E=mc²

1. 출간 의의 10원짜리 동전에도 막대한 에너지가 숨어 있다 ‘자연의 법칙은 아름답고 단순하다.’는 말이 있다. 이 말을 증명이라도 하듯 심오한 자연의 원리를 단순명쾌하게 보여 주는 관계식이 있으니, 바로 저 유명한 아인슈타인의 E=mc^2이다. 여기에 등장하는 문자는 E, m, c, 그리고 2뿐이다. 그러나 이 단순한 식의 의미는 대단히 중요하다. ‘10원짜리 동전(질량 1g의 물질)에도 서울에서 제주도를 비행기로 248번 왕복할 수 있는 에너지가 숨어 있다.’는 사실을 말해 주기 때문이다. 뿐만이 아니다. 1g의 동전이 가지고 있는 에너지로는 웬만한 도시 하나에 해당하는 83,000세대가 1개월 동안 쓸 수 있는 전력을 마련할 수 있으며, 야구장 부피의 물을 끓일 수도 있다. 왜 이렇게 되는 것일까? 어떻게 1g의 작은 동전에 그처럼 엄청난 에너지가 숨어 있으며, 아인슈타인은 어떻게 해서 그 ‘비밀’을 알아냈을까? 이 책은 이러한 배경을 바탕으로, E=mc^2이 나오기까지의 과정, 그리고 에너지, 질량, 특수 상대성 이론, 핵분열과 핵융합, 원자력 발전, 소립자, 암흑 에너지 등, E=mc²과 밀접한 관계를 맺고 있는 현대 물리학의 주요 개념들에 대해 상세히 설명한다. 책은 크게 6개의 Part로 나누어져 있다. Part 1에서는 E=mc^2이라는 관계식에 등장하는 ‘에너지, 질량, 광속’이란 과연 무엇인지를 정리해서, E=mc²에 관련된 기본 지식을 갖추도록 한다. Part 2에서는 아인슈타인이 ‘특수 상대성 이론’으로부터 E=mc²을 유도해 내는 배경과 함께 그것의 구체적인 계산 과정까지도 소개한다. Part 3에서는 E=mc²의 핵심인 질량과 에너지의 관계를 보여 주는 극적인 사례인 ‘핵분열’과 ‘핵융합’의 메커니즘을 눈으로 확인시켜 준다. 한편 E=mc²은 ‘물질’이 막대한 에너지의 덩어리라는 사실을 보여 주었다. 그러면 이 물질은 과연 어디에서 왔을까? Part 4에서는 물질의 기원과 그 정체를 어떻게 확인할 수 있는지를 설명한다. Part 5에서는 물질을 더 자세히 파고 들어간다. 물질을 형성하고 힘을 전달하는 소립자는 무엇이며, 질량 및 힘과는 어떤 관계에 있는지를 분석한다. Part 6은 E=mc²이 예측하는 우주의 수수께끼를 해설하는 장이다. 우주를 가득 채우고 있는 ‘암흑 물질’과 ‘암흑 에너지’는 어떤 존재이며, 우주의 미래를 왜 좌우할 수 있는지에 대해서도 상세히 알아본다. 아이작 뉴턴의 F=ma와 함께 물리학의 기둥을 이루는 E=mc²의 모든 것을 이 책 한 권으로 일목요연하게 정리할 수 있을 것이다. 2. 특장 ● 에너지, 질량, 광속의 개념과 E=mc²이 나오기까지의 과정 물리학에서 말하는 에너지란 ‘무엇인가를 움직이는 능력’을 가리키며, 질량은 ‘사물을 움직이기 어려운 정도’를 나타내는 양이다. 또 빛의 속도인 ‘광속’은 어떤 점이 특별할까? 이 책에서는 먼저 E=mc²이라는 관계식에 나오는 ‘에너지’와 ‘질량’ ‘광속’의 개념을 정리해 둔다. 한편 아인슈타인은 E=mc²이라는 놀라운 결과를 ‘특수 상대성 이론’으로부터 유도해 냈다. 