상대성 이론이 양자역학을 만날때
모든 순간의 물리학 - 카를로 로벨리
총 7장으로 구성되어 있다. 글을 다 읽고 나면, 저자가 5장-공간 입자-를 설명하기 위해 앞의 장들을 소개했다는 생각이 들었다. 4장까지의 목차를 보면, 1장은 아인슈타인 상대성 이론, 2장 양자역학, 3장 공간(우주), 4장 입자에 관한 이야기이다. 그리고 5장에 이러한 것이 개운한 짬뽕처럼 엮인 루프 양자중력이론이 나온다. 단어만 보면 너무 어려운 용어처럼 들리지만, 저자는 개념 위주로 설명을 하기 때문에 과학에 흥미가 있는 분들은 쉽게 읽어볼 만한 책이라고 생각한다.
저자의 논리를 정리하면 다음과 같다.
첫 번째는 아인슈타인 상대성이론에 관한 것이다.
뉴턴에 의해 제안된 중력 이론은 완벽해 보였다. 그런데 왜 중력이 발생하는지에 대한 대답은 할 수 없었다. 한편 마이클 패러데이와, 맥스웰은 '장'이라는 개념과 함께 전자기학의 초석을 마련한다. 아인슈타인은 이러한 '장(Field)' 개념을 중력에 도입하여 중력장 개념을 만들어 낸다. 이를 수학적으로 풀어내면 질량이 있는 곳에 공간에 휘게 되므로, 물체끼리 잡아당기는 현상이 발생하는 것이다.
두 번째는 양자역학이다. 막스 플랑크는 빛이 양자화되어 있다는 것을 알아내지만, 그것이 어떻게 응용될지는 생각을 못 하고 있다. 덴마크의 닐스 보어는 원자모형에서 전자는 양자화되어 있다는 사실을 발견한다. 외각 전자는 연속적으로 운동을 하는 것이 아니라, 원자핵으로부터 띄엄띄엄 존재한다는 것이다. 이러한 양자역학의 개념은 하이젠베르크가 방정식으로 완성을 한다. 아인슈타인은 보어와의 논쟁을 통해 양자역학의 모순점을 끌어내려했지만, 그때마다 보어는 집요한 답변과 끊임없는 토론으로 양자역학의 틀을 마련한다.
그 이후 저자는 3장과 4장에서, 오늘날 우리가 바라보고 있는 지동설의 우주와 소립자 물리에 대해 언급을 하였다.
"루프 양자중력이론의 핵심은 일반 상대성 이론과 양자역학을 결합하려는 시도에서 나온 것으로 공간이 연속적이지 않으며, 무한하게 나누어지지도 않지만, 알갱이로 구성되어 있다는 것입니다."
그 후 대망의 5장 양자중력 개념이 '공간 입자'라는 소제목으로 소개된다. 이는 앞서 언급한 일반상대성 이론과 양자역학 개념을 혼합한 것이라 할 수 있다. 예를 들어, 아인슈타인은 질량에 의해 공간이 변형되어 중력이 발생한다고 했다. 그런데, 자자는 여기서 한발 더 나아간다. 공간의 의미는 무엇일까? 바로 양자화된 물질(?)들의 연속적인 배열이다. 이를 '루프 양자중력이론'이라고 한다. 아쉽게도 아직 검증되지 않았지만, 저자가 지속적으로 연구하는 분야라고 소개했다. 이렇게 우리가 살아가고 있는 '공간'의 개념을 멋지게 표현한다. 그럼 시간은?
시간의 흐름은 6장에서 통계역학으로 설명한다. 예를 들어 차가운 물질과 뜨거운 물질을 섞게 되면 물체는 차가워진다. 이것은 뜨거운 물질이 차가운 쪽으로 이동하는 '확률'이 높기 때문이다. 따라서 물리적 사건은 확률이 높은 쪽으로 일어나게 돼, 이를 통해 우리는 시간의 흐름을 느끼게 된다. 재미있는 설명이다. 얼마 전 읽어본 김상욱의 과학 공부에서도 유사 개념이 등장했었다.
이렇게 저자는 물리학의 큰 화두라 할 수 있는 공간과, 시간의 개념을 표현한다. 흥미로운 책이다.
- 스티븐 호킹의 '시간의 역사' 읽기 전후로 읽으면 요약서를 보는 느낌이다.
- 예전에 삼국지를 다 읽고 등장인물이 기억 안 나서 1000페이지가 넘는 요약본을 바로 읽었었다. 비슷한 느낌이다.
- 요새 본 과학책은 왜 전부 검정 표지인 걸까요?
