우리의 일상적 삶은 어떻게 우주의 바다와 연결되는가? 원자와 세포, 책과 장미, 고양이와 인간, 물과 빛, 행성과 은하 그리고 우주의 모든 것은 어떻게 생성되었고 작동하는가? 이 모든 것을 움직이는 기본 원리는 무엇인가? 30년 넘게 입자물리학, 끈이론, 양자장이론을 연구해온 물리학자이지 탁월한 과학커뮤니케이터인 지은이가 상대성이론과 양자물리학 등 현대물리학 핵심 개념을 통해 인간의 일상적 삶과 우주의 질서가 어떻게 연결되는지를 설명한다. 운동, 에너지, 물질, 질량, 빛, 파동, 공명, 매질, 장(field), 힉스, 빅뱅, 코스모스 등 기본 개념을 일반인들의 눈높이에 맞게 다시 재구성함으로써 우리가 살아가는 세상을 바라보는 새로운 시각을 제시한다. 전자와 쿼크의 운동과 같은 지극히 미시적인 세계에서부터 우리의 몸과 마음 그리고 감각적 경험 그리고 이 세상에 존재하는 모든 것들의 생성 원리와 우주의 작동 원리까지 개념적으로 명쾌하게 아우르는 설명은 마치 한 편의 황홀한 우주적 오디세이를 보는 듯하다.

[목 차]
  

1. 서곡 007

1부 운동

2. 상대성: 거대한 착각 028

3. 등속운동: 겉보기보다 쉬운 050

2부 질량

4. 우주에 대항하는 갑옷 073

5. 아인슈타인의 등장: 정지 질량 100

6. 세계 속의 세계: 물질의 구조 124

7. 질량인 것(과 질량이 아닌 것) 151

8. 에너지, 질량, 그리고 그 의미 165

9. 감옥에서 가장 중요한 것 179

3부 파동

10. 공명 195

11. 파동의 이해 216

12. 귀로 들을 수 없는 것과 눈으로 볼 수 없는 것 232

4부 장

13. 일반장 257

14. 기본장: 첫 번째, 불안한 모습 276

15. 기본장: 두 번째, 겸손한 모습 321

5부 양자

16. 양자와 입자 339

17. 파동입자의 질량 353

18. 아인슈타인의 하이쿠 379

6부 힉스

19. 그 어떤 장과도 다른 장 387

20. 힉스장의 작동 방식 394

21. 해결되지 않은 기본적인 질문들 417

22, 더 심오한 개념적 질문 434

23. 정말 중요한 질문 442

7부 코스모스

24. 양성자와 중성자 465

25. 양자장의 마법 478

26. 코다: 평범함 속의 비범함 489

감사의 말 498

용어 해설 501

미주 505

찾아보기 528

[본 문]
  

상대성원리를 설명하는 것은 몇 마디의 말 - 이를테면, 등속운동은 감지할 수 없다 - 이면 충분하다. 하지만 인간의 심리와는 상당히 다른 방향으로 움직인다. 상대성원리는 앞으로 물리학자가 될 사람들은 물론이고 우리 모두가 어린 시절부터 자연스럽게 키워왔던 세계에 대한 가정을 뒤엎는다. 마치 일상생활 자체가 인간의 정신이 기본적인 물리 법칙에 닿지 못하도록 설계된 것처럼 보일 정도이다.

고대 그리스의 뛰어난 수학자와 철학자조차 상대성원리를 발견하지 못한 것은 바로 이런 이유 때문이다. 이들은 지구가 둥글다는 것을 증명했고, 집에서 멀리 떠나지 않고도 지구의 크기를 측정했지만, 지구가 움직인다는 결론에 이르지는 못했다. 몇몇 사람들은 지구가 회전하고 이동할지도 모른다고 제안했지만, 가장 영향력 있는 사상가들은 지구가 운동한다면 우리가 쉽게 감지할 수밖에 없을 것이라고 생각했다. 운동이라는 것이 반드시 쉽게 감지될 필요는 없다는 사실을 깨닫는 데는 수 세기가 더 걸렸다.(31쪽)

공은 분명히 물리적 사물, 즉 실체와 무게가 있는 물질로, 손에 쥐고, 던지고, 잡을 수 있고, 반으로 자르고, 저울로 무게를 재고, 코 위에 서 균형을 잡을 수 있다. 더 일반적으로 말해 공은 그 자체로 존재하며, 우리가 던지는 대로 동서남북 어디로든 갈 수 있다. 하지만 밧줄 위의 파동은 이와 달리 잠깐 나타났다가 사라지는 현상이고, 매질에 갇혀 있다. 우리는 밧줄 위의 파동을 손에 쥐거나, 던지거나, 받거나 반으로 자를 수 없다.

따라서 파동과 공이 비슷한 효과를 낼 수 있다는 사실은 흥미롭지만, 그 의미를 너무 확대해석하면 곤란하다. 우리의 직관은 결국 이 둘이 근본적으로 다르다고 말한다. 결국, 파동은 ‘어떤 물질적인 것의 진동’을 포함하긴 해도, 파동 그 자체는 물질이 아니다.

