친절한 우주론 / 다케우치 가오루

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제1장 우주론 기초 닦기

1-1 과연 우리는 우주에 대해 얼마나 알고 있는가?

1-2 우주론과 천문학의 다른 점, 같은 점

1-3 우리가 관측할 수 있는 우주의 범위

ㆍ우주에서 부딪치기 쉬운 정도는 중력파냐 뉴트리노냐 전자기파냐에 따라 크게 달라진다. 중력은 우리가 알고 있는 힘 가운데서 다른 물질과의 상호작용이 가장 약하기 때문에 방해를 받지 않고 앞으로 나아갈 수 있다. 또 뉴트리노라는 소립자도 다른 물질과의 상호작용이 약하기 때문에 우주의 초기 단계에서는 곧바로 나아갈 수 있다. 그러나 마이크로파(전자기파의 일종)는 우주가 탄생하고 어느 정도 시간이 흐르기 전에는 곧바로 나아갈 수 없다. 그 밖의 전자기파는 더 시간이 흘러 우주에 열을 내는 주체인 천체가 생기지 않으면 발생하지도 않기 때문에 먼 과거의 우주를 관측하는 데는 사용할 수 없다. 현재 과학 기술 수준에서 실제로 관측할 수 있고 우주론에도 큰 기여를 하고 있는 것은 마이크로파와 그 밖의 전자기파이다.

1-4 상상할 수 없을 정도로 작은 소립자에서 탄생한 우주

ㆍ우주의 크기는 약 137억 광년이다. 광년이란 빛의 속도로 움직이더라도 도달하는 데 1년이 걸리는 시간을 말한다. 광속은 초속 약 30만 킬로미터이다. 1광년이라고 하면 대략 10조 킬로미터가 된다.

ㆍ큰 물체: 아인슈타인 일반상대성이론

ㆍ중간 물체: 뉴턴의 고전역학

ㆍ작은 물체: 양자역학

1-5 드디어 떠나보는 우주 여행

제2장 한눈에 보는 우주의 스펙

2-1 숫자로 보는 우주의 모습

ㆍ우주 공간은 밀도가 낮기 때문에 기압도 낮다.

2-2 우주의 온도는 과연 몇 도?

ㆍ대기의 온도, 즉 기온은 공기 분자가 얼마나 활발히 움직이는지, 다시 말해서 공기 분자들이 얼마나 많은 에너지를 띠고 있는지를 측정한 값이다. 물체의 온도는 그 물체를 구성하고 있는 분자나 원자의 에너지이다.

ㆍ우주는 파장이 긴 전자기파로 채워져 있다. 그러므로 전자기파를 통해 우주의 온도를 측정하는 것이다.

2-3 우주의 모습은 닫혀 있다? 평탄하다? 열려 있다?

제3장 지금까지 밝혀진 우주의 수수께끼

3-1 점점 늘어나고 있는 우주의 나이3-2 깜짝 놀랄 대폭발로 탄생한 우주

ㆍ우주는 지금으로부터 137억 년 전에 생겨나 그 직후 무엇인가가 원인이 되어 폭발적으로 팽창하기 시작하였고 인플레이션 시기로 들어섰다. 그러다가 인플레이션 시기에 우주의 팽창에 제동이 걸리고 우주는 가열되어 마침내 빅뱅이 일어났다.

3-3 아주 오래된 우주, 뜨거운 용광로

3-4 그래도 늘어만 가는 수수께끼들

ㆍ우주는 전체적으로 팽창하고 있다.

3-5 90억 광년의 저편에서 오는 우주의 신호

3-6 우주를 구성하는 소립자의 세계

ㆍ소립자 차원에서 우주를 이루고 있는 요소는 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

1) 페르미온 (물질을 구성하는 소립자)

2) 보손 (힘을 매개하는 소립자)

3-7 우리가 아는 우주는 4%에 불과하다

3-8 나머지 96%를 이루는 암흑물질의 정체는?

3-9 우주를 지배하는 네 가지 힘

1) 강력 - 쿼크 간에 작용

2) 약력 - 뉴트리노 등이 관여

3) 중력 - 에너지를 지니는 모든 것에 적용

4) 전자기력 - 전하 사이에 적용

3-10 원시우주를 재현하는 대형 입자가속기

제4장 본격적인 우주 탐험

4-1 우주에서 거리를 측정해보자

4-2 초신성이 알려주는 우주의 비밀

ㆍ빛은 파동이기 때문에 광원이 되는 초신성이 멀어지면 파장이 늘어져서 빨갛게 보이고 가까워지면 파장이 줄어들어 파랗게 보인다.

ㆍ초신성 폭발을 조사하면 우리는 우주의 거리 측정뿐만 아니라 어느 정도의 속도로 멀어지고 있는가 하는 우주 팽창에 대해서도 알 수 있다. 어째서일까? 빛은 파동이기 때문에 광원이 되는 초신성이 멀어지면(파장이 늘어져서) 빨갛게 보이고 가까워지면(파장이 줄어들어) 파랗게 보인다. 초신성의 본래 색깔은 추측할 수 있기 때문에 우리는 그 색이 어떻게 보이는가를 지구에서 관측하는 것만으로 초신성이 우리에게서 멀어지는 속도를 계산할 수 있는 것이다. (소리의 파동을 예로 들어 보자. 구급차가 가까워질 때는 소리가 높게 들리고 멀어지면 소리가 낮게 들린다. 본래의 소리가 가진 높이를 알고 있으면 사이렌 소리가 어떻게 들리는가에 따라서 구급차의 속도를 알 수 있는 것이다.)

