물리학읽기

3.5수제4일 뉴턴의세계는수학적으로표현된데모크리토스의세계인것 세계는거대하고무한한공간으로만이루어져있고그속에서는시간의흐름에따라입자들이서로를끌어당기며움직인다 우리는이러한힘을기술하는정확한방정식을쓸수있다 자연의근본법칙들의체계는오직하나밖에없는데통찰력있는뉴턴이바로그것을발견하는행운을얻었다고19세기사람들은생각했다 두가지놀라운사실이밝혀진다 1.우리가보는거의모든현상들은중력과는다른단일한힘에의해지배된다는것:전자기력 물질을뭉치게하여고체가형성되도록하는것이바로이힘 분자속의원자들을뭉치게하고원자속의전자들을뭉치게하는것도이힘 이것이화학작용과생체작용을일어나게함 우리뇌의뉴런속에서작동하는것도이힘이고우리가지각하는세계에대한정보처리와우리가생각하는방식을지배하는것도이힘 마찰을일으켜미끄러지는물체를정지시키고낙하산착륙을부드럽게만들며전기모터와연소기관을돌리고불을켜고라디오를들을수있게해주는것도이힘 2.'장場field'이라는개념 전자기력이어떻게작용하는지에대한이해는마이클패러데이1791~1867와제임스클라크맥스웰1831~1879에의해 패러데이는정규교육을받지않은가난한런던사람 처음에는제본소에서일하다가이후한실험실에서일하게됨 그곳에서출중한능력을보여스승의신임을얻었고19세기물리학계에서가장훌륭한실험과학자이자위대한선지자로성장 그는수학을몰랐음에도물리학역사상가장훌륭한책가운데하나를쓴다 사실상방정식하나도없이 그는정신의눈으로물리학을보고정신의눈으로세계를창조했던것 맥스웰은부유한스코틀랜드귀족출신으로19세기가장훌륭한수학자중한사람 사회적출신뿐만아니라지적인스타일도몹시달랐지만두사람은서로를이해하는데성공 두종류의천재성을결합하여함께근대물리학의길을연다 충실한뉴턴주의자인패러데이는대전된물체들과자성을띤물체들과자성을띤물체들사이에서작용하는힘을이해하려고애쓴다 직관으로오늘날'장'이라고부르는실체의존재를앎 역선力線들은전기력과자기력을한물체에서다른물체로전달한다 패러데이는뉴턴이답을찾지못하고남긴문제를푼것 어떻게물체들이원거리에서서로끌어당기고밀어낼수있는지를합리적아방식으로이해하는열쇠를찾아냄 이후아인슈타인이패러데이의멋들어진해결책을뉴턴의중력이론에적용하게됨 '장'이라는새로운존재자를도입하면서패러데이는뉴턴의우아하고단순한존재론에서근본적으로벗어난다 세계는더이상시간의흐름에따라공간속에서움직이는입자들만으로이루어져있는것이아니다 새로운배수'장'이등장 역선들이실제로존재즉실재한다는결론을내린다 맥스웰은패러데이의아이디어가금광임을재빨리알아차린다 패러데이가말로만설명했던통찰을한쪽분량의방정식들로옮겨낸다 즉맥스웰방정식 이방정식들은전기장과자기장의작용을기술 수학버전으로된'패러데이선' 오늘날맥스웰방정식은모든전기현상과자기현상을기술하고안테나와라디오전기엔진컴퓨터등을설계하는데에일상적으로사용 원자들이어떻게작용하는지 돌을구성하는물질의입자들은왜서로붙어있는지 태양은어떻게작용하는지를설명하기위해서도이동일한방정식들이필요하다 이방정식들은놀랍도록다양한범위의수많은현상들을기술 우리가보는거의모든것들이맥스웰방정식으로잘기술된다 맥스웰방정식은빛이무엇인지를말해준다 맥스웰은패러데이의역선들이마치파도처럼물결칠수있음이예측된다는사실을알아차림 그는패러데이의역선들의파동이움직이는속도를계산한다 그결과빛의속도와정확히같다는것이밝혀진다 맥스웰은빛이란패러데이선들의빠른진동에다름아니라고이해 패러데이와맥스웰은전기와자기가어떻게작용하는지를밝혀냈을뿐만아니라부수적으로빛이무엇인지도일거에알아낸것 색이란무엇인가 빛이라는전자기파의주파수(진동의속도)이다 빛파동이더빨리진동하면빛은더파랗게된다 조금더느리게진동하면빛은더붉게된다 우리가지각하는색은서로다른주파수의전자기파를식별하는우리눈의수용체가생성해낸신경신호의심리물리적반응이다 방정식이빛과색의본질도설명 빛은이처럼패러데이선들의거미줄의빠른진동일뿐이다 호수수면처럼물결친다 우리는진동하는패러데이선들만본다 본다는것은빛을지각하는것이고빛은패러데이선들의움직임이니까 무언가가옮겨주지않고서는그어떤것도공간속의한곳에서다른곳으로뛰어넘어갈수없다 ..