우주론은 현대 물리학의 총합
입자물리학 ‒ 양자 역학 ‒ 상대성 이론을 한 권에
우주의 ‘속살’과 과학자의 ‘숨결’을 느낀다

우주에 대한 관심이 부쩍 뜨거워졌다. 우주 관광 상품이 나온다는 소식이 들리고, 심지어 화성에 거주할 사람들을 모으는 화성 이주민 프로젝트 이야기도 나오고 있다. SF 소설이나 영화에서나 다뤄질 법한, 실제로 현실이 되리라고는 믿지는 않았던 일들이 현실화될지도 모른다는 기대(혹은 우려)가 커지고 있는 것이다. 더구나 과학적 사실에 토대를 둔 < 그래비티 >, < 인터스텔라 > 같은 영화들이 인기를 끌면서 지구 바깥의 공간에 대한 호기심이 증폭되고 있다. 과학에 별 관심이 없는 일반인들도 ‘빅뱅’이니 ‘블랙홀’이니 ‘암흑 물질,’ ‘우주 팽창’ 같은 우주론에 등장하는 용어들을 낯설지 않게 받아들이고 있다. 이제 우주는 텅 비고 까맣고 막연하며 두렵기만 한 우리와는 동떨어진 대상이 아니라 탐구하고 개척하고 언젠가는 우리가 이주해야 할 보다 친근한 ‘이웃’이 되었다. 비록 아직은 겨우 걸음마를 뗀 단계이지만 각국이 우주 개발 경쟁을 벌이고 투자를 늘리면서 이런 경향은 더욱 가속화할 것이다.

관심은 앎에 대한 욕구를 부른다. 우주에 대한 관심이 높아지면서 우주를 제대로 알고 싶어 하는 이들도 늘고 있다. 우주론을 다룬 과학서들이 꾸준히 서점에 깔리는 이유다. 하지만 단편적으로 우주론의 각론을 다룬 책들은 많지만, 우주를 총체적으로 조망해 주는 책은 흔치 않은 게 사실이다. ‘우주론은 현대 과학의 총합’이라고 할 수 있다. 특히 현대 물리학의 거의 모든 분야가 우주론에 관여한다. 이 책 ≪우주, 시공간과 물질≫은 바로 그런 관점에서 출발하고 있다. 현대 물리학은 입자물리학, 양자 역학, 상대성 이론이라는 세 개의 큰 기둥으로 이루어져 있다. 이 세 기둥을 제대로 이해할 때 우주론도 온전하게 이해할 수 있다. 다시 말하면 가장 작은 세계, 즉 물질의 최소 단위인 원자와 그 원자 안의 세계가 어떤 원리로 작동하고 있는지를 밝히는 물리학(입자물리, 양자 역학)과 가장 큰 세계, 즉 우주라는 거대한 공간이 어떤 원리에 따라 작동하고 있는지를 밝히는 물리학(상대성 이론)을 결합할 때 우주에 대해 제대로 알게 된다. 가령 ‘빅뱅’ 이후 아주 짧은 시간 동안 공간과 시간이 어떻게 만들어졌고 그 와중에 물질은 어떻게 형성되었는지를 알려면 이 세 학문을 결합시켜야만 제대로 된 접근을 할 수 있다.

그래서 이 책은 우주론에 관한 ‘표준 교과서’라고 할 수 있다. 과학사의 일화나 단편적인 재미를 쫓기보다는 우주의 ‘속살’을 보여 준다는 입장에서 서술되었다. 그러다 보니 일반 교양 과학서와는 차별화된 점을 가질 수밖에 없다. 특히 물리학적인 내용을 이해하기 위해 필수적인 수학을 담고 있다. 수학은 과학의 기본 언어인데, 수학을 배제하면 제대로 전달되지 않는 내용이 있기 마련이다. 흔히 ‘수식을 사용하지 않은 것’을 교양 과학서의 규칙이라도 되는 양 이야기하지만, 이 책에서는 그런 상식을 벗어나고자 했다. 물론 수학에 의존하지 않고 일반인에게 과학 이론을 이해시키려는 시도가 나쁘거나 잘못된 것은 아니다. 하지만 최소한의 수학도 언급하지 않은 채 과학 이론을 이해하는 것은 단지 ‘비유’를 통해 과학을 이해하는 것에 불과할 뿐이어서 한계가 있을 수밖에 없다. 비유는 비유일 뿐, 실체와는 동떨어진다. 그런 면에서 이 책은 평소 교양 과학서의 깊이에 갈증을 느낀 독자들에게는 갈증을 해소시킬 수 있는 단물이 될 것이다. 이 책에 사용된 수식은 고등학교 수학 과정을 이수한 사람이라면 따라잡을 수 있게 서술되었지만, 혹여 수학적인 내용을 이해하지 못하더라도 전체를 이해하는 데는 무리가 없다. 수식을 따라가면서 ‘느끼는 것’만으로도 우주에 대한 이해의 폭이 훨씬 달라질 것이다.