4-3 최첨단 기술이 집약된 스바루망원경의 모든 것

4-4 수많은 업적을 남긴 허블우주망원경

4-5 화성에서 찾은 생명의 흔적

4-6 우주의 얼룩, 그 의미는?

4-7 우주의 나이를 맞춘 장본인, WMAP

4-8 우주도 음악을 연주한다?

4-9 우주는 도대체 어떤 모양일까?

4-10 인류의 거대한 프로젝트, 대우주 지도

ㆍ 우주 끝까지 간다고 해서 우주가 끝나는 것은 아니다. 놀랄만한 사실은 푸앵카레 12면체의 가장자리에 도달하면 빛도 물질도 다른 면에서 되돌아와 버린다는 것이다. 이것을 시각화하는 가장 간단한 방법은 2차원의 원통 모양 우주를 떠올리면 된다. 원통이 무한대로 길면 그것은 2차원적으로 평탄한 무한히 큰 우주가 되는 것이다. 그러나 그 원통이 미묘하게 굽어 있어서 어느 한계까지 이르면 원래의 자리로 되돌아와 버린다면? 당신은 유한한 크기의 도넛과 같은 우주에 살고 있다는 것이다!

제5장 인류가 생각해온 우주의 모습들

5-1 프톨레마이오스가 실수한 부분

5-2 오해받은 코페르니쿠스의 지동설

5-3 천동설과 지동설의 절충안이 있었다?

5-4 케플러가 밝혀낸 천체의 하모니

5-5 뉴턴의 중력이론에도 한계는 있다

제6장 아이슈타인에서 시작된 현대 우주론

6-1 에테르를 찾으려는 마이컬슨과 몰리의 노력

6-2 시간과 공간에 대한 기묘한 이론, 상대성이론

6-3 시공간을 바꿔놓는 로렌츠·피츠제럴드 변환

6-4 마법의 수식, E=mc2의 의미

6-5 좀 더 보편적인 일반상대성이론

6-6 시공간이 ‘이끌린다’고?

6-7 우주상수, 과연 아인슈타인은 옳았을까?

6-8 뻥 뚫린 시공간의 구멍,블랙홀과 웜홀

6-9 아인슈타인의 틀에서 다시 본 고전 우주론

제7장 인플레이션우주론에서 호킹의 최신 우주론까지

7-1 우주의 초기 모습을 알기 위해 필요한 양자론

ㆍ양자란 입자성과 파동성을 동시에 지닌 확률적인 것이다.

ㆍ우주론의 기둥 1) 양자론 + 2) 상대성이론

7-2 빅뱅 이전에 ‘인플레이션’이 있었다?

7-3 시공간마저 무너뜨리는 무서운 특이점

ㆍ아인슈타인의 일반상대성이론에서는 특이점이 반드시 생길 수밖에 없다는 매우 어려운 내용을 증명한 사람은 스티븐 호킹과 로저 펜로즈이다. 그 이전인 1963년에는 러시아의 물리학자 이브게니 미하일로비치 리프시츠와 이사크 M. 할라트니코프가 인위적인 가설을 토대로 대칭성이 높은 우주에서만 특이점이 생기며 실제 우주에서는 복잡하기 때문에 특이점이 생기지 않는다고 주장하기도 했다. 예컨대 이들의 주장은 ‘우주의 시작은 없다’는 것이다. 그 후 1965년에 호킹과 펜로즈는 그 주장이 잘못된 것이며 특이점은 상대성이론에서 피할 수 없는 문제임을 수학적으로 증명하였다.

7-4 우주 탄생의 지표, 플랑크

7-5 우주 초기의 시간은 허수시간

7-6 호킹이 생각해낸 호두우주

7-7 결국 사건의 진상은 ‘무의 세계’

ㆍ오래전부터 우주의 탄생에 관한 문제는 철학자와 과학자, 종교학자 모두에게 골칫거리였다. 현대 물리학과 우주론에서도 예외는 아니다. 시작도 없이 우주는 영원히 계속되고 있다는 프레드 호일의 정상우주론도 이 고민으로부터 벗어날 수 있는 하나의 방법이기는 하지만, 빌렌킨은 ‘어차피 탄생된 것은 탄생된 것이니까 태도를 바꾸면 되지 않을까?’ 하고 생각했다. 탄생되기 전에는 아무것도 없었기 때문에 결국 우주는 ‘무’에서 탄생되었다는 것이다.

7-8 아인슈타인이 꿈꾼 대통일장이론

7-9 잃어버린 반물질의 수수께끼

제8장 양자중력이론에 근거를 둔 새로운 우주론

8-1 고상한 ‘초끈’의 세계

8-2 11차원으로 시각화된 브레인우주론

8-3 우주 팽창의 수수께끼를 푸는 열쇠, 제5원소

8-4 초끈을 묶어내는 M이란?

8-5 시공간을 소멸시키는 루프양자중력

8-6 팽창의 끝, 우주의 종말