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품목정보
| 발행일 | 2015년 12월 08일 |
|---|---|
| 쪽수, 무게, 크기 | 188쪽 | 258g | 133*198*11mm |
| ISBN13 | 9788957334720 |
| ISBN10 | 8957334726 |
무라야마 히토시 저 / 김소연 역 / 박성찬 감수
|
아카넷
|
2015년 12월 08일
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- 물리학 top20 1주
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저자 : 무라야마 히토시 (村山?)
무라야마 히토시는 2002년에 일본에서 40세 미만의 신진 이론물리학자들에게 주어지는 니시노미야 유카와 기념상을 수상한 소립자 이론의 선두주자이며 기초과학 분야의 젊은 리더 중 한 명이다. 일반 독자들도 쉽게 이해할 수 있는 과학서 집필로 대중들에게도 잘 알려진 인기 작가이기도 하다. 일본 도쿄대학교에서 소립자물리학을 전공한 후 동 대학원 물리학 박사 학위를 받았다. 도호쿠대학교 대학원 이학연구과 물리학과 조수, 로렌스버클리 국립연구소 연구원, 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스 물리학과 조교수, 준교수를 거쳐 현재 같은 대학 물리학과 맥애덤스(MacAdams) 석좌교수다. 또한 도쿄대학교 국제고등연구소 우주의 물리학과 수학 연구소(Kavli IPMU) 초대 소장을 역임했고 현재 특임 교수다.
역자 : 김소연
전문 번역가. 한국외국어대학교 통역번역대학원과 동덕여자대학교에서 공부했으며 현재는 서울외국어대학원대학교 통역번역대학원에 출강하고 있다. 옮긴 책으로《생물과 무생물 사이》,《동적평형》,《아이는 느려도 성장한다》,《새로운 발상의 비밀》,《가능성의 발견》,《모자란 남자들》등이 있다.
감수 : 박성찬
서울대학교를 졸업하고 동 대학원에서 이론물리학으로 석사, 박사 학위를 받았다. 고등과학원(KIAS), 미국 코넬대학교, 일본 도쿄대학교 국제고등연구소 우주의 물리학과 수학 연구소 등에서 박사후 연구원을 지냈다. 2010년 일본 소립자회가 수여하는 ‘젊은 입자물리이론학자상’을 수상했다. 현재 연세대학교 물리학과 교수다.
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하지만 우리는 이 우주에 존재합니다. 그렇다면 원래 같은 수량 존재했던 물질과 반물질 중에서 누군가가 반물질만 한 움큼 집어 물질 쪽으로 옮겨놓은 것은 아닐까요? 그렇지 않고서야 이런 일이 일어날 리 없지 않을까요? 그런데 어쩌면 이 의문이 곧 풀릴지도 모릅니다.
그 열쇠를 쥐고 있는 것은 중성미자라는 작은 입자일 것으로 추측되고 있습니다. 중성미자는 알면 알수록 신비한 성질을 가지고 있으며 암흑물질, 인플레이션과도 깊은 관련이 있을지 모릅니다. 어쩌면 우리가 이 우주에 태어날 수 있었던 것도 중성미자 덕분인지 모릅니다. 뿐만 아니라 힉스입자나 인플레이션, 그리고 암흑물질 등도 우리가 탄생하는 데 필요했다는 사실이 밝혀졌습니다. 지금부터 그 수수께끼를 풀어가며 어떻게 우리가 이 우주에 태어나게 되었는지 생각해 봅시다. --- p.15
물질을 만드는 입자의 수로 세어보니 이 우주에는 중성미자가 가장 많았습니다. 우리 몸을 만드는 양성자, 중성자, 전자 등은 중성미자의 10억 분의 1에 불과합니다. 이 우주는 사실 중성미자가 넘쳐났습니다. 1m3당 300개나 있다는 것은 우주 어디를 가더라도 중성미자가 존재한다는 것을 뜻합니다. 게다가 중성미자는 태양 같은 별로부터 대량으로 방출되어 1초 동안 수백 조 개나 되는 양이 우리의 몸을 통과합니다. 그렇게 방대한 수의 중성미자가 통과하고 있음에도 불구하고 우리는 중성미자를 느낄 수 없고 본 적도 없으며 만진 적도 없습니다. 대체 어찌 된 일일까요? --- p.27
이 우주를 자세히 보면 소립자로 이루어져 있음을 알 수 있습니다. 물론 중성미자도 소립자의 한 종류입니다. 소립자에 대한 얘기를 조금만 하고 넘어갈까요? 앞 장에서 원자의 내부에서는 원자핵 주변을 전자가 돌고 있다고 했습니다. 원자의 크기는 100만분의 1밀리미터 정도라서 우리 입장에서는 아주 작게 느껴지지만 원자핵이나 전자는 더 작습니다. 원자 한가운데에 있는 원자핵의 크기는 전자의 10만 분의 1밖에 되지 않습니다. 원자가 지구만 하다고 하면 원자핵은 야구장 정도입니다. 그리고 그 주변을 야구공보다 작은 전자가 돌고 있습니다. 원자핵도 전자도 원자와 비교하면 아주 작은데 조합했을 때 원자의 크기가 되는 까닭은 원자핵의 주변을 전자가 돌고 있기 때문입니다. 그러므로 원자는 안이 꽉 찬 것처럼 보이지만 사실은 휑합니다. --- p.39
우주가 갓 탄생했을 때는 넘치는 에너지로부터 수많은 물질과 반물질이 생성됐습니다. 물질과 반물질은 반드시 짝을 이루어 태어나는데 소멸할 때도 짝으로 소멸합니다. 그러므로 물질과 반물질이 완전히 행동을 함께한다면 이 우주에는 은하도 별도 우리도 존재할 수 없게 되겠죠. --- p.65
그런데 미국 대통령이 연설에 인용할 정도로 충격적인 중성미자의 무게를 어떻게 측정한 걸까요? 중성미자는 거의 포착이 불가능한 입자입니다. 저울 위에 올려놓을 수도 없습니다. 포착하기도 어려운데 정말 무게가 있기는 한 걸까요?