이처럼 우주론의 속살을 보여 주고 과학자들의 숨결을 제대로 느낄 수 있는 이 책은 내용 또한 방대하다. 상대성 이론, 양자역학, 입자물리학, 우주론을 모두 포괄하기에 일반 과학서 네 권을 한 권에 모아놓은 셈이 되었다. 이 책이면 우주를 이해를 하는 데 다른 책을 찾아보는 수고를 덜 수 있을 것이다. 또한 우주와 소립자에 대한 내용으로 시작하는 개편된 고등학교 교육 과정의 고교 공통과학과 물리 교과를 담당하는 일선 교사들과 학생들에게도 도움을 줄 것이다.

지은이
김항배는 서울대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학원에서 입자물리학 이론으로 박사 학위를 받았다. 마드리드 자치대학교, 한국과학기술원, 랭커스터 대학교, 로잔 공과대학교에서 박사 후 연구원을 지냈으며, 현재 한양대학교 물리학과 교수로 있다. 입자물리학 현상론, 우주론, 암흑 물질, 우주선 등의 주제로 다수의 논문을 발표했으며, 입자천체물리학과 우주론에 대한 연구를 하고 있다. 한국물리학회, 아태이론물리센터 등이 주최하는 대중 강연도 하고 있다.

차례
1장 하늘의 이해
1. 땅은 평평할까 | 2. 너무나 먼 하늘 | 3. 천체는 움직인다: 행성의 운동 | 4. 하늘이 도는가, 땅이 도는가 | 5. 코페르니쿠스의 혁명 | 6. 티코의 관측 | 7. 케플러의 행성 운동 법칙 | 8. 갈릴레이, 망원경으로 하늘을 들여다보다 | 9. 하늘의 법칙을 알아낸 뉴턴의 운동 법칙과 중력 법칙 | 10. 하늘의 법칙이 땅의 법칙이 되다
2장 우주의 크기
1. 각과 거리 | 2. 지구의 크기 | 3. 태양계의 크기 | 4. 별의 거리 | 5. 세페이드 변광성 | 6. 우리 은하의 크기와 모습 | 7. 외부 은하와 팽창하는 우주 | 8. 우주의 모습
3장 시공간과 상대성
1. 물체의 운동과 관성계 | 2. 갈릴레이 상대성 | 3. 빛과 상대성 | 4. 마이켈슨–몰리 실험 | 5. 특수 상대성, 시간 팽창과 길이 수축 | 6. 로렌츠 변환과 민코프스키 공간 | 7. E＝mc2 | 8. 뉴턴 중력과 특수 상대성 | 9. 등가 원리와 일반 상대성 | 10. 시공간의 기하학으로서의 중력 | 11. 리만 기하학 | 12. 아인슈타인 방정식
4장 원자와 양자 역학
1. 원자의 발견 | 2. 전자의 발견 | 3. 빛은 파동인가 입자인가 | 4. 뜨거운 물체가 내는 빛 | 5. 빛과 전자의 만남: 빛, 파동에서 입자가 되다 | 6. 전자는 입자인가 파동인가 | 7. 파동–입자 이중성과 확률 해석 | 8. 슈뢰딩거 방정식 | 9. 원자의 구조와 안정성 | 10. 원자가 내는 빛 | 11. 각운동량과 스핀 | 12. 보손과 페르미온 | 13. 원자와 물질
5장 소립자와 표준 모형
1. 대칭성, 군과 표현 | 2. 특수 상대성과 양자 역학 | 3. 양자장론 | 4. 게이지 대칭성 | 5. 원자핵 | 6. 소립자의 세계 | 7. 입자물리 표준 모형 | 8. 더 작은 세계
6장 팽창하는 우주
1. 우주론 | 2. 우주의 모습 | 3. 팽창하는 우주 | 4. 우주는 영원한가, 무한한가? | 5. 우주의 물질 | 6. 팽창과 우주의 온도 | 7. 우주의 열 역사 | 8. 바리온 비대칭성과 바리온 창조 | 9. 약한 상호 작용과 중성미자 분리 | 10. 빅뱅 핵합성 | 11. 우주 배경 복사 | 12. 구조 형성과 우주 배경 복사 비등방성 | 13. 우주론, 정밀 과학이 되다
7장 우주의 시작과 끝
1. 빅뱅 우주의 시작 | 2. 빅뱅 우주의 문제점 | 3. 암흑 물질 | 4. 암흑 에너지 | 5. 급팽창 | 6. 우주의 시작과 끝 | 7. 우주를 이해한다는 것