중력이란 무엇인가?

1. 출간 의의 중력의 모든 것을 이 책 한 권으로 정리한다! 언제나 우리 주변에 존재하는 힘인 ‘중력’. 그러나 ‘중력이란 무엇인가?’라는 질문을 받으면 의외로 답하기가 어렵다. 중력의 정체를 둘러싸고 수많은 과학자가 그것을 규명하기 위해 몰두해 왔다. 이 책에서는 최신 과학이 규명하는 중력의 정체에 대해 기초부터 차근차근 설명해 나간다. 중력의 정체에 처음으로 다가선 사람은 사과의 낙하와 달의 회전 운동을 통일하여 ‘만유인력의 법칙’으로 설명한 아이작 뉴턴이다(제1장). 그러나 만유인력의 법칙에는 허점이 있었다. 20세기에 들어와 알베르트 아인슈타인은 만유인력의 법칙을 확장하여 ‘일반 상대성 이론’을 만들어 냈다. 일반 상대성 이론에서는 중력을 ‘시공의 휘어짐’으로 설명한다. 중력이 강한 곳에서는 시간이 느리게 흐르며, 휘어진 공간을 따라 빛도 휘어져서 나아간다고 한다. 제2장에서는 이러한 일반 상대성 이론의 내용을 쉽고도 상세하게 소개한다. 우주에는 중력이 초래하는 엄청나게 불가사의한 현상이 많이 있다. 제3장에서는 빛조차도 삼켜 버리는 천체 ‘블랙홀’을 비롯하여 우주의 탄생에서 마지막에 이르기까지 지배하는 ‘암흑 물질’이나 ‘암흑 에너지’ 등 현재의 우주 물리학이 안고 있는 불가사의한 문제에 대해 소개한다. 현대 물리학은 과연 이들 문제를 풀 수 있을까? 현재 중력의 정체를 규명하는 ‘궁극의 이론’에 가장 가깝다고 생각되는 이론은 ‘초끈 이론’이다. 초끈 이론에 따르면, 중력의 근거를 설명하려면 ‘고차원의 세계’가 필요하다고 한다. 3차원 공간을 넘는 고차원의 세계란 어떤 것일까? 고차원의 세계를 실제로 관측하려는 최신 연구 성과 등도 포함해 중력 이론의 미래를 소개한다(제4장~제5장). 이 책을 읽음으로써 중력의 깊은 원리를 상세히 이해하게 될 것이다. 2. 특장 ● 낙체의 법칙, 만유인력, 지구상의 중력, 힘, 무중력 등 핵심 개념 정리 현대 물리학의 중력은 ‘초끈 이론’까지 연관되어 있지만, 그 기본은 갈릴레이부터 시작된다. 갈릴레이는 공기의 저항이 없다면 무거운 물체와 가벼운 물체가 동시에 떨어진다는 사실을 발견했다. 그리고 뉴턴은 사과가 땅으로 떨어지는 지상의 물리 법칙과 행성의 운동 같은 천상의 물리 법칙을 만유인력이라는 하나의 법칙으로 설명함으로써 중력에 대한 개념을 확립했다. 중력에 관한 기본에 해당하는 원리를 상세히 정리한다. ● 등가 원리, 휘어진 공간, 중력과 시간 등 상대성 이론이 말하는 중력 뉴턴이 중력을 만유인력으로 설명한 반면, 아인슈타인은 중력을 ‘시공(시간과 공간)의 휘어짐’으로 설명했다. 아인슈타인은 시간과 공간은 언제 어디서나 일정하다는 그때까지의 상식을 깨고, ‘질량은 공간을 휘어지게 하고, 중력을 만들어 낸다.’고 주장했다. 빛도 휘어진 공간을 따라 휘어져서 나아가며, 중력이 강한 곳에서는 시간의 흐름도 느려진다는 상대성 이론의 핵심 내용을 알아본다. ● 블랙홀, 암흑 물질, 암흑 에너지와 중력의 관계 중력의 불가사의한 성질은 마침내 블랙홀의 개념을 만들어 냈다. 뿐만 아니라 블랙홀이 눈에는 보이지 않지만 실제로 존재한다는 데 많은 과학자가 동의하고 있다. 더욱이 우주 공간에는 암흑 물질과 암흑 에너지라는 대상을 대상을 상정하지 않으면 설명할 수 없는 현상이 확인됨으로써 중력에는 수수께끼가 더해졌다. 인류는 우주를 구성하는 물질의 95%의 정체를 아직 모르는 셈이다. 이제까지 알려진 블랙홀, 암흑 물질, 암흑 에너지의 정체와 그 실체를 밝혀내려는 과학자들의 노력을 소개한다. ● 소립자, 고차원의 세계, 초끈 이론, 브레인 월드, LHC의 실험 등 첨단 물리학과 중력의 본질 우리가 사는 3차원 공간에 시간의 1차원을 더하면 4차원 시공이 된다. 그리고 우주 만물은 소립자라는 ‘알갱이’로 이루어져 있다고 한다. 그런데 이것만으로는 중력의 모든 것을 설명할 수 없다. 그래서 ‘10차원 공간+1차원 시간’과 우주 만물을 구성한다는 ‘끈’의 개념이 나왔다. 바로 ‘초끈 이론’이다. 상대성 이론과 양자론을 융합해 ‘궁극의 이론’이라고도 불리는 초끈 이론의 발전 과정, 그와 관련된 브레인 월드 가설과 LHC의 실험 내용까지를 알아본다. ● 뉴턴 하이라이트 시리즈의 73번째 과학 단행본 과학 잡지 <Newton>은 특히 독자의 호응이 높았던 기사만을 주제별로 재정리해, 새로운 감각의 과학 단행본 ‘뉴턴 하이라이트 시리즈’로 출간하고 있다. 는 그 73번째 책으로, 앞서 나온 <상대성 이론> <양자론> <주기율표> <뇌와 마음의 구조> <미분과 적분> <신바한 수학의 세계> 등과 함께, 현대 과학과 수학의 주요 테마를 최고 수준의 그래픽과 해설로 보여 준다. 감수 및 협력자 명단 * 감수 마에다 게이이치 前田惠一 / 일본 와세다 대학 이공학술원 교수, 이학 박사 * 협력 사토 가쓰히코 佐藤勝彦 / 일본 도쿄 대학 명예 교수, 이학 박사 와다 스미오 和田純夫 / 일본 도쿄 대학 대학원 종합문화연구과 전임 강사, 이학 박사 후쿠에 준 福江 純 / 일본 오사카 교육대학 천문학연구실 교수, 이학 박사