세상에서 가장 재미있는 천체물리학 이야기
우리는 우주에서 오는 빛을 관측하고 분석함으로써 우주의 생성과 진화 과정을 알아낸다. 어떤 빛은 빅뱅 이후 우리에게 관측되기까지 우주의 나이만큼 여행을 계속했을 수도 있다. 이 책은 우주의 시공간을 거쳐 우리에게 온 빛의 여정을 통해 다섯 가지 천체물리학적 현상을 이야기식으로 풀어간다. 양자역학, 일반상대성이론, 별, 블랙홀, 암흑 물질과 암흑 에너지에 대한 이야기가 이 빛의 여행기에 오롯이 담겨 있다.
다섯 가지 천체물리학 현상을 들려주는 빛의 여행기
우리가 볼 수 있는 가장 먼 광원은 무엇일까? 블랙홀이 등대처럼 신호를 보낸다고? 최초의 별이 언제 탄생했는지 어떻게 알 수 있을까? 우주 이야기는 우주를 채우는 빛에 쓰여 있다.
그렇다면 빛이란 도대체 무엇일까? 어떻게 한 곳에서 다른 곳으로 이동할까? 빛에 색이 있다는 것, 빛이 물체에 반사되거나 흡수된다는 것은 실제로 무엇을 의미하는가?
이 책은 종전의 과학 책과 달리 빛을 독특한 방식으로 소개한다. 주제별로 나눠 정보를 제공하는 것이 아니라, 서로 다른 환경에서 출발한 빛의 여정을 따라가면서 각각의 빛이 겪는 물리 현상을 시간순으로 자연스럽게 연결 지어 이야기한다.
우주에 관해 밝혀진 최신 정보와 주요 지식을 다루지만, 누구나 이해할 수 있을 정도로 단순하고 쉽다. 공식도 없고 전문 용어의 폭격도 없다. 손으로 그린 듯한 일러스트레이션이 친근한 느낌을 주어 이야기책을 읽는 것 같다.
우주에서 벌어지는 어떤 현상을 설명할 때는 그에 관련된 물리법칙부터 내세우기보다, 일상에서 벌어지는 그와 유사하고 익숙한 현상을 예로 들어 독자가 이해하기 쉽게 돕는다. 더불어 그 현상에 대한 물리법칙을 정립해준, 한번쯤 들어봤음 직한 실험을 소개해서 종전의 지식과 새로운 정보를 연결해준다.
우주에 관해 단편적인 지식이 있던 독자가 이 책을 읽는다면 자신이 따로따로 알고 있던 물리 현상이 우주가 진화하는 과정 가운데 어느 시점에 어떤 경위로 발생했고, 어떤 결과를 가져왔는지 한 맥락으로 파악할 수 있다. 다 읽고 나면 자신도 모르게 빛과 우주론에 대한 주요 지식을 거의 모두 접한 상태가 된다.
감사의 말
하나 빛이란 무엇인가?
둘 과거에서 온 빛
셋 별빛
넷 암흑 에너지의 흔적
다섯 우주의 등대, 블랙홀
여섯 우주의 새벽에서 온 전파
에필로그
더 읽을거리
찾아보기
전자 하나를 흔든다고 상상해보자. 흔들리는 전자는 연못에 빠진 벌레처럼 주위에 전기장을 일으키고, 그에 따라 물결이 발생한다. 전기장은 더 이상 정지된 상태가 아니라 움직인다. 이제부터는 ‘전기역학(electrodynamics)’이다. 여기서 전자기(electromagnetism) 중 자기(magnetism)라는 부분이 등장하기 시작한다. 이것이 빛 이야기의 핵심이다. - 21쪽
우주 이야기는 우주를 채우는 빛에 쓰여 있다. 조그만 바윗덩어리 표면에 남겨진 우리는 하늘을 올려다보며 이야기를 읽으려 한다. 그 중 일부가 이 책에 담겨 있다. 시간과 공간을 가로지르는 빛의 놀라운 여정을 통해 설명하는 다섯 가지 천체물리학 과정. 다섯 가지 빛 이야기. - 46쪽
빅뱅 직후와 그 후 수십만 년 동안 우주는 뜨거운 혼돈이라고 표현할 수밖에 없는 상태였다. 팽창이 계속됐음에도 우주 내부의 보통 물질은 수십만 년 동안 완전히 이온화됐다. 전자가 양성자와 결합하지 않은 것은 그들의 열에너지가 정전기적 ‘결합에너지’보다 훨씬 컸기 때문이다. 이는 우주가 자유롭게 돌아다니는 양성자와 전자로 구성된 밀도 높은 수프로 가득 차 있었다는 뜻이다. 양성자와 전자 사이사이에는 광자가 있었다. 전자기복사, 빛이다. 광자는 폭발의 불꽃이었다. - 65쪽