이때 활약한 것이 기후 현 가미오카 광산에 만들어진 슈퍼 가미오칸데였습니다. 고시바 박사가 초신성에서 방출된 중성미자를 관측했을 때 이용한 가미오칸데의 2세대에 해당하는 장치인데, 이 장치는 대단히 커서 높이가 10층 건물과 맞먹는 40미터에 달합니다.
이 장치가 지하 1킬로미터에 설치되었고 안에는 5만 톤의 물이 저장되어 있습니다. 슈퍼 가미오칸데에서는 이 물 속에서 일어나는 반응을 관찰하기 위해 탱크 벽면에 광전자증배관이라는 지름 50센티미터 정도의 대형 전구처럼 생긴 것을 빼곡히 채워 넣었습니다. 구조는 가미오칸데와 비슷한데 그 안으로 중성미자가 통과하면 가끔 물분자와 반응하여 빛을 발하고, 이를 광전자증배관이 포착할 수 있습니다. --- p.68
이 얘기는 아주 중요하기 때문에 한 번 더 이야기하겠습니다. 왼쪽 돌기 중성미자는 힉스입자에 부딪히면 오른쪽 돌기로 변신해야 하는데 오른쪽 돌기 중성미자는 아직 발견되지 않았습니다. 만약, 중성미자가 계속 왼쪽 돌기인 채로 있다면 힉스입자에 부딪히는 일은 없을 것이므로 중성미자에는 무게가 없다는 결론에 이르렀던 것입니다.
그런데 중성미자에는 무게가 있다는 것을 알게 되었기 때문에 분명히 힉스입자와 부딪힐 것입니다. 그래서 갑자기 사실은 오른쪽 돌기 중성미자도 존재하는 게 아니냐고 생각하게 된 것입니다. 단, 아까도 얘기했듯 오른쪽 돌기 중성미자는 지금까지 한 번도 발견되지 않았기 때문에 아주 무거운 입자일 것으로 추측하고 있습니다. --- p.93
만약, 시계 방향 중성미자가 반중성미자라면 우리가 이 우주에 존재하는 건 중성미자 덕분이라 할 수 있습니다. 물질은 반물질과 만나면 어마어마한 에너지를 방출하며 소멸해 버립니다. 물질과 반물질은 항상 1 : 1로 짝을 이루어 소멸하면서 에너지로 변하고, 그 에너지는 다시 한 쌍의 물질과 반물질을 생성합니다.
갓 태어난 우주에는 엄청난 양의 에너지가 존재했기 때문에 물질과 반물질 둘 다 많았습니다. 물질과 반물질은 항상 짝을 이루어 태어나므로 그 비율은 같았다고 볼 수 있습니다. 그런데 물질과 반물질이 정말 1 : 1로 생겨났다면 우주가 점점 팽창하며 식는 과정에서 물질과 반물질이 다시 만났을 때 1 : 1로 소멸하므로 최종적으로 우주에는 아무것도 남지 않고 텅텅 비게 되겠죠. 하지만 우주는 그렇게 되지 않았고 이렇게 우리가 존재합니다. 어떻게 된 일일까요? --- p.103
탄생 초기의 작은 우주는 세탁기에서 이제 막 꺼낸 쭈글쭈글한 상태에 비유할 수 있습니다. 그런데 인플레이션이 일어남으로써 갑자기 다림질을 한 것처럼 펴져서 에너지가 균일한 상태가 되면서 팽창한 것입니다. 주름이 펴지고 전체가 평평해진 상태에서 빅뱅이 일어났기 때문에 현재의 우주도 거의 균일한 상태인 것입니다. 빅뱅 후의 열의 잔해인 우주배경복사가 거의 요철이 없는 상태인 이유도 인플레이션이 일어났기 때문이라고 생각하면 설명이 됩니다.