우리눈에보인다면그건아이들과우리사이에이진동하는선들의호수가있어서아이들의영상을우리에게옮겨주기때문 맥스웰은패러데이의선들이훨씬더낮은주파수로다시말해빛보다느린주파수로진동할수도있다는것을깨닫는다 ~p.64 맥스웰이이론적으로예견한이파동들은몇년뒤독일물리학자하인리히헤르츠가밝혀낸다 또몇년뒤굴리엘모마르코니가최초의무선전신을바또몇년뒤굴리엘모마르코니가최초의무선전신을발명한다 라디오텔레비전전화컴퓨터통신위성와이파이인터넷등현대의모든통신기술은맥스웰의예측을응용한것

3.6목제5일 세계는달라졌다 세계는더이상공간속의입자들만이아니라공간속의입자들과장들로이루어져있다 수십년뒤아인슈타인은그로부터놀라운귀결을이끌어낼것이다 아인슈타인그는학교에서배운것을공부한대신에유클리드의기하학원론과칸트의순수이성비판을읽곤했다 특수상대성이론은일반상대성이론보다더소화하기가어렵다 35세때발표한두번째상대성이론인'일반상대성이론'은물리학이만들어낸가장아름다운이론이며양자중력의첫째기둥이다 ~p.82

3.7금제6일 단테Dante Alighieri1265-1321의스승브루네토라티니Brunetto Latini의《보배의서Li tresor》고대프랑스어와이탈리아어가혼합되어쓰인일종의중세지식의백과사전 아인슈타인의시공간이굽어있다는것은내재적기하학의의미에서굽어있는것 즉그점들사이의거리들의연결이평면공간과같지않다는것 바깥쪽에서보지않고안쪽에있는채로곡률을이해하는방법 공간에서루프를만들어곡률을구하는방법 루프양자중력이론의루프들 ~p.104

3.8토제7일 시공은장이다 세계는장과입자로만이루어져있으며공간과시간은또다른장일뿐그것들과따로있는것이아니다 일반상대성이론과양자역학은너무도다르다 양자역학혹은양자론은복사강도측정광전효과원자연구등4반세기걸쳐참여했던실험결과들로부터직접비롯된것 세가지중심아이디어는입자성 비결정성 관계성 막스플랑크1858-1947 아인슈타인1879-1955 빛을포함해모든사물의바탕에는입자성이있다는것이새이론의초석 플랑크가양자역학의생부라면아인슈타인은그이론을낳고기른모친이라고할수있다 20세기초반20여년동안이론의발전을주도한이는덴마크인닐스보어1885-1962 보어가연구하고있던원자의구조는20세기들어탐구되기시작 태양계구조같은원자구조의그림은물질에관한간단한사실을설명못함즉물질에색이있다는것을 맥스웰은색이빛의진동수라는것을이미발견했다 그래서물질에서방출된빛은특정진동수만을갖고있다 스펙트럼 왜물질마다이런저런스펙트럼을갖는가는 아무도알지못했다 색은빛의진동수즉패러데이선들이진동하는속도 이는또빛을방출하는전하들의진동에의해서결정 이전하들은원자의내부를돌고있는전자들 그래서스펙트럼을연구하면전자들이핵의주위에서어떻게진동하는지를알수있고... 왜원자의스펙트럼이불연속적일까 보어는아주이상해보이는가설을세움으로써방법을찾아냄 ...