물리지 않는 물리학

| 감수자의 글 | 물리학도 재미있을 수 있다!_ 오스가 겐

Part 1 | 물리학, 최첨단의 날개를 달고서

인간의 어떤 상상도 뛰어넘는 기묘한 물리학 세계
인간의 지식욕은 끝이 없다 l 큰 괴물 거북이나 코끼리가 지구를 떠받친다고? l
뉴턴도 우물 안 개구리였다 l 자연의 흥미로움과 신비를 알려주는 현대 물리학 l
새로운 이론은 늘 상식을 벗어난다

우주에는 끝이 있을까?
“우주는 휘어 있다”, 아인슈타인의 우주론 l ‘휘어짐이 마이너스인 면’은 말의 안
장 모양이다 l 우리에게는 공간의 휘어짐이 보이지 않는다 l 앞을 보면 자신의 뒤
통수가 보이는 불가사의한 공간 l 은하계가 한 번 회전하려면 2억 년이 걸린다 l
우주 전체의 별의 개수는 1조의 1,000억 배 l 아인슈타인의 예상을 뒤엎은 실측
결과

우주는 팽창하고 있다
20억 광년 떨어진 성운도 망원경으로 볼 수 있다 l 우주의 나이는 250억 살, 크기
는 반지름이 50억 광년 l 우주 바깥에는 물질도 공간도 없다

Part 2 | 미시 세계는 상식을 파괴한다

물질의 최소 단위는 무엇일까?
먼지 한 톨에도 하나의 우주가 있다 l 전기력을 이용하면 원자도 두 부분으로 나
눌 수 있다 l 1세제곱센티미터 상자에 원자핵을 채우면 1억 톤이나 된다 l 원자의
성질은 전자가 결정한다

미시 세계의 불가사의
이중인격의 괴물, 소립자 l 수면 위 기름의 반사로 빛이 파동임을 알 수 있다 l 소
립자의 크기는 1조분의 1밀리미터 l ‘빛은 파동’이라는 확신이 무너지다 l “빛은
입자다”, 아인슈타인의 광양자설 l “열려라, 참깨!”의 현대판, 자동문 l 빛, 마
침내 ‘소립자 클럽’에 가입하다

얼마나 작은 것까지 보일까?
미시 세계를 들여다보는 방법 l 광학 현미경의 한계 l 물리학 역사상 최대 발견 중
하나, 드브로이의 물질파 l 미시 세계의 벽을 부순 전자 현미경 l 전자 현미경으
로도 보이지 않는 기묘한 원자의 구조 l 만일 전자 현미경으로 원자 내부를 본다
면 l 핵외 전자는 유령처럼 운동한다

Part 3 | 물리학은 자연의 본질을 해명했다

단념은 포기가 아니다
알 수 있을까, 알 수 없을까? 그것이 문제로다 l 보는 것만으로 물체의 운동에 변
화가 일어나다 l ‘단념’은 ‘창조’의 모체

위치와 속도의 새로운 관점, ‘불확정성 이론’
우리가 더 이상 정확히 알 수 없다는 한계 l 왜 소립자는 파동의 모습으로 나타날
까? l 전자는 구름 덩어리를 만든다 l 하나의 전자는 두 곳 이상의 장소에 동시에
존재한다 l 야구공에도 파장이 있다

자연의 안정을 지키는 플랑크 상수
양자 역학이 어려운 학생은 ‘h’에 약한 학생 l 발표 당시 누구도 알아주지 않았던
플랑크의 발견 l 별, 지구, 인간 모두 플랑크 상수 덕분에 존재한다 l 유카와 박사
만 껄껄 웃어대던 ‘일부다처제’

Part 4 | 우주의 수수께끼를 푸는 소립자의 활약

별은 영원히 빛날까?
우주는 소립자에서 시작되었다 l 납보다 무거운 수소 가스의 형성 l 수소 가스의
핵융합 반응으로 별이 태어나다 l 매초 약 6억 6,000만 톤의 수소를 태우는 태양
l 70억 년 뒤에는 별도 태양도 완전히 타버린다

