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[도서]다정한 물리학

해리 클리프 저/박병철 역
다산사이언스 | 2022년 08월

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책을 읽다보면 모르는 게 아는 걸로 바뀌기도 하지만 무지가 더 확실해지는 기분이 들 때도 있다. 이번에 읽은 다정한 물리학이 그랬다.

이 책의 저자이고 케임브리지대학교의 물리학 교수인 입자물리학자 해리 클리프(Harry Cliff)는 세계에서 가장 큰, 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)실험 프로젝트의 멤버로 2013년 힉스 입자 발견에 한 축을 담당했다. 이때의 경험으로 TED에서 현대 물리학의 끝과 다음이라는 강의를 했는데 이 강의로 대중을 위한 커뮤니케이터로도 인정받았다. 그는 지금도 제네바 지하 100미터 아래에서 거대 입자 탐지기 실험을 이어 가고 있다.

(책날개 저자소개 참조)

 

책날개의 저자소개란에서 발췌했는데 용어부터 모르는 게 많아서 검색해봤다.

입자물리학(particle physics)이란 물질과 방사선 등 자연의 기본 입자를 연구하는 물리학의 한 분야이며, 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)란 우주 탄생 직후 상황인 빅뱅을 재현시켜 우주 탄생의 비밀을 알아내기 위한 실험장치라고 한다. , 저자는 우주 탄생 직후의 상황을 재현시킴으로써 물질의 기원을 연구하는 물리학자이다.

 

책의 원제는 <How to make an apple pie from scratch>로 우주의 근원을 찾는 과정을 아무것도 없는데서 사과파이 만드는 과정에 비유하고 있다. 이 제목은 코스모스의 저자 칼 세이건이 TV시리즈에서 우주 물질의 예로 사과파이를 보여주며 원자론을 설명한데서 유래한다. 한국어 제목의 부제는 <거대한 우주와 물질의 기원을 탐구하고 싶을 때>인데 막연하게 다정하다는 제목보다는 책의 내용을 설명하는데 더 적합한 듯하다.

고대 그리스 시대부터 물질의 기원을 찾고자 하는 인간의 노력은 꾸준히 있어왔고 지금도 계속되고 있다. 이 책은 그 물음에 대한 현대 물리학의 답을 알려준다. 그리고 아직 밝혀내지 못한 부분도 소개한다.

 

현대 물리학이 알아낸 것들

 

이 세상 만물은 원자로 이루어져있고 모든 원자는 근본적으로 같은 재료로 구성되어 있다. 작지만 무거운 원자핵과 그 주변을 도는 가벼운 전자라는 입자가 그것이다. 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져있는데, 원자핵 안에서 붕괴 현상이 일어나면 중성자는 양전하를 띤 양성자로 바뀌고 음전하를 띤 전자가 외부로 방출된다.

양전하의 수는 음전하를 띤 전자의 수와 일치한다. 원자의 화학적 특성은 원자핵에 들어있는 양전하의 수에 의해 결정된다. 양성자와 전자, 중성자를 조합하면 수소에서 우라늄에 이르는 모든 원자를 만들 수 있다.

양성자와 중성자는 쿼크로 이루어져 있다. 결국 물질은 전자와 위쿼크, 아래쿼크 그리고 이들을 결합시키는 매개입자인 광자, 글루온과 이 모든 입자들에게 질량을 부여하는 힉스입자로 구성되어있다.

 

대형강입자충돌기에서 발견된 힉스입자는 빅뱅이 일어나고 1조분의 1초가 지난 시점에 우주에서 어떤 일이 일어났는지를 말해준다. 그 덕분에 우리는 이 시기에 힉스장의 스위치가 켜지면서 기본입자들에게 질량을 부여하고, 우주의 기본 구성요소의 초기 조건이 세팅되었음을 알게 되었다. 그러나 빅뱅 직후부터 1조분의 1초 사이에 일어난 일은 여전히 미지로 남아 있다.

(p.325)

 

현대 물리학의 과제

 

빅뱅 후 100만분의 1초 동안 우주는 엄청나게 뜨거워서 입자와 반입자가 끊임없이 생성되고 파괴되었다. 그러는 사이 우주는 엄청난 속도로 팽창하면서 온도가 급격히 떨어졌고 100만분의 1초가 지난 시점에는 입자와 반입자가 만나 소멸되므로 우주는 텅 비고 몇 개의 광자만 남아야한다. 그러나 입자의 1000억분의 1이 살아남아 은하와 별, 행성, 인간, 그리고 사과파이가 되었다. , 입자와 반입자(또는 물질과 반물질)의 양이 똑같다면 모든 게 무의 상태가 되어야하는데 우주엔 분명 물질이 존재한다. 이것이 현대물리학의 가장 큰 미스터리이다.

이에 대해 러시아의 이론물리학자 안드레이 사하로프는 우주초기에 물질이 생성되기 위한 조건으로 세 가지를 제시한다.

 

  • 반쿼크보다 많이 만들어지는 과정이 존재해야 한다.
  • 반물질을 연결하는 대칭은 불완전해야 한다.
  • 생성 과정이 진행될 때, 우주는 열적평형상태에서 벗어나 있어야 한다.

(p.331)

 

책의 뒷부분엔 우주 탄생의 순간을 설명하는 궁극의 이론을 찾기 위한 대통일이론, 끈이론과 다중우주 개념도 등장한다. 저자는 각 이론의 타당성과 문제점을 지적하지만 내겐 너무 어려운 이야기이다.

저자는 대중을 위한 커뮤니케이터라는 명성에 걸맞게 여러 과학자들의 에피소드를 등장시키고 사과파이라는 친근한 음식을 물질의 대표로 삼으면서 되도록 편안하게 설명하고 있다. 기초지식이 부족한 내겐 난해한 내용이었지만 그렇지 않은 독자가 본다면 재미있게 배울 수 있을 것 같다.

 

전에 어떤 서평쓰기 책에서 책의 내용을 70퍼센트도 이해할 수 없으면 서평을 쓰지 말라고 하는 걸 본적이 있다. 살짝 주눅 들게 하는 발언이다. 내 의견은 조금 다르다.

책을 읽고 멋지게 분석해서 좋은 서평을 쓰면 더할 나위 없겠지만 과알못이 입자물리학책을 읽고 어떻게 받아들이는지를 밝히는 어설픈 감상문도 나무랄 일은 아니라고 생각한다. 무지를 드러내는 부끄러움은 감수해야겠지만 말이다.

 

 

<YES24 리뷰어클럽 서평단 자격으로 작성한 리뷰입니다.>

 

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