다시금열쇠는입자성이지만이번에는빛이아니라원자속전자들의에너지의입자성 자연의입자성이일반적이라는사실이분명해지기시작 보어는전자가핵으로부터어떤특정궤도에서만존재할수있으며그척도는플랑크상수h에의해서결정된다고가정 그리고전자들은허용된에너지를갖는한원자궤도에서다른원자궤도사이에서도약할수있다고가정 이것이그유명한양자도약Quantum Leap 이두가설에의해서정의된보어의원자모형은2013년탄생100주년맞이 보어는이러한가정을하고모든원자의스펙트럼을계산하고관찰되지않은스펙트럼들도정확히예측 그러나왜항상특정궤도뿐일까 전자가도약한다는것은무엇을의미히른것일까 한독일청년이그수수께끼의문을여는열쇠를발견 베르너하이젠베르크1901-1976가양자역학방정식을쓴것은25살때로아인슈타인이주요논문세편을썼을때와같은나이 하이젠베르크도정말아찔한아이디어를바탕으로방정식을만든다 양자예학의두번째초석이자가장어려운열쇠를발견한다 ... 얼마뒤그는당황스런결과를들고나타난다 그것은입자들의움직임에대한근본적인기술로서이이론에서는입자들의위치는모든순간기술되지않고오직특정순간의위치만기술되는것 입자들이다른무언가와상호작용하는순간만 그리고양자역학의두번째초석이자가장어려운열쇠가발견된다그것은바로모든사물의관계적양상 전자는항상존재하는것이아니라상호작용할때만존재 다른무언가와충돌할때에어떤장소에서물질화된다 한궤도에서다른궤도로의양자도약이전자가실재하게되는유일한방식 하나의전자는한상호작용에서다른상호작용으로의도약들의집합 그것을방해하는것이없다면전자는어디에도존재하지않는다 하이젠베르크전자의위치와속도를쓰는대신행렬(숫자표)을쓴다 전자의가능한상호작용들을나타내는숫자표들을곱하고나눈다계산결과는관찰된모든것들과완벽히들어맞는다 그것이바로양자역학의첫번째기본방정식 믿기힘들지만오늘까지도이방정식은결코틀린적이없다 그리고마침내또다른25살젊은이가나타나하이젠베르크의첫작업들을모아새로운이론을세우고수학적이고형식적인전체발판을마련 그가바로아인슈타인이후가장위대한물리학자로꼽히는영국인폴디랙1902-1984 디랙의양자역학은오늘날모든엔지니어들과화학자들과분자생물학자들이사용참고 그역학에서는모든대상들이어떤추상적공간(힐베르트공간)에의해서기술되고대상은질량과같은변하지않는것말고그자체어떤속성도갖지않는다 대상의위치와속도각운동량전위등등은다른대상과충돌할때에만실재성을얻는다 비결정성이양자역학의세번째초석 원자수준에어우연이작동하고있다는것을발견 양자역학에서는사건이일어날확률만을계산할수있을뿐 원자의궤도함수 ~p.125

3.9일제8일 저자카를로로벨리는슈뢰딩거를본문에선언급하지않고각주에서만잠깐그의파동함수에대해언급하고있다 부정적인시각으로 오늘날에도실재가슈뢰딩거의파동이라고생각함으로써양자역학을이해하고자하는사람들이있다 그러나하이젠베르크와디랙은이것이잘못된길이라는것을곧바로알아차린다 ...슈뢰딩거의파동은실재에대한유용한그림이아니라전자가어디에다시나타나는지를더정확히예측할수있는데도움이되는계산이다 ... 디랙의방정식은플랑크와아인슈타인이직관적으로이해했던빛의입자성을설명하는것 전자기파는패러데이선들의진동이지만작은척도로보면광자의무리이기도하다 광전효과에서처럼다른것들과상호작용할때에는입자처럼보인다 우리의눈에빛이개별광자로방울져서떨어지는것 광자는전기장의'양자'인것 그러나전자들과세계를구성하는다른모든입자들도마찬가지로장의'양자' 패러데이와맥스웰의장과비슷한'양자장'으로서입자성을지니고양자확률을따른다 디랙은전자와다른기본입자들의장에대한방정식을쓴다 특수상대성이론과양립하는양자론의일반적인형태는'양자장이론'이라고불리며오늘날입자물리학의기초가된다 광자가전자기장의양자이듯입자들은장의양자이며모든장은상호작용에서이러한입자구조를보인다 ~p.129

