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가장 작은 것부터 가장 먼 곳까지
송은영 지음 | 2022년 9월 28일
브랜드 : 살림
쪽수 : 176 쪽
가격 : 15,000 원
책크기 : 145*215
ISBN : 978-89-522-4688-2-03400
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가장 작은 원자 속 세계부터
우주의 가장 먼 과거와 가장 먼 끝까지―

아인슈타인의 상대성이론과
플랑크의 양자론이 열어젖힌 현대과학의 세계!
빛의 속도로 달릴 수 있다면?
물질이 에너지고 에너지가 물질이라면?
“달아나는 자동차를 뒤쫓아 가면 자동차가 느려 보인다. 뒤쫓는 속도가 자동차의 속도와 같으면 자동차가 정지해 있는 것으로 보일 것이다. 만약 빛의 속도로 빛을 쫓아가면 어떻게 될까?”
이 간단한 물음이 뉴턴의 시대를 닫고 현대과학이라는 새 장을 열었다. 시간과 공간이 별개가 아니라는 데서 더 나아가 “공간은 중력에 의해 휘어 있고, 휜 공간에선 빛이 직진하지 않는다”고 한 아인슈타인의 예측은 1919년 5월 29일의 개기일식 때 관측에 의해서 입증되었다. 아인슈타인의 상대성이론과 중력장이론은 천체물리학이 가장 먼 과거인 우주의 탄생과 가장 큰 공간인 우주의 끝을 탐구할 수 있도록 업그레이드해 주었다.
“입자와 파동과 에너지는 하나다.”
플랑크의 양자론을 바탕으로 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 드브로이가 발전시킨 이론이다. 어떻게 그럴 수 있는가? 원리는 아주 단순하다. 일상의 세계에서 상상조차 할 수 없는 일들이 원자보다 작은 세계에서는 가능하다는 것. 이 발견 덕분에 물리학과 화학은 ‘물질과학’으로 통합되었고, 이제는 생물학과 지구과학의 현상들조차 화학을 통하지 않고는 설명할 수 없게 되었다.
『가장 작은 것부터 가장 먼 곳까지』(송은영 지음)는 어려운 현대과학의 세계를, 과학사의 굵직한 인물들의 이야기로 쉽게 풀어 쓴 책이다. 현대과학의 문을 연 상대성이론의 아인슈타인, 양자론의 플랑크부터 21세기 천체물리학의 발견들까지, 과학자들의 삶과 생각, 실패와 성공 이야기를 따라 읽다 보면 어느덧 복잡한 현대과학 이론의 바탕이 된 생각들을 이해할 수 있게 구성했다. 책장을 넘길 때마다 나오는 그림과 그래프들이 어려운 이론을 한눈에 파악할 수 있도록 도와준다.

빛이 그늘을 이기게 하려면
물질이 에너지이고 에너지가 물질이라면, 물질의 질량을 엄청난 에너지로 바꿀 수도 있다. 아인슈타인의 유명한 ‘엠씨스퀘어’, E=mc2 공식이다. 1945년 일본 히로시마와 나가사키에서 터진 인류 최초의 원자폭탄도 상대성이론과 양자론이 있었기에 가능했다.
“죽음의 신을 만들었구나!”
최초의 원자폭탄 실험인 ‘맨해튼 프로젝트’에 참여한 과학자들의 불길한 예감이 현실이 되었다. 옛 소련의 체르노빌 원자력 발전소 사고와 최근 러시아의 우크라이나 침공에 따른 핵전쟁 공포는 현대 과학기술이 인류의 삶에 드린 그림자다.
그러나 빛이 있기에 그늘도 가능한 법. 원자력 발전과 의료기기에 활용되는 원자력의 장점은 인류가 지혜를 모으면 충분히 통제할 수 있는 원자폭탄·수소폭탄의 공포보다 눈부시다.
물리학과 화학 외에 인류의 삶을 커다랗게 증진시킨 현대과학의 대표적인 발명발견으로 책은 인공 비료(질소 비료)와 페니실린을 함께 소개한다. 인공 비료의 발명으로 인류는 300만 년 역사에서 처음으로 배고픔에서 해방됐고, 페니실린은 수많은 인류가 질병의 공포에서 벗어나 천수를 누리게 해 주었다.
현대과학의 발전은 앞으로 더 얼마나 인류의 삶을 복되게 하고 인간의 시야를 ‘가장 작은 세계’부터 ‘가장 먼 우주의 끝’까지 넓혀 줄 수 있을까? 단추 하나로 인류를 순식간에 파멸로 이끌 수 있는 과학기술의 ‘그늘’을 없애기 위해 인류는 어떻게 지혜를 모아야 할까?
책머리에

제1장 상대성이론
1. 아인슈타인의 등장
2. 특수상대성이론의 탄생
3. 일반상대성이론의 탄생
4. 상대성이론의 검증

제2장 양자론
1. 플랑크와 에너지양자
2. 아인슈타인과 광양자
3. 보어와 전자 궤도
4. 하이젠베르크와 행렬역학
5. 드브로이와 물질파
6. 슈뢰딩거와 파동방정식

제3장 원자력
1. 페르미와 저속 중성자
2. 우라늄 원자핵 분열
3. 시카고 실험

제4장 맨해튼 프로젝트와 2차대전
1. 과학자들의 대탈출
2. 아직은 느긋한 미국
3. 미국의 본격적인 행보
4. 암호명 ‘트리니티’
5. 원자폭탄과 전쟁의 종식