우주의 방랑자들
우주선의 고에너지를 전력으로 바꾸면? l 우주선은 신성, 초신성의 폭발로 발생
한다 l 우주의 거대한 자기장의 작용, ‘페르미 가속’ l 우주선이 우주선이 될 때
까지는 수천만 년이나 걸린다 l 우주의 신비를 푸는 중성미자

Part 5 | 시간이 느려지고 공간이 줄어드는 세계

빛은 진공 속을 전파한다
우리의 몸은 매분 약 100개의 뮤 중간자가 관통한다 l 준광속도 로켓이라면 50
년 동안 2,500광년을 날 수 있다 l 물체의 속도란 무엇인가 l 아무리 빨라도 빛을
따라잡을 수는 없다

절대성의 부정, ‘특수 상대성 이론’
1미터의 막대기는 10미터의 막대기이기도 하다 l 속도가 높아지면 물체는 수축
하고, 증가하며, 지연된다 l 준광속도 로켓 내부의 50년은 지구상의 2,500년 l
걷는 사람의 시계는 느리게 간다, 뫼스바우어의 실험 결과 l 전자가 광속도로 날
면 지구보다 무거워진다

지구 인력에 의한 시간 지연
창시자 아인슈타인도 이해할 수 없었던 ‘일반 상대성 이론’ l 우주 정거장은 상대
성 이론의 실험실 l 만유인력은 공간을 휘게 한다 l 뉴턴이 설명할 수 없었던 천체
현상의 수수께끼 l 1층에 사는 사람이 4층에 사는 사람보다 오래 산다

우주의 신비
우라시마 타로보다 고독한 사람들 l 두께 1미터의 납 벽을 뚫는 수소 원자 l 우주
에는 고등 생물이 존재한다 l 생명의 기원은 방사선일까? l 우주인이 발신하는
전파를 탐지하는 미국의 오즈마 계획

Part 6 | 물질 세계의 끝을 찾아서

전자 현미경으로도 보이지 않는 것을 알아내는 방법
물질의 궁극에는 무엇이 있을까? l 미스 인터내셔널을 전자계산기로 결정한다?
l TV 속에도 전자 가속기가 있다 l 길이 2마일의 기계로 미시 소립자를 조사하다

미시 세계에 존재하는 거대한 힘
유카와 박사의 예언은 적중했다 l 원자폭탄의 에너지원 l 원자핵 분열을 일으키
는 법 l 원자력은 왜 강력할까? l 파이 중간자는 완전 범죄의 피해자 l 조물주에
게 빚을 지고 있는 파이 중간자 l 사람이나 소립자나 얼굴만 보고 판단할 수 없다
l 유카와 이론은 이렇게 실증되었다 l 세계적 수준에 도달했던 전쟁 전 일본의 양
성자 가속기 l 하루 1억 엔이 드는 미국의 거대한 양성자 가속기

소립자는 과연 궁극의 물질인가
눈에 보이지 않는 소립자에도 발자국은 있다 l 소립자의 발자국을 보는 장치 l 내
가 과학자가 된 동기는 ‘윌슨 안개상자’ l 주전자 물이 갑자기 끓어오르는 현상은
우주선 때문이다 l 명탐정과 물리학자는 발자국을 통해 범인을 검거한다 l 자연
의 궁극 입자는 중성미자 입자인가

Part 7 | 진공 세계에서는 ‘무’에서 ‘유’가 생긴다

진공은 무無가 아니다
납 속도 빈틈투성이 l 물질이 존재하지 않는 진공은 없다 l 전기장과 자기장 모두
광자가 만들어낸다 l 만유인력은 소립자의 흐름이다

자연은 한없이 심오하다
전자는 순간적으로 사라지는 것 l 진공은 소립자로 가득 차 있다 l 현대 물리학
은 감각으로 파악할 수 없는 하나의 예술 l 만유인력도 차단할 수 있다 l 끊임없이
전파를 발사하는 라디오 성운 l 우주는 하나의 소립자에서 태어났다 l 반우주는
정말 존재할까? l 물리학을 진보하게 한 것은 지식보다 상상력

| 이 책의 복간을 앞두고 | 물리 낙오자에게도 특별했던 책_나가타 가즈히로