과학이론20 - 우주론 양자역학 진화론 분자생물학의 최전선 -

인공지능 시대에 알아야 할 과학 교양의 표본
우주론에서 양자역학 · 진화론 · 분자생물학까지 아우르다

과학의 시대다. 지난 100년간 과학은 사람들의 상상을 뛰어넘는 속도로 발전했고, 21세기인 지금은 전보다 더욱 빠른 속도로 발전하고 있다. 우리 주위를 둘러보자. 자동차, 스마트폰, 컴퓨터, 티브이, 세탁기, 청소기 등은 물론이고 우리가 입고 먹고 마시는 모든 것을 현대과학에 빚지고 있다.
인류는 문명이 태동한 이후 여러 지식체계를 발전시켰지만, 지금 우리의 생활과 생각에 가장 큰 영향을 미치고 있는 것은 바로 과학이다. 게다가 과학은 자신의 영역을 넘어 타 분야에도 엄청난 영향력을 발휘하고 있다. 이제 과학을 알지 못하면 경제 · 문화 · 예술 등 사회 전반을 이해하기가 매우 어려울 정도다. 과학 지식은 과학자의 전유물이 아닌 이 시대의 교양이 되어버렸다.

현대과학의 큰 흐름을 단박에 이해한다!
풍부한 사진과 그림으로 설명하는 과학이론의 최전선

우리 시대의 교양은 분명 과학이지만, 언제부터인가 과학은 우리 곁에서 사라졌다. 대부분의 사람들은 학창 시절 이후에 과학 책을 찾지 않는다. 과학이 우리에게 어떤 영향을 미치고 있는지 자각하고 있지도 않다. 그럼에도 매일같이 과학 뉴스가 쏟아져 나오고, 우리는 과학이 생산한 결과물만을 향유한다. 이 엄청난 간극 앞에서 저자는 과학을 우리 곁으로 되돌리고 싶다는 생각을 담아 《과학이론 20》을 집필했다.
이 책은 지난 100년간 눈부시게 발전해온 과학이론 중 20가지를 엄선해 소개하는 과학 교양서다. 우주론에서 물리학, 화학, 지구학, 생물학에 이르는 과학 전반을 조망한다. 많지 않은 분량에 폭넓은 과학 분야를 다루지만, 내용이나 구성에는 어수룩함이 없다. 과학계와 접점이 없는 일반인이 현대과학의 큰 흐름을 이해하는 것. 저자는 이 목표를 위해 책 구성과 내용에 심열을 기울였다.
인간이 살아가는 세계의 모습과 생물로서의 인간이라는 두 축을 기본으로 전체 얼개를 구성했으며, 일반 독자가 읽기에 너무 난해하지 않도록 단어와 내용을 최대한 신중하게 선택했다. 과학이론을 제한된 분량 안에서 최대한 쉽게 전달하면서도, 딱딱한 서술을 피하기 위해 과학이론이 만들어진 배경을 함께 설명했다.
어렵고 재미없는 과학 책이라는 편견에서 벗어나기 위한 저자의 노력은 계속 이어진다. 흔히 과학 책에 수식을 하나 넣을 때마다 독자가 천 명씩 떨어진다는 말을 하는데, 《과학이론 20》에서는 수식을 사용한 설명을 거의 찾아볼 수가 없다. 그만큼 철저하게 일반인의 시각과 눈높이에서 집필한 책이다. 수식이 없는 대신, 과학이론의 개념을 직관적으로 이해하고, 책 보는 재미를 더해줄 수 있도록 관련 사진과 그림, 도표 등을 많이 첨부했다. 풍부한 시각 자료들은 특히 물리학과 우주론을 이해하는 데에 큰 도움이 된다. 일반 상대성 이론이나 양자 역학에서 다루는 개념들은 매우 난해하지만, 시각 이미지를 매개로 접근하면 생각보다 이해하기가 쉬어지기 때문이다.
저자는 주제 선정에도 신경을 썼는데, 과학이 우리 생활과 친근한 학문이라는 사실을 알리기 위해서다. 예를 들어 우리 주변에서 흔히 보는 여러 원소들이 어떻게 만들어졌는지, 인간을 포함한 생명체의 시작은 무엇인지, 인류는 어떻게 진화해왔으며, 지구 환경은 어떻게 변화할지 등을 다뤘다.