아인슈타인은 그 이론에서 어떻게 E=mc²을 유도했을까? 현대 과학의 상징이라고도 할 만한 이 관계식이 태어난 물리적 배경은 물론 그 관계식의 유도 과정까지도 상세하게 소개한다. ● 원자핵을 조작해 질량을 에너지로 바꾸는 핵분열과 핵융합의 구조 E=mc²이 적용되는 극적인 사례 중의 하나가 ‘핵분열’과 ‘핵융합’일 것이다. ‘핵분열’은 원자의 중심에 있는 원자핵이 부서지는 현상이고, ‘핵융합’은 원자핵끼리 부딪쳐 하나의 원자핵으로 융합하는 현상이다. 핵분열이나 핵융합에서는 반응 전보다 후에 전체 질량이 줄어드는 경우가 있다. 그 줄어든 만큼의 질량은 막대한 에너지로 바뀐다. 핵분열과 핵융합의 메커니즘을 상세히 설명한다. ● 물질의 근원인 소립자, 그리고 힘과 E=mc²의 관계 물질을 분자, 원자까지 쪼개 나가면 결국은 양성자와 중성자, 그리고 전자로 나누어진다. 그리고 양성자와 중성자 속에는 쿼크가 들어 있다. 그러면 이러한 물질은 과연 어디에서 왔을까? E=mc^2은 ‘에너지로부터 물질을 만들어 낸다.’는 것도 의미한다. 탄생 무렵의 우주를 채우고 있던 에너지가 질량으로 바뀌어 물질이 되었다는 것이다. 물질의 기원과 그 정체를 알아본다. ● 우주를 가득 채우고 있는 암흑 에너지와 암흑 물질 최신 우주론에 따르면, 우주의 성분 대부분을 차지하는 것은 눈에 보이지 않는 정체불명의 ‘암흑 물질’과 ‘암흑 에너지’라고 한다. 우리가 알고 있는 보통 물질은 얼마 되지 않는다. 암흑 물질과 암흑 에너지는 확인되지는 않았지만, 그것 없이는 현재 관측되는 우주의 팽창 등을 설명할 수 없다. 우주 최대의 수수께끼라고도 불리는 암흑 물질과 암흑 에너지란 무엇인지를 명쾌하게 해설한다. ● 매월 한 권씩 발간되는 ‘뉴턴 하이라이트 시리즈’ 이 책은 과학 잡지 의 기사 중에서도 독자의 호평을 받은 기사만을 골라서 보완, 재정리해 펴낸 ‘Newton 하이라이트 시리즈’의 57번 째 단행본이다. 과학 도서의 새로운 기준을 제시한다고도 할 수 있는 독특한 구성 방식은 이 시리즈만의 자랑이다. <상대성 이론> <주기율표> <신비한 수학의 세계> 등, 물리학·화학·생물학·지구과학·수학 분양의 다양한 자매편들이 절찬리에 판매되고 있다. 협력 무라야마 히토시 村山 齊 / 일본 도쿄 대학 수물연휴우주연구 기구장, 이학 박사 가마다 유타카 鎌田 裕 / 일본 원자력연구개발기구 핵융합연구개발 부문 연구주석. 공학 박사 고다마 료스케 兒玉了祐 / 일본 오사카 대학 대학원 공학연구과 교수, 공학 박사 노자키 미쓰아키 野崎光昭 / 일본 고에너지가속기연구기구 계산과학센터장·교수, 이학 박사 도쿠슈쿠 가쓰오 德宿克夫 / 일본 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 교수, 이학 박사 스즈키 요이치로 鈴木洋一郞 / 일본 도쿄 대학 우주선연구소 가미오카(神岡) 우주소립자연구시설 교수, 이학 박사 후지이 게이스케 藤井惠介 / 일본 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 부교수, 이학 박사