3.10월제9일 표준모형(기본입자들의)은1970년대에완성됐다 약15개의장들이존재하는데그장들의양자가기본입자들(전자쿼크뮤온중성미자힉스입자와다른몇가지)이다 여기에더해전자기력과원자핵차원에서작용하는다른힘들을기술하는전자기장같은장들이있다 30년이넘는기간동안입자물리학의모든실험은이표준모형을재확인하는것뿐이었다 최근사례는2013년화제가되었던힉스입자Higgs Boson의발견이다 힉스장field의양자인힉스입자가실제로관찰되었고표준모형이예측한속성을가지고있는것으로밝혀졌다 요컨대양자역학분야에서만들어진'표준모형'은대성공을거두었다 장/입자들로이루어진오늘날의양자역학은자연을놀랍도록잘기술한다 세계는장과입자로이루어져있는것이아니라단일한유형의대상으로이루어져있다 바로양자장이다 시간의흐름에따라공간속에서움직이는입자는더이상없다 시공속에서기본사건들이일어나는양자장만이존재할뿐이다 양자역학덕분에사물의본성에관한세가지측면을이해하게되었다고생각 그것은입자성비결정성관계성이다 1.자연에는근본적으로입자성이존재한다는것 물질과빛의입자성은양자역학의핵심 양자역학에서입자들은사라졌다가다시나타나고하는것들 양자역학의첫번째깊은의미는한체계내에존재할수있는정보에한계가있다는것즉존재할수있는가능한상태들의수에한계가있다는것 양자1:정보는유한하다 2.이세계는입자적인양자사건들의연속 이사건들은불연속적이고입자적이며개별적 그것들은한물리계와다른물리계사이의개별적상호작용 장의양자인전자나광자는공간속에서경로를따르는것이아니라다른어떤것과충돌할때특정시간에특정장소에나타나는것 언제어디에서나타날지를확실하게예측할수있는길은없다 양자역학은자연의심부에기본적인비결정성을도입한다 미래는정말로예측불가인것 이것이양자역학의두번째근복적인가르침 양자2:비결정성 양자역학이기술하는세계는사물들이끊임없이무작위적인변화를겪고있는세계 데모크리토스의후계자인원자론자에피쿠로스는스승의엄격한결정론을수정하여고대원자론에비결정성을도입한다 마치뉴턴의결정론적원자론에하이젠베르크가비결정성을도입한것과비슷 루크레티우스는이를"인케르토템포레...아케르티스쿠에로키스 불특정시간에불특정장소에서일어난다"로표현한다 이러한비결정성이그리고근본적인수준에서확률성이나타난다는것이양자역학으로빚어진세계의두번째주요발견 특정초기위치A에있던한전자가일정시간뒤최종위치B에서다시나타날확률계산은리처드파인만이발견 전자가A에서B로가기위해마치'모든가능한경로'를지나가는것같다는사실 구름속으로퍼져나갔다가는신기하게도B지점에서모여서다른것과다시충돌한다는것 양자사건의확률을계산하는방식을파인만경로합(또는파인만적분)이라고부른다 양자3:실재는관계적이다 세번째발견 가장심오하고가장어렵다 이것만큼은고대원자론이먼저얻지못했던부분 존재하는사물들의세계는가능한상호작용의세계로환원되는것 대상의모든특성들은오직다른대상과의관계에서만존재한다 자연의사실들은오직관계속에서만그려지는것 양자역학이기술하는세계에서는물리계들사이의관계속에서가아니고는그어떤실재도없다 양자역학의세계는대상들의세계가아니다 과정을기술하고과정들사이의상호작용인사건들을기술 요약하자면; 입자성:계의상태정보는유한하며플랑크상수에의해제한된다 비결정성:미래는과거에의해하나로결정되지않는다 더엄격한규칙성조차도통계적이다 관계성:자연의사건들은언제나상호작용이다 한체계의모든사건들은다른체계와관계하에일어난다 사물의속성은오직상호작용의순간에만즉과정의가장자리에서만입자적인모습으로나타나고그것도오직다른것들과의관계속에서만그러하다 그리고그속성들은단하나로예측할수없으며오직확률적으로만예측할수있다 이것이보어와하이젠베르크와디랙이사물본성의깊은곳까지파고들어가서밝혀낸것 ~p.137