우주의 근원은 무엇인가? 생명의 시작은 어디인가?
세상을 향한 궁극의 질문에 답하는 과학 탐구 교양서

앞서 말했듯 과학은 그 어느 때보다도 빠르게 발전하고 있다. 전 세계에 있는 약 6백만 명의 과학자들이 밤낮없이 연구에 연구를 거듭한 결과다. 이 때문에 과학도서도 최신 연구의 성과물을 담아내지 못하면 시대에 뒤처진, 간단히 말해 쓸모없는 지식을 전달하는 잘못을 범할 수도 있다.
《과학이론 20》은 과학계의 최신 동향을 소개하는 일에도 게으르지 않다. 소립자론의 정설로 인정받고 있는 ‘표준 이론’을 설명할 때 2012년에 발견된 힉스 입자를 빠뜨리지 않았으며, 2016년에 검출한 중력파 또한 놓치지 않고 설명하고 있다. 아직 검증 전 단계이기는 하지만 초대칭 이론과 초끈 이론 또한 해설한다. 인류 진화를 해명하는 이론에도 최근 많은 발전이 있었는데, 이 또한 충실하게 담았다. 아프리카인을 제외한 모든 인종이 네안데르탈인의 유전자를 지니고 있다는 사실이나, 호모 플로레시엔시스라는 새로운 종을 발견했다는 것 등을 소개한다.
과학은 방대한 지식체계다. 너무 광대하다 보니 과학자조차 자기 전공이 아닌 분야에 대해서는 일반인만큼이나 문외한일 정도다. 사정이 이렇다 보니 한 개인이 과학 분야 전체를 이해하는 일은 녹록치 않다.
이때 《과학이론 20》은 매우 유용하다. 마치 과학이란 망망대해에서 활용할 수 있는 지도와 같다. 이 책에서 정리한 물리학, 화학, 생물학 등을 숙지한다면 복잡하고 거대한 현대과학을 파악하는 데 큰 도움이 된다. ‘이 세계는 어떻게 탄생했는가? 그리고 진실한 모습은 무엇인가?’ 과학이론에 담겨 있는 세계를 향한 궁극적인 호기심을 이 책을 통해 채우면서, 자신의 교양을 한 단계 끌어올리기 바란다.

저 : 호소카와 히로아키

과학 전문 작가이며 일본조류학회와 생물문화지학회의 회원. 인간과 동물 사이의 관계와 특성을 파헤친 저서를 여러 권 집필했으며 첨단 기술과 과학 이론을 대중에게 소개하는 일에 매진 중이다. 저서로는 《알아둬야 할 자연 에너지의 기초 지식》 《우리 주변에 있는 새들의 신비》 등이 있다.

감수 : 다케우치 가오루

'과학을 쉽고 재미있게 소개하는 과학 저술가'로 널리 알려졌으며 일본에서는 많은 대중들이 그가 쓴 책을 읽으며 과학상식을 넓혀가고 있다. '유카와 가오루'라는 필명으로 추리 소설을 쓸 정도로 유연한 사고방식과 문학적 상상력까지 가지고 있으며, 과학에 대한 기초적인 상식만 가지고 있어도 충분히 이해할 수 있는 우주론으로 유명하다.

1960년 도쿄에서 태어났다. 도쿄 대학교 이학부 물리학과를 졸업하고 캐나다 맥길(McGill) 대학교 대학원에서 고에너지 물리학 박사 과정을 수료했다. 복잡하고 심층적인 우주론의 개념들을 명쾌하고 쉬운 논리로 풀어쓴 것도 장점이라고 할 수 있다. 저서로는 『과학은 if?』, 『판타스틱 두뇌탐험』, 『가설력』, 『싸우는 물리학자』 『한 권으로 충분한 우주론』등이 있다.

역 : 김정환

건국대학교 토목공학과를 졸업하고 일본 외국어전문학교 일한 통·번역과를 수료했다. 21세기가 시작되던 해에 우연히 서점에서 발견한 책 한 권에 흥미를 느끼고 번역의 세계를 발을 들여, 현재 번역 에이전시 엔터스코리아 출판기획 및 일본어 전문 번역가로 활동하고 있다.

경력이 쌓일수록 번역의 오묘함과 어려움을 느끼면서 항상 다음 책에서는 더 나은 번역, 자신에게 부끄럽지 않은 번역을 할 수 있도록 노력 중이다. 공대 출신의 번역가로서 공대의 특징인 논리성을 살리면서 번역에 필요한 문과의 감성을 접목하는 것이 목표다. 야구를 좋아해 한때 imbcsports.com에서 일본 야구 칼럼을 연재하기도 했다. 『하버드의 생각수업』, 《『내뱉고 후회하는 말버릇 바꾸기』, 《『차트의 기술』 등 다수의 책을 우리말로 옮겼다.  

머리말_ 001

Chapter 0 과학이론이란 무엇인가?
0-1 과학이론의 정체 _12
과학이론이란? / 이론을 제창한 과학자의 마음과 20세기의 분위기

Chapter 1 우주 : 시공간의 시작과 끝

1-1 우주 탄생의 이론_18
19세기까지의 우주관 / 아인슈타인의 한 걸음 / 허블 법칙
무(無)에서 탄생한 우주 / 네 가지 힘의 분리와 우주의 상전이
우주의 맑게 갬 / 제1세대 항성의 탄생

1-2 암흑물질과 암흑에너지가 지탱하는 우주_30
우주에서는 소수에 불과한 ‘물질’
우주 속에서 암흑물질이 맡은 역할 / 은하를 공전하는 항성의 비밀
우주의 계층 구조와 암흑물질 / 암흑에너지는 증가하는가?