그 열쇠를 쥐고 있는 것은 중성미자라는 작은 입자일 것으로 추측되고 있습니다. 중성미자는 알면 알수록 신비한 성질을 가지고 있으며 암흑물질, 인플레이션과도 깊은 관련이 있을지 모릅니다. 어쩌면 우리가 이 우주에 태어날 수 있었던 것도 중성미자 덕분인지 모릅니다. 뿐만 아니라 힉스입자나 인플레이션, 그리고 암흑물질 등도 우리가 탄생하는 데 필요했다는 사실이 밝혀졌습니다. 지금부터 그 수수께끼를 풀어가며 어떻게 우리가 이 우주에 태어나게 되었는지 생각해 봅시다. --- p.15
물질을 만드는 입자의 수로 세어보니 이 우주에는 중성미자가 가장 많았습니다. 우리 몸을 만드는 양성자, 중성자, 전자 등은 중성미자의 10억 분의 1에 불과합니다. 이 우주는 사실 중성미자가 넘쳐났습니다. 1m3당 300개나 있다는 것은 우주 어디를 가더라도 중성미자가 존재한다는 것을 뜻합니다. 게다가 중성미자는 태양 같은 별로부터 대량으로 방출되어 1초 동안 수백 조 개나 되는 양이 우리의 몸을 통과합니다. 그렇게 방대한 수의 중성미자가 통과하고 있음에도 불구하고 우리는 중성미자를 느낄 수 없고 본 적도 없으며 만진 적도 없습니다. 대체 어찌 된 일일까요? --- p.27
이 우주를 자세히 보면 소립자로 이루어져 있음을 알 수 있습니다. 물론 중성미자도 소립자의 한 종류입니다. 소립자에 대한 얘기를 조금만 하고 넘어갈까요? 앞 장에서 원자의 내부에서는 원자핵 주변을 전자가 돌고 있다고 했습니다. 원자의 크기는 100만분의 1밀리미터 정도라서 우리 입장에서는 아주 작게 느껴지지만 원자핵이나 전자는 더 작습니다. 원자 한가운데에 있는 원자핵의 크기는 전자의 10만 분의 1밖에 되지 않습니다. 원자가 지구만 하다고 하면 원자핵은 야구장 정도입니다. 그리고 그 주변을 야구공보다 작은 전자가 돌고 있습니다. 원자핵도 전자도 원자와 비교하면 아주 작은데 조합했을 때 원자의 크기가 되는 까닭은 원자핵의 주변을 전자가 돌고 있기 때문입니다. 그러므로 원자는 안이 꽉 찬 것처럼 보이지만 사실은 휑합니다. --- p.39
우주가 갓 탄생했을 때는 넘치는 에너지로부터 수많은 물질과 반물질이 생성됐습니다. 물질과 반물질은 반드시 짝을 이루어 태어나는데 소멸할 때도 짝으로 소멸합니다. 그러므로 물질과 반물질이 완전히 행동을 함께한다면 이 우주에는 은하도 별도 우리도 존재할 수 없게 되겠죠. --- p.65
그런데 미국 대통령이 연설에 인용할 정도로 충격적인 중성미자의 무게를 어떻게 측정한 걸까요? 중성미자는 거의 포착이 불가능한 입자입니다. 저울 위에 올려놓을 수도 없습니다. 포착하기도 어려운데 정말 무게가 있기는 한 걸까요?
이때 활약한 것이 기후 현 가미오카 광산에 만들어진 슈퍼 가미오칸데였습니다. 고시바 박사가 초신성에서 방출된 중성미자를 관측했을 때 이용한 가미오칸데의 2세대에 해당하는 장치인데, 이 장치는 대단히 커서 높이가 10층 건물과 맞먹는 40미터에 달합니다.