3.14금제13일D-17 양자중력을이해하기위해서는우리의개념적기초가바뀌어야한다는것을처음깨달은사람은마트베이브론스테인1906-1938이었다 양자중력의개념적기초를정립한인물 공간과시간에대한우리의생각을근본적으로바꾸려고했다 양자중력의수수께끼를풀려고시도하는과정에서우연히다른문제들이풀려서노벨상을받은과학자들도있다 영국인크리스이샴1944- 양자중력문제에대한그의리뷰논문 존휠러1911-2008블랙홀이라는이름을붙이고대중화시킨사람 휠러는중력장의양자적속성때문에작은규모에서의공간개념을수정해야한다는브론스테인의가르침을깊이받아들이고서는이양자공간을생각하기위한이미지를찾았다 양자공간을중첩된기하학적구조들의구름으로상상했다양자전자를다양한위치들의구름으로생각할수있는것처럼 ...그러나우리가플랑크규모로까지내려가면공간은부서지고거품이인다 휠러는공간의이거품을서로다른기하학적구조들의확률파동을기술하기위한방법을모색 브라이트드위트1923-2004가열쇠를제공 간단한수학적기법을사용해얻은'공간의파동함수'의방정식 휠러-드위트방정식:이발상은훌륭했고양자중력이론구축시도들의기초가된다 그러나방정식에는심각하게문제가가득 수년동안연구자들은방정식의정의를개선하고여러가지방식으로수정하려고시도 1980년대끝무렵이되자안개가걷히기시작 놀랍게도휠러-드위트방정식의몇가지해가나타남 이방정식의이상한해를처음발견한사람:리스몰린(1955- )과테드제이콥슨(1954- ) 해들의희한한특성 공간속에서닫힌선들에의존한다는것 닫힌선은'고리'영어로루프 장차루프양자중력이론이될최초의작업들이나타남 루프이론혹은루프양자중력이론 루프이론이중력양자이론을연구하는유일한방향은아니지만가장전도유망하다고여기는이론(루프양자중력이론의대안중가장잘알려진것이끈이론이다) 이이론이열어보여준실재의풍경은이상하고당황스럽다

3.16일제15일D-15 책의말미에이르는중그동안언급없던끈이론다중우주평행우주얘기가잠깐나온다 끈이론가와루프이론가로대별되는경향이현대물리의현상황인가보다 그리고저자는평행우주다중우주끈이론을의심의눈초리로바라보는루프이론가이고 '그래서초대칭성이예측되었던곳에서나타나지않아서끈이론가들의얼굴은다소어두워지고루프이론가들의얼굴이더밝아진것은사실이지만이는여전히단서일뿐이지증거는아니다' 끈이론을연구하는대부분의물리학자들은LHC(대형강입자충돌기)라고불리는제네바에있는유럽입자물리연구소(세른)의새로운입자가속기가작동하기만하면끈이론이예측한새로운종류의입자를관찰할수있게되리라고기대했다 이른바초대칭입자 끈이론이일관되기위해서는이러한입자가필요하다 그때문에끈이론가들은그것들이발견되기를기대하고있는것 반면에루프양자중력이론은초대칭입자가없더라도잘정의된다 그래서루프이론가들은이러한입자들이존재하지않을것이라고생각하는편이다 초대칭입자는관찰되지않았고많은이들이크게실망했다 뒤이은2013년힉스보손Higgs boson의발견으로인한커다란소동이그러한실망을덮어주었다 초대칭입자는많은끈이론가들이기대한에너지수준에서는존재하지않았다 자연은두대안가운데루프이론쪽에호의적인작은단서를준것으로보인다 기초물리학과관련해서최근의중요한실험적결과는세가지이다 1.