속도로 다가오고, 은하들은 우리에게서 초속 1,100㎞의 속도로 멀어짐. 멀리 떨어진 은하일수록 더 빠르게 멀어지는 ‘허블의 법칙’. 우주로 방출된 뜨거운 전자기복사는 우중의 팽창과 함께 냉각되면서 현재 적외선 복사의 형태로 발견, ‘우주배경복사’. 암흑에너지는 우주에너지 밀도의 69.1%, 암흑물질은 26.0%를 차지, 우리가 ‘우주’라고 생각하는 가시 물질은 겨우 4.9%.

제3부 파동과 입자. 1900년 막스 플랑크는 물질은 낱개 덩어리로 존재하지만, 물질이 흡수되거나 방출하는 복사에너지는 연속적. 1905년 아이슈타인 ‘광양자 가설’. 닐스 보어는 플랑크의 양자 개념을 이용, 원자 모형을 만들고 수소 원자 스펙트럼을 설명. 드브로이는 특수상대성이론에 유도된 에너지 공식과 양자이론을 결합시켜 드브로이 공식을 유도.

1925년 독일 젊은 물리학자 베르너 하이젠베르크의 ‘행렬역학’, ‘불확정성의 원리’. 1926년 1월 오스트리아 물리학자 볼프강 파울리·영국 물리학자 폴 디랙은 수소원자 방출 스펙트럼의 핵심적 특징 설명. 1926년 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거의 ‘파동역학’. 고전물리학 세계에서는 무슨 일을 하면 어떤 결과가 나올지 알 수 있지만, 양자물리학 세계에서는 파동함수에 의해서만 유도될 수 있는 확률에 따라 발생.

제4부 장과 힘. 전자기력은 전기적으로 대전된 핵과 전자를 묶는 힘. 양성자와 중성자에 작용하는 약력·강력. 빅뱅이 일어난 순간 우주에 만연한 에너지와 온도에서 모든 자연의 힘들을 뒤섞여있어 구분될 수 없는 상태, 제일 먼저 중력이 분리, 그 다음 강력이 분리, 빅뱅이후 1조분의 1초가 흐른후, ‘전기약력’은 약력과 전자기력으로 분리, 이 순간 자연의 네 가지 힘이 모두 분리.

표준 모형은 알려진 모든 기본입자들의 집합과 원자와 원자학 내부에서 작용하는 모든 힘들을 설명. 퀴크는 양자적 파동―입자이며, 기본 양자장의 기본적인 진동 또는 요동. 힉스 메커니즘은 입자물리학의 표준 모형의 기본 성분이며, 힉스 보손은 메커니즘이 옳다는 근거. 양성자와 중성자의 질량 대부분이 입자 안에서 일어나는 상호작용의 에너지로부터 온 것이라면 질량은 특성이 아닌 행동의 결과. 에너지가 질량의 발현이 아니라 질량이 에너지의 물리적 발현.

나는 책을 펼치면서 후미의 ‘용어해설’부터 훑었다. 가속acceleration부터 W, Z입자particles까지 131개가 실렸다. 각 꼭지마다 말미에 〈이 장에서 배운 다섯 가지〉를 배치하여 독자의 이해를 도왔다. 중요한 부분만을 정리해준 덕에 극단적인 문과 기질의 나에게 도움이 되었다. 과학저술가는 말했다. “우주의 기본 구성 성분은 물질이고 에너지와 질량을 물질이 지닌 속성으로 여겨 온 인류의 오랜 믿음은 포기해야 한다.”