우주의 시작과 끝을 꿰뚫는 놀라운 수업!

 

「노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학」 시리즈의 15번째 책인 『우주팽창이론』은 프리드만과 르메르트의 방정식, 허블의 관측, 그리고 피블스의 현대 우주론까지, 우주가 팽창하고 있다는 사실을 밝힌 천재 과학자들의 원전 논문을 통해 인류가 우주를 어떻게 이해해왔는지를 한눈에 보여준다. 고대 신화 속 우주관에서 출발해 아리스타르코스, 코페르니쿠스, 케플러, 허블을 거쳐 빅뱅과 암흑 물질, 암흑 에너지로까지 이어지는 우주의 거대한 서사를 정완상 교수 특유의 대화체 형식으로 흥미롭게 풀어냈다.

특히 초끈이론의 창시자 위튼 박사와의 가상 인터뷰로 시작하는 도입부는, 2019년 노벨 물리학상을 수상한 피블스의 업적을 중심으로 아인슈타인, 프리드만, 르메르트, 허블 등 우주팽창 이론의 핵심 인물들을 생생히 재조명하며 독자들의 몰입을 돕는다. 책 말미에는 프리드만, 르메르트, 허블, 피블스의 영문 논문 원본도 수록되어 있어 과학 원전을 직접 접하는 귀중한 경험도 함께 제공한다.

[목 차]

세상에서 가장 쉬운 과학 수업 우주팽창이론

추천사

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

현대 우주론으로 노벨 물리학상을 수상한 피블스

_ 초끈이론의 창시자 위튼 박사 깜짝 인터뷰

 

첫 번째 만남

우주는 어떻게 상상되었는가

신화로 살펴보는 고대 우주 이야기_별은 왜 하늘에 있을까?

고대 그리스 철학자들이 상상한 우주_하늘은 공이고 지구는 평평하다

피타고라스학파가 본 우주의 비밀_지구는 움직인다!

프톨레마이오스가 만든 천동설 이야기_80개의 원으로 완성한 우주

대전환을 가져온 코페르니쿠스의 지동설_지구가 아닌 태양이 중심이라고?

지구는 돌고 있다_코페르니쿠스가 바꾼 우주의 지도

 

두 번째 만남

우주의 문을 연 선구자들

초신성을 발견한 튀코 브라헤_망원경 없이 별을 관찰하다

케플러가 발견한 우주의 법칙_우주를 타원으로 그리다

부르노의 위험한 상상_“하늘은 닫혀 있지 않다”

 

세 번째 만남

행성과 은하의 발견

별들이 태어나고 사라지는 곳_성간물질, 그 놀라운 세계

허셜과 캐롤라인의 별 관측기_은하수의 정체를 밝히다

티티우스–보데 법칙의 비밀_숫자 속에 숨겨진 우주의 규칙

세 과학자가 찾아낸 마지막 행성, 해왕성_계산으로 찾아낸 우주의 비밀

잃어버린 아홉 번째 행성_명왕성, 그 발견에서 퇴출까지

명왕성 너머의 세계_카이퍼가 예측한 우주의 끝자락

 

네 번째 만남

우주를 향한 탐구의 여정

천체 경찰의 탄생_“잃어버린 행성을 찾아라”

케플러-올베르스 패러독스_밤하늘은 왜 어두운가?

세 과학자의 빛나는 논쟁_우주는 무한한가, 유한한가？

별의 비밀을 푼 여성 천문학자_레빗, 세페이드 변광성을 밝히다

허블이 밝힌 우주의 비밀_“은하의 거리와 속도는 비례한다”

가모프의 빅뱅 이야기_우주는 어떻게 시작되었을까?

세 과학자가 꿈꾼 정상우주론_끝도 시작도 없는 우주

우주배경복사선이 밝혀낸 빅뱅의 진실_전파 속에 숨겨진 우주의 시작

빛 이전의 우주_빅뱅과 태초의 시간들

 

다섯 번째 만남

팽창하는 우주, 수학으로 읽다

우주의 설계도를 그린 과학자_피블스와 현대 우주론의 탄생

휘어진 시공간에서 우주를 그리다_아인슈타인 방정식

평평한 우주의 시공간 간격_프리드먼과 르메르트의 시선

우주 곡률이 그리는 세 가지 세계_리만기하학의 이해

공 모양 우주의 수학적 묘사_프리드만과 르메르트의 시공간 간격 이론

아인슈타인 방정식이 말해주는 우주_우주는 가속 중일까, 감속 중일까?