제네바의세른연구소에서힉스보손이발견된것 전세계수많은언론들이그소식을전했다 2.2013년에공개된플랑크인공위성이관측한자료 3.2016년초발표한최초의중력파검출 이것들이자연이최근에우리에게준세가지신호 힉스보손의발견은양자역학에기초한기본입자표준모형의확고한확증 그것은30년전에했던예측을검증한것 플랑크인공위성의측정결과는우주상수가있는일반상대성이론에기초한표준우주모형에대한확고한확증 중력파의검출은100년된이론인일반상대성이론의극적인확증 수많은과학자들이협력해엄청난기술적인노력을쏟고막대한비용을들여얻어낸이세가지결과들은우주의진화에대한우리의이미지를강화할뿐 많은이들은세른에서힉스보손이아니라초대칭입자를기대했다 많은이들은플랑크인공위성이표준모형과는불일치하는관측결과를내놓을것이라고기대했다 그래서대안적인다른우주론을즉일반상대성이론에대안적인다른이론을지지할관측결과를예측했던것 하지만아니었다 ..중략.. 제가언급한최근의세가지실험결과들은마치자연의목소리로말을하고있는듯하다 "새로운장과이상한입자부가적차원과또다른대칭평행우주끈등등을꿈꾸는일을그만하라ᆢ" 조르주르메트르1894-1966이젊은벨기에사제과학자는우주가처음에는작고압축되어있었는데거대한폭발로팽창을시작했다고주장 아인슈타인은처음에는우주의팽창에대해아주회의적 그는우주가고정되어있다고생각하며자랐는데그것이사실이아니었다는것을곧바로받아들일수가없었던것 후에아인슈타인은르메트르가옳았다는걸인정해야했다 아인슈타인은자신의방정식에작지만중요한수정을가했다 우주상수를도입한것 이후에아인슈타인이우주가정적이지않다는것을인정해야했을때그는우주상수에반감을가졌다 르메트르는우주상수를버릴이유가없다고했고르메트르가옳았다 우주상수는우주가팽창하는가속도를산출했으며이가속도는최근에즉정되었다 다시금아인슈타인이틀렸고르메트르가옳았다 과거로거슬러갈수록온도가올라가고물질과에너지의밀도가증가 그러다가플랑크규모에다다르는시점이있는데바로140억년전 그시점에서는더이상양자역학을무시할수없기때문에일반상대성이론의방정식들이유효하지않다 우리는양자중력의영역으로들어가는것

3.21금제20일 정보의개념이양자역학을이해하는데근본적이라는것을처음으로알아차린사람이양자중력의아버지존휠러였다 모든것은정보이다 세계에대한이해의기초에일반상대성이론과양자역학에더하여열이론즉통계역학과열역학즉정보이론까지도포함되어야한다는사실 일반상대성의열역학은즉공간양자의통계역학은아직걸음마단계 이책에서기술하는마지막물리학적아이디어 그것은열시간thermal time 시간의기원은열의기원과유사 시간의흐름을보여주는현상이벌어질때마다언제나열이발생 그리고열은많은변수들을평균화한것 열시간이라는아이디어는이러한관찰을뒤집는것 즉왜시간이열소산을낳는지를이해하려고하는대신왜열소산이시간을낳는지를묻는것 볼츠만의천재성덕분에열의개념이우리가많은변수들의평균량과만상호작용한다는사실로부터나온다는것을우리는알고있다 열시간이라는아이디어는시간의개념또한우리가많은변수들의평균량과만상호작용한다는사실에서나온다는점에착안한것 우리가한물리계에대한완전한기술에치중하는한물리계의모든변수들은동등하며어떤것도시간을나타내지않는다 그러나우리가물리계를많은변수들의평균량을가지고기술하자마자이평균량들이마치시간이존재하는것처럼작동하게된다 그시간에따라열이소산되어간다 양자중력이드러내보여주는세상은새롭게기묘하고신비로가득차있으면서도단순하고투명한아름다움을지닌정합적인세계이다 그것은공간속에존재하지않으며시간속에서펼쳐지지않는세계 상호작용하는양자장들로만이루어진세계 그장들이무리를지어상호작용하는조밀한연결망을통해공간시간입자파동빛을만들어내는그런세계 무한이없는세계 최소크기가존재해서그이하로는아무것도없기때문에무한하게작은것이존재하지않는세계 공간의양자가시공거품과섞이고세계의영역들사이의상관관계를엮어내는상호적인정보로부터사물의구조가태어난다 우리가일련의방정식으로기술하는법을알고있는세계이다