제5장 20세기 천체물리학
1. 20세기 천체물리학의 출현
2. 별의 최후
3. 중성자별
4. 블랙홀

제6장 인공 비료와 페니실린
1. 식량 문제를 해결하다
2. 질병 퇴치의 꿈을 이루다

쓰고 나서 21세기는 통합과학의 시대
참고 자료
과학에서 ‘고전’과 ‘현대’를 가르는 분기점은 1900년이다. 20세기 이전의 과학은 고전과학, 20세기 이후의 과학은 현대과학으로 구분한다.
현대과학의 포문은 두 이론이 열었다. 하나는 상대성이론이고, 또 하나는 양자론이다. 두 이론은 현대과학을 발전시킨 양대 산맥으로 우뚝 올라섰다. 상대성이론은 거시 세계의 상징인 우주의 신비를 푸는 데 크나큰 기여를 했고, 양자론은 원자보다 작은 세상인 미시 세계의 신비를 푸는 데 결정적인 기여를 했다.
학자들은 양자론과 상대성이론을 합쳐 모든 것의 이론, 즉 ‘만물의 이론’을 완성하려 하고 있다. 21세기는 과학들의 통섭이 이루어지는 통합과학의 시대다.
_책머리에

“태양 주변의 시공간이 왜곡돼 있다면, 시공간이 휘어져 있는 만큼 빛은 더 굽어야 할 것이다. 일식이 일어나는 날 빛이 휘어지는 정도가 얼마나 되는지 정밀히 측정하면 뉴턴의 중력이론이 옳은지 나의 일반상대성이론이 옳은지 검증할 수 있을 것이다.” 4년 뒤인 1919년 5월 29일은 개기일식이 일어나는 날이었다. 뉴턴의 이론대로라면 태양에 가려서 보이지 않았어야 할 별빛이, 공간이 휜 덕분에 굴절되어 사진에 찍혔다. 그 굴절값은 아인슈타인이 예측한 대로였다.
_제1장 〈상대성이론〉, 36~39쪽

“일상에서 빛은 파동이지만, 양자 세상에선 입자다. 파동이 입자가 되는 것이다. 그렇다면 양자 세상에선 입자가 파동으로 변하진 않을까? 전자 같은 입자가 파동의 양상을 띠는 건 아닐까?” 1923년 10월, 드브로이는 이러한 사고실험의 결과물을 세 편의 논문으로 나누어 프랑스 물리학회지에 발표했다. 그리고 이를 한데 모아 파리 대학교 물리학과의 박사학위 논문으로 제출했다. 랑주뱅 교수는 드브로이의 논문을 받아들고 당황했다. 논문을 이끌어 가는 논리가 너무나 파격적이었다. 랑주뱅은 베를린 대학교의 아인슈타인에게 전화를 걸어 자문했고, 아인슈타인은 논문을 읽고 랑주뱅에게 전했다. “루이 드브로이의 연구 결과는 물리학에 드리우고 있는 커다란 장막을 걷어 내는 큰 업적이 될 것 같습니다.”
_제2장 〈양자론〉, 61쪽

“3, 2, 1—” 인류 최초의 원자폭탄이 폭발했다. 황금빛이 까맣게 내리깔린 어둠을 뚫고 트리니티가 대낮처럼 환하게 밝아졌다. 거대한 불덩이가 유기물처럼 끓어올랐다. 불덩어리가 커지며 구름을 뚫고 상승하더니 노랑과 주홍과 녹색이 어우러진 버섯구름이 솟구쳤다. 원자폭탄 폭발 실험은 대성공이었다. 모두가 기뻐했다. 그러나 기쁨도 잠시. 미래의 암울한 그림이 참석자들 뇌리에 선연히 떠올랐다. “죽음의 신을 만들었구나!”
_제4장 〈맨해튼 프로젝트와 세계대전〉, 119~120쪽

지구의 대기 80퍼센트 가까이가 질소다. 대기 중에 퍼져 있는 질소를 끄집어내서 농작물에 제공할 수 있는 방법을 발견하면 식량 위기를 해결할 수 있을 것이다. 하버는 화학 반응에 물리학 이론을 접목시키는 새로운 방법으로 암모니아를 합성하는 데 성공했다. 세계적인 화학 회사인 바스프(BASF)사가 1913년 9월 질소 비료를 대량 생산하는 데 성공했다. 하루 생산 규모는 20톤가량이었다. 이렇게 해서 인류는 자칫 식량 위기에 빠질 뻔했던 고비를 무사히 넘기며 식량 문제를 해결할 수 있게 되었다. 하버는 이 공로를 인정받아 1918년 노벨 화학상을 수상했고, 물리화학의 거장이 되었다.
_제6장 〈인공 비료와 페니실린〉, 158~160쪽

학자들은 양자론과 상대성이론을 합쳐 모든 것의 이론, 즉 ‘만물의 이론’을 완성하려 하고 있다. 양자화학, 양자생물학, 우주 탄생의 비밀, 만물의 이론 등에서 보듯 21세기는 과학들의 통섭이 이루어지는 통합과학의 시대다.
_〈쓰고 나서〉, 170쪽