이 장치가 지하 1킬로미터에 설치되었고 안에는 5만 톤의 물이 저장되어 있습니다. 슈퍼 가미오칸데에서는 이 물 속에서 일어나는 반응을 관찰하기 위해 탱크 벽면에 광전자증배관이라는 지름 50센티미터 정도의 대형 전구처럼 생긴 것을 빼곡히 채워 넣었습니다. 구조는 가미오칸데와 비슷한데 그 안으로 중성미자가 통과하면 가끔 물분자와 반응하여 빛을 발하고, 이를 광전자증배관이 포착할 수 있습니다. --- p.68
이 얘기는 아주 중요하기 때문에 한 번 더 이야기하겠습니다. 왼쪽 돌기 중성미자는 힉스입자에 부딪히면 오른쪽 돌기로 변신해야 하는데 오른쪽 돌기 중성미자는 아직 발견되지 않았습니다. 만약, 중성미자가 계속 왼쪽 돌기인 채로 있다면 힉스입자에 부딪히는 일은 없을 것이므로 중성미자에는 무게가 없다는 결론에 이르렀던 것입니다.
그런데 중성미자에는 무게가 있다는 것을 알게 되었기 때문에 분명히 힉스입자와 부딪힐 것입니다. 그래서 갑자기 사실은 오른쪽 돌기 중성미자도 존재하는 게 아니냐고 생각하게 된 것입니다. 단, 아까도 얘기했듯 오른쪽 돌기 중성미자는 지금까지 한 번도 발견되지 않았기 때문에 아주 무거운 입자일 것으로 추측하고 있습니다. --- p.93
만약, 시계 방향 중성미자가 반중성미자라면 우리가 이 우주에 존재하는 건 중성미자 덕분이라 할 수 있습니다. 물질은 반물질과 만나면 어마어마한 에너지를 방출하며 소멸해 버립니다. 물질과 반물질은 항상 1 : 1로 짝을 이루어 소멸하면서 에너지로 변하고, 그 에너지는 다시 한 쌍의 물질과 반물질을 생성합니다.
갓 태어난 우주에는 엄청난 양의 에너지가 존재했기 때문에 물질과 반물질 둘 다 많았습니다. 물질과 반물질은 항상 짝을 이루어 태어나므로 그 비율은 같았다고 볼 수 있습니다. 그런데 물질과 반물질이 정말 1 : 1로 생겨났다면 우주가 점점 팽창하며 식는 과정에서 물질과 반물질이 다시 만났을 때 1 : 1로 소멸하므로 최종적으로 우주에는 아무것도 남지 않고 텅텅 비게 되겠죠. 하지만 우주는 그렇게 되지 않았고 이렇게 우리가 존재합니다. 어떻게 된 일일까요? --- p.103
탄생 초기의 작은 우주는 세탁기에서 이제 막 꺼낸 쭈글쭈글한 상태에 비유할 수 있습니다. 그런데 인플레이션이 일어남으로써 갑자기 다림질을 한 것처럼 펴져서 에너지가 균일한 상태가 되면서 팽창한 것입니다. 주름이 펴지고 전체가 평평해진 상태에서 빅뱅이 일어났기 때문에 현재의 우주도 거의 균일한 상태인 것입니다. 빅뱅 후의 열의 잔해인 우주배경복사가 거의 요철이 없는 상태인 이유도 인플레이션이 일어났기 때문이라고 생각하면 설명이 됩니다.
--- p.160
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인류는 과학이라는 방법을 통해 우주 섭리의 아름다움 을 밝혀내고 있습니다. 자칫 과학자의 영역으로만 여겨지기 쉬운 우주의 이야기를 과학자들의 연구실에서 꺼내어 일반인들에게 알리는 데 많은 분들이 노력하고 있습니다. 그중에서 무라야마 히토시는 단연 대중과 가장 가까이에서 소통하는 학자라고 생각합니다. 그는 뛰어난 역량을 지닌, 물리학계에서 영향력 있는 연구자이며, 어려운 물리학을 직 관적인 비유와 쉬운 설명으로 풀어내는 능력이 탁월한 작가이기도 합니다. 일본에서는 일반인을 대상으로 우주론, 소립자론을 알기 쉽게 해설하는 능력은 그를 능가할 사람이 없다는 평을 받고 있습니다.
이 책에서 우주와 입자물리학을 연결지어주는 역할은 ‘중성미자’라는 입자가 담당합니다. 2015년 올해 노벨 물리학상이 바로 이 중성미자의 독특한 진동 현상을 밝혀낸 실험을 주도 한 학자들에게 돌아갔으니, 올해 노벨상 업적을 이해하고 싶다면 이 책이 아주 좋은 읽을거리가 되리라 생각합니다.
박성찬 (연세대학교 물리학과 교수)
이 책에서 우주와 입자물리학을 연결지어주는 역할은 ‘중성미자’라는 입자가 담당합니다. 2015년 올해 노벨 물리학상이 바로 이 중성미자의 독특한 진동 현상을 밝혀낸 실험을 주도 한 학자들에게 돌아갔으니, 올해 노벨상 업적을 이해하고 싶다면 이 책이 아주 좋은 읽을거리가 되리라 생각합니다.
박성찬 (연세대학교 물리학과 교수)
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