우주의 가장 위대한 생각들 공간, 시간, 운동

 

책이름 : 우주의 가장 위대한 생각들 공간, 시간, 운동

지은이 : 숀 캐럴

옮긴이 : 김영태

펴낸곳 : 바다출판사

 

CHAPTER 1 보존. 가장 기본적인 예측가능성 보존conservation. 보존은 어떤 것이 변하지 않는다는 의미. 운동량 벡터의 방향은 속도 벡터의 방향과 같으며, 두 벡터의 크기는 비례. 비례란 한 물리량에 곱하기를 하여 얻은 변화가 다른 물리량에 곱하기를 하여 얻은 변화를 내포하고 있음을 의미. 1687년 아이작 뉴턴은 ‘고전역학’이라는 최초의 완전한 물리학 법칙들로 이루어진 이론을 소개. 독일 수학자 에미뇌터는 보존법칙들이 자연법칙의 대칭성과 관련이 있다는 정리를 증명.

CHAPTER 2 변화. 미적분은 무한히 작은 양을 다루는 수학적 도구. 뉴턴의 『프린키피아Principia』는 고전역학의 체계를 확립, 중력에 관한 완벽한 법칙을 제공, 케플러의 법칙을 유도, 미적분으로 알려진 것을 처음으로 암시. ‘라플라스의 패러다임’은 계에서 앞으로 일어날 일들 또는 과거에 일어났던 일들을 결정하는데 필요한 모든 정보가 각 순간의 계의 상태state에 들어있다는 것. 도함수는 특정한 한 점에서의 곡선의 기울기를 말하며, 이 점에서 접선에 점점 더 가까워지는 연속한 직선들의 기울기의 극한을 취한 값.

CHAPTER 3 동역학. 동역학은 구체적으로 물리학 방정식들을 따르는 변화에만 관계된다는 것. 마찰이 없는 이상화된 세계에서는 공이 두 반환점 사이에서 영원히 왔다갔다하는 운동―단조화 진동자. 계의 모든 가능한 위치와 운동량의 집합은 계의 위상공간phase space. 선호하는 위치나 정지 표준이 우주에 존재하지 않는다는 사실―상대성 원리. 갈릴레오의 상대성이론의 기초 위에 만들어진 뉴턴 역학.

CHAPTER 4 공간. 공간은 물질 그 자체가 아니라 양자 얽힘에 의해 생긴 존재. 좌표들은 인간의 발명품이며 공간의 다른 위치들에 붙이는 표지와 같은 것들. 퍼텐셜에너지와 운동 에너지의 도함수를 각각 구하여 운동량과 위치에 대한 운동 방정식을 얻을 수 있다. 공간이 특별한 것은 상호작용들이 위치 국소성을 가지기 때문.

CHAPTER 5 시간. 시간은 우주에 우리를 위치시키는 방법의 한 부분. 시공간이라는 개념은 20세기초 상대성이론의 한 부분으로 발명. 1927년 영국 천문학자 아서 에팅턴이 붙인 ‘시간의 화살arrow of time'. 우주 전체를 포함한 닫힌계의 엔트로피entropy가 시간에 따라 증가. 계의 많은 특정한 상태들을 그룹화하여 하나로 기술한 후, 무슨 일이 일어날지 이해하고 우리가 할 수 있는 최선의 예측을 하는 기술을 사용―대충 갈기coarse-graining.

CHAPTER 6 시공간. 특수상대성이론은 중력이 없는 고정되고 평평한 시공간에 관한 이론. 일반상대성이론은 곡률이 중력을 생성하는 역동적인 시공간에 관한 이론. 네덜란드 물리학자 헨드릭 안톤 로런츠의 이름을 딴 ‘로런츠 변환’―움직이는 관찰자에게 새로운 죄표계를 부여하는 것은 보통의 공간에서 직교 좌표계를 회전시키는 것과 유사, 좌표 변화를 유한한 질량을 가진 물체를 광속에 가깝게 가속하기 위해서는 무한한 양의 에너지가 필요.

CHAPTER 7 기하학. 리만기하학Riemaniann geometry에서 나오는 아인슈타인의 상대성이론 방정식들. 아인슈타인은 오랜 친구 기하학 연구가 마르셀 그로스만에게 기하학을 충분히 배워 일반상대성이론을 체계화. 다양체manifold―매끄럽게 연결되어 어떤 특정한 차원을 가진 공간을 이루는 무한개의 점들의 집합.

CHAPTER 8 중력. 물체에 작용하는 힘은 질량과 물체의 가속도를 곱한 것과 같은 뉴턴의 제2법칙. 뉴턴의 중력의 역제곱 법칙은 두 물체 사이의 중력은 각 물체의 질량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례. 모든 입자는 그 질량에 정확히 비례해 중력에 반응하며, 중력은 항상 끌어당기는 힘. 시공간은 휘어져있고 가속운동을 하지 않는 물체는 이 휘어진 다양체의 측지선을 따라 움직이는 일반상대성이론. 중력체로부터 나온 빛은 에너지를 잃고 원래 파장보다 더 긴 파장으로 이동―중력 적색변이.

CHAPTER 9 블랙홀. 시공간 영역이 아주 극적으로 휘어있어 빛조차도 빠져나올 수 없는 블랙홀black hole. 독일 물리학자·천문학자 카를 슈바르츠실트는 아인슈타인의 일반상대성이론 방정식을 풀어 블랙홀을 예측. 슈바르츠실트 반지름은 ‘사건의 지평선’이라고 부르는 표면을 정의하고, 사건의 지평선 내부의 시공간 영역은 블랙홀. 2015년 레이저간섭계중력파관측소LIGO는 유럽 비르고관측소Virgo Observatory와 협업 연구하여, 대략 10억광년 떨어져서 서로 주위를 공전하던 태양 질량 36배 질량을 가진 블랙홀과 29배 질량을 가진 블랙홀이 합쳐지면서 생긴 중력파를 탐지.

내가 세 번째 잡은 미국 이론물리학자·과학철학자 숀 캐럴 (Sean Carroll, 1966- )의 책은 ‘우주의 가장 위대한 생각들’ 시리즈 3부작의 첫째 권이었다. 책은 17세기 뉴턴에 의해 성립된 고전역학부터 20세기 아인슈타인이 발견한 특수상대성이론과 일반상대성이론을 다루었다. 공간, 시간, 변화의 본질에 답하는 고전역학에서 휘어진 시공간에 관한 블랙홀과 중력파같은 전체 현상까지 최신의 물리학이 거둔 성과를 담았다.

시리즈의 목적은 기존의 교양과목 도서들이 은유와 모호한 해석에 의존해 현대물리학을 간접적으로 소개한 반면, ‘우주의 가장 위대한 생각들’ 시리즈는 주요 방정식들을 직접 들여다보고 그 의미를 살피면서 현대물리학의 이해를 도울 것이라고 했다. 시리즈 두 번째 책 『양자와 장』(2025. 6)이 출간되었다. 수식 앞에서 머리가 지끈거리는 수포자인 나에게 버거운 책읽기였다. 극단적 문과 성향이지만 나의 편집증은 군립도서관 희망도서로 신청할 것이다.