아니 … ‘파동은 정말 물질이 아닐까?’ 곧 우리가 세계의 양자적 본질과 마주하게 되면, 이 질문을 완전히 새로운 관점에서 다시 생각하게 될 것이다.(230~231쪽)

기타 줄을 퉁겼을 때 줄의 진동이 음파를 만들고, 이 음파가 방 안을 가로질러 우리 고막에 닿는다. 이때서야 비로소 듣는 과정이 시작된다. 음파는 고막을 진동시켜 달팽이관 액체에 파동을 일으키고, 이 파동은 청각 섬모(stereocilia)라는 미세한 털 모양의 구조에 의해 감지된다. 이후 섬모에서 발생한 전기 신호는 청각 신경을 따라 뇌로 전달되고, 뇌는 이 신호를 처리해 어떻게든 음악적 음색이라는 의식적 경험을 만들어낸다.

이 과정에서 우리의 귀와 뇌는 결코 기타와 직접적으로 접촉하지 않는다. 오직 우리의 외이도에 들어온 음파와만 관계를 맺을 뿐이다. 말하자면, 실제로 우리가 ‘듣는’ 것은 소리의 파동일 뿐이다. 마찬가지로 우리가 ‘보는’ 모든 것은 기타에서 반사되어 눈에 도달한 빛일 뿐이다. 우리는 이동하는 소리와 빛의 파동에 의존해 정보를 얻고, 눈과 귀로 이들 파동을 감지하며, 뇌가 그로부터 의미를 만들어낸다. 하지만 소리와 빛을 생성하거나 반사하는 물체 자체를 직접 듣거나 보는 것이 아니라 뇌가 물체의 존재를 추론할 뿐이다. 우리가 물체에 대해 아는 지식은 완전히 간접적인 것이다. 우리의 모든 감각 기관은 오직 정보가 우리 몸에 도달했을 때만 그 정보를 받아들인다. 그전에는 받아들이지 못한다. 이렇게 감각 기관 이 받아들인 정보를 뇌가 해석하여 이를 바탕으로 주변 사물에 대한 어떤 개념을 얻고, 우리의 의식 속에 외부 세계의 모습을 그려낸다. 이렇게 그려진 그림을 우리는 마치 실재인 것처럼 생각하지만, 이 그림은 외부 세계를 부분적으로 재구성한 것이지 직접적인 이미지가 아니라는 사실을 인식하지 못하거나 잊고 지낸다. 우리가 주변 환경에 대해 알고 있는 모든 것은 간접적일 뿐만 아니라 불완전하다.(233~234쪽)

양자물리학이 일상생활에 중요하다는 사실은 어쩌면 그리 놀랍지 않을 수도 있다. 왜냐하면 커다란 존재들은 본래 작은 것들로 이루어져 있기 때문이다. 정말 놀라운 것은 양자물리학이 담당하는 역할의 폭이다. 전자에서 광자에 이르기까지 파동입자는 모두 기본장의 양자이다. 양성자와 중성자는 쿼크 파동입자와 글루온 파동입자가 글루온장의 양 자 불확정성에서 비롯된 피할 수 없는 힘에 의해 갇혀 있기 때문에 존재한다. 이들로부터 원자가 만들어지고, 우주 확실성 한계에 의해 붕괴되지 않는 것이다. 모든 생명이 의존하는 원자 화학의 풍요로움은 파동입자의 존재뿐만 아니라 ‘1 더하기 1은 0’이라는 동일한 페르미온의 기묘한 수학을 필요로 한다. 이처럼 특이한 페르미온 양자장의 수학은 고체나 불투과성 막처럼 작용하는 거시적 물체들의 안정성까지도 보장해준다. 그 덕분에 행성과 의자에서부터 피부, 혈관 벽에 이르기까지 다양한 구조가 안정적으로 존재할 수 있는 것이다. 상상할 수 없을 만큼 많은 수의 파동입자로 구성된 물체들로 둘러싸인 이 거대한 세계에서도 우리가 걷고, 차를 몰고, 책을 읽고, 먹고, 말하고, 자는 등 일상에서 하는 모든 활동은 단 한순간도 양자물리학의 영향을 벗어난 적이 없다. (490~491)

사이언스

내가 알기로 이 책처럼 현대 물리학에서 물질과 에너지의 본질에 대한 이야기를 일반인들도 쉽게 이해할 수 있게 쓴 책은 없다. … 힉스장이 자연의 법칙을 형성하는 데 어떤 역할을 하는지 이해하고자 하는 사람들을 위한 필독서

뉴욕타임스

사물을 바라보는 새로운 시각을 선사하는 … 놀라운 책

사이언티픽아메리칸

과학자들이 일반인을 위해 물질과 운동과 질량에 대해 어떻게 글을 써야 하는지를 보여주는 모범

커커스리뷰

질량, 에너지, 빛과 같은 기본 개념에 접근하는 방식이 가장 인상적이다. … 우주에 대한 훌륭한 입문서

션 캐럴 (물리학자)

상대성이론과 입자물리학의 세계에서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 알고 싶다면, 이 책을 읽어라!

니마 아르카니 하메드 (이론물리학자)

매트 스트래슬러는 지난 30년간 물리학과 양자장 이론 분야에서 가장 탁월한 사상가 중 한 명이었다. … 이 책과 견줄 만한 책을 본 적도 없고, 앞으로도 보기 힘들 것 같다.

니마 아르카니 하메드 (천체물리학자)

자연 세계의 심오한 구조의 본질을 매력적이고 이해하기 쉬운 방식으로 전달한다. 널리 읽혀야 마땅한 책.