1-3 우주의 종말 이론_40
변화하는 우주 / 우주의 끝 / 이윽고 수축으로 전환된다면
이대로 팽창이 계속된다면 / 가장 가능성이 높은 미래상
수소도 고갈된다

1-4 항성의 미래와 수명을 설명하는 이론_49
같은 소재에서 탄생하는 항성 / 항성은 집단으로 태어난다
항성의 색과 수명 / 항성의 진화와 최종 모습
항성을 지탱하는 힘 / 중성자별을 지탱하는 힘

1-5 블랙홀의 구조론_61
블랙홀의 구조 / 백색왜성, 중성자별, 블랙홀의 비교
블랙홀의 발견 / 은하 중심에 있는 거대한 블랙홀
특이점의 종류 / 블랙홀은 증발한다

Chapter 2 물리 : 힘과 물질의 근원 법칙

2-1 진화하는 소립자론_70
변해가는 소립자의 이미지
물질을 구성하는 소립자와 힘을 전달하는 소립자
양자ㆍ중성자의 구조와 원자핵의 이미지
중간자가 개척한 ‘장(場)’ 이론

2-2 아인슈타인의 상대성 이론_79
상대성 원리 / 광속은 변화하지 않는다 / 특수 상대성 이론
질량과 에너지의 등가성
중력을 가미한 일반 상대성 이론
중력 렌즈 / 중력과 시간의 관계

2-3 양자 가설에서 양자론으로_91
사실은 친근한 양자 역학 / 양자론을 향한 첫걸음
플랑크의 양자 가설과 아인슈타인의 광양자 가설
플랑크의 양자 가설에서 보어의 원자 모델로 / 전자의 파동성
슈뢰딩거 방정식으로 / 하이젠베르크의 불확정성 원리
‘상태의 중첩’과 ‘확률’의 세계

2-4 네 가지 힘과 대통일 이론_104
우주에 존재하는 네 가지 힘 / 소립자 크기의 물질에만 작용하는 힘
이론의 통일을 지향하다 / 통일장 이론을 향해

2-5 초끈 이론이 나타내는 것_113
만물은 끈으로 이루어져 있다 / 초끈 이론의 ‘초’란?
우주는 10차원? / 브레인이라는 막

Chapter 3 화학 : 원소를 만드는 연금술의 향연

3-1 원소의 기원론_122
모든 것은 원소로 구성되어 있다
우주에 두 번 있었던 핵융합의 타이밍
항성 내부에서 일어나고 있는 핵융합과 양자 터널 효과
초신성이 보여주는 연금술 / 우주 안의 물질 진화

3-2 전자 궤도와 원소 주기표_132
전자 궤도 / 전자 수에서 보이는 주기성 : 원소 주기표의 의미
전자가 채워지는 순서로 본 원소 주기표
각 전자 궤도의 이미지 / 특수한 탄소의 사례

3-3 양자 화학이 바꾸는 화학의 세계_143
좀 더 정확한 전자 궤도의 이미지 / 전자구름이 결정하는 원자의 크기
수소가 이원자 분자가 되는 이유 / 양자론이 개척한 ‘양자 화학’

Chapter 4 지구 : 대지의 과거 · 현재 · 미래

4-1 지진과 화산을 설명하는 판 구조론_154
대륙 이동설에서 판 구조론으로 / 지구의 구조와 전달되는 열
일본과 지진의 끊을 수 없는 관계 / 부가체와 일본의 탄생
화산이 생기는 장소

4-2 달은 행성의 충돌로 만들어졌다는 가설_164
달이 지구에 미친 영향 / 과거의 학설 / 거대 충돌설
달이 2개 있었을지도 모른다는 설
다른 행성과 위성의 상황을 설명하는 힌트인가?

4-3 기후 변화와 지구 온난화의 이론_174
에너지 흡수가 결정하는 지구의 평균 기온
기후 변화에 관여하는 요인
대기 중의 온실가스는 급격히 증가하고 있다
지구 온난화의 향방
· 은하에서 오는 우주선은 한랭화에 영향을 주는가?

Chapter 5 생물 : 생명의 기원과 진화

5-1 생명의 기원_186
‘생명의 근원’은 어디에서 왔을까?
오른쪽이냐 왼쪽이냐
원편광과 L형 아미노산의 관계 / 저온의 화학 공장
지구에 떨어지는 혜성에서 유래한 유기물
해저의 열수 분출구 근처에서

5-2 생물의 기본 원리_196
진행 중인 게놈 해석 / 생물의 조건 / 분자 생물학의 확립
생명의 설계도 / 진화와 쓰레기 DNA

5-3 대량 멸종과 진화 이론_205
변화하는 지구 / 대량 멸종은 하극상의 기회
공룡의 멸종이 포유류와 조류의 번성을 불렀다
멸종과 진화 / 조류가 가르쳐준 것

5-4 인류 진화론 : 분화, 공존, 교배_214
우리는 누구인가? / 포유류는 공룡과 거의 같은 시기에 탄생했다
영장류화 : 인류의 선조는 나무 위에서 진화했다
진화는 대지구대의 동쪽과 서쪽에서 각기 다르게 진행되었다?
아프리카를 벗어나다 : 아프리카 단일 기원설 / 공존하는 인류
네안데르탈인의 유전자

참고 문헌_226
찾아보기_227