팽창하는 우주에서 밀도는 어떻게 변할까?_열역학과 프리드만 방정식

우주가 팽창하는 세 가지 방식_피블스의 『물리 우주론의 원리』 속으로

 

만남에 덧붙여

A Relation between Distance and Radial Velocity among

 Extra-galactic Nebulae_허블 논문 영문본

A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing

 Radius accounting for the Radial Velocity of Extra-galactic

 Nebulae_르메르트 논문 영문본

On the Possibility of a World with Constant Negative

 Curvature of Space_프리드만 논문 영문본

Primeval Helium Abundance and The Primeval Fireball

 _피블스 논문 1 영문본

How Physical Cosmology Grew_피블스 논문 2 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

[본 문]

『천체의 회전에 관하여』는 천문학에 대한 혁명을 일으킨 책이다. 이 책에서 코페르니쿠스는 지동설의 모든 것에 관해 설명했다. 즉, 지구를 포함한 다른 행성들이 태양을 주위로 빙글빙글 돌고 있는 우주를 설계했다. 당시의 상황으로 보아 지구가 아닌 다른 천체가 우주의 중심이라는 주장을 펼치는 것은 목숨을 내건 모험이나 다름이 없었다.

_ 54쪽

 

케플러는 신이 태양을 중심으로 여섯 개의 행성을 가진 우주를 만들었다고 생각했다. 이 세상에는 다섯 가지의 정다면체가 존재하는데, 행성 사이에 다섯 개의 정다면체를 적용하면 행성 사이의 거리는 정다면체에 의해서 결정된다는 것이다.

_ 85쪽

 

아인슈타인의 정적우주 모형과 프리드만-르메르트의 팽창우주 모형의 대립은 허블의 관측으로 프리드만-르메르트의 생각이 옳은 것으로 결론 맺는다.

- 147쪽

 

레빗은 세페이드 변광성의 별의 밝기와 변광 주기 사이에 재미있는 관계가 있다는 것을 알아냈다. 그녀는 소마젤란 성운의 25개 세페이드 변광성을 조사해 주기가 길수록 밝기도 더 밝아진다는 것을 알아냈다.

_ 152쪽

 

안드로메다은하의 발견보다 허블의 이름을 더욱 유명하게 한 것은 우주팽창의 발견이다. 1929년 허블은 안드로메다은하가 우리 은하로부터 점점 멀어지고 있다는 것을 관측했다. 즉 우주가 점점 커지고 있다는 증거를 찾은 것이다.

_ 158쪽

 

가모프는 우주의 온도가 수십억 도가 되는 뜨거운 우주일 때는 양성자와 중성자들이 서로 달라붙으려고 하지 않지만 우주가 팽창하면서 우주의 온도가 내려가면 양성자와 중성자들이 서로 달라붙어 중수소, 삼중수소, 헬륨 핵 그리고 더 무거운 핵을 만든다고 생각했다.

_ 164쪽

 

피블스에게 노벨 물리학상을 안겨준 현대 우주론의 원리가 모두 담겨 있는 그의 위대한 저서 『물리 우주론의 원리』라는 책의 일부 내용을 통해 그가 주장한 우주의 미래를 예측해보자. 이 책은 1993에 프린스턴 대학 출판부에서 출간되었고 700쪽이 넘는 분량이다.

_ 212쪽

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다. 이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

 

박동규(세종과학예술영재학교 물리학 교사)

이 책을 추천하고 싶은 결정적인 이유는 실제 물리학자의 논문을 기반으로 서술되었다는 점입니다. 요즘과 같이 소셜 미디어나 생성형 인공지능 등의 디지털 기반 플랫폼으로부터 쏟아지는 검증되지 않은 정보가 수많은 오개념과 확증 편향을 생산하는 상황에서, 독자들이 논문이라는 타당한 근거로부터 정보를 얻어내는 경험을 해보는 것은 매우 의미 있다고 생각합니다. 더 나아가 이 책을 읽는 경험을 통해 외부로부터 주어지는 정보나 자기 생각을 비판적으로 검토할 수 있는 역량을 갖출 수 있을 것입니다. 그러므로 이 책은 단순히 물리학에 관한 지식만 제공하는 것이 아니라 공부하는 방법이나 사고하는

습관까지 배울 수 있는 좋은 책이라고 생각합니다.