모든 별이 그렇듯 태양은 주로 수소로 구성된 기체 구름에서 탄생했다. 수소는 우주에서 가장 가볍고 가장 많은 원소로, 양성자 한 개와 전자 한 개로 구성된다. 사실상 우주의 모든 수소 원자는 빅뱅 이후 거의 40만 년이 지난 재결합 시대에 전자가 양성자와 결합하며 생겨났다. 수소는 암흑 물질을 제외하고 은하와 은하 안에 있는 모든 보통 ‘바리온’ 물질의 원자재다. - 118쪽
망원경 반사경에 부딪혀 굴절되고 카메라로 집광 되어 수십억 년이 됐을지 모르는 비행을 끝내면서, 마지막으로 갖고 있던 에너지를 내어놓는 것이 일부 별빛의 운명이다. 우리는 에너지라는 광자의 속삭임을 실제로 기록하고 그 정보를 저장할 수 있다는 사실 덕분에 결코 가볼 수 없는 우주의 다른 지역을 탐사하고 이해할 수 있다. - 148쪽
일반상대성이론에서 아인슈타인이 세운 업적은 질량과 에너지밀도가 어떻게 시공간을 왜곡하고, 그 시공간을 지나는 빛의 경로(서로 다른 관찰자 입장에서 관측된)에 어떤 영향을 미치는지 연구함으로써 이 모든 물리 현상을 수학적으로 기술했다는 점이다. - 170쪽
사람들의 관심은 대부분 블랙홀의 강력한 중력장, 물질이 블랙홀 속으로 빨려 들어가면 우주에서 완전히 사라질 수도 있다는 이야기에 집중된다. 블랙홀이 우주에서 가장 강렬한 광원 일부에 동력을 공급해, 그들이 전체 은하보다 빛나게 할 수 있다는 사실은 상대적으로 잘 알려지지 않았다. - 195쪽
우리는 은하가 우주의 역사 거의 모든 시간에 걸쳐 서서히 진화했다는 것을 정확히 알아냈다. 하지만 재결합 시대에 수소 원자가 형성된 시기와 최초의 별이 폭발한 시기 사이는 진정한 미지의 영역이다. - 232쪽
현재 우리는 우주에서 벌어진 은하 형성의 거의 모든 단계를 관측했다. 이야기의 시작만 빠졌다. 우주의 새벽에 방출된 전파의 빛을 검출하는 것은 소설의 첫 장에 도달하는 것과 같다. 그 첫 장은 은하가 어떻게 시작됐는지 우리에게 알려줄 것이다. - 261쪽
제임스 기치 [저]
제임스 기치는 영국왕립학회(The Royal Society of London for Improving Natural Knowledge) 연구 회원이자 하트퍼드셔대학교(University of Hertfordshire) 천체물리학연구센터 부교수다. 임페리얼칼리지런던(Imperial College London)에서 물리학과를 졸업하고 더럼대학교(Durham University)에서 박사 학위를 받았으며, 더럼대학교와 맥길대학교(McGill University)에서 박사 후 연구원으로 재직했다. 관측 우주론, 은하의 생성과 진화를 주로 연구하며, 머신 러닝(machine learning)을 천체물리학에 사용하는 방법과 그 기술을 의학, 농업 등 다양한 분야에 응용하는 방법을 탐구하고 있다. 말하기를 좋아하며, 천체물리학 연구의 최신 정보를 누구나 이해할 수 있도록 복잡한 개념을 단순한 언어로 설명하려고 노력한다. 지은 책으로 《우주의 지도를 그리다 : 천문학자의 은하 여행(Galaxy: Mapping the Cosmos)》이 있다.
김영서 [저]
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