빅뱅이 던진 사과 - 우주의 탄생부터 역학의 등장까지 하나의 흐름으로 읽는 통합과학 이야기

《빅뱅이 던진 사과》는 우리가 일상에서 무심하게 지나치는 과학적 사실들을 다시 바라보게 만드는 책이다. 고등학교 통합과학 수준에서 출발하지만, 단순한 개념 전달을 넘어 우주와 물질, 현대과학이 성립하게 된 사상의 흐름까지 자연스럽게 이어 주는 독특한 구성으로 이루어져 있다. 우주의 시작에서부터 원자의 탄생, 원소들의 질서, 새로운 소재의 등장, 그리고 근대과학의 태동과 뉴턴의 역학까지-거대한 시간의 흐름이 하나의 이야기로 묶여 있다.

 

하나의 점에서 출발한 우주가 원자를 만들고, 그 원자들이 모여 물질세계를 이루고, 마침내 인류의 사유와 실험을 거쳐 과학 법칙으로 정리되는 과정을 따라간다. 특히, 뉴턴의 만유인력과 운동 법칙은 단순히 별과 행성의 움직임을 설명하는 데 그치지 않고, 자연 현상을 수학적 언어로 표현할 수 있었다는 사실을 입증한다. 사과 한 알이 떨어지는 일상적인 현상이 곧 우주를 움직이는 원리와 연결되어 있다는 깨달음은 과학사의 가장 놀라운 전환점이었고, 이후 물리학의 거대한 발전을 이끌었음을 보여준다.

[목 차]
  

추천의 글

저자 서문

 

1부 우주의 탄생부터 원자의 생성

우주는 어떻게 만들어졌나?

소립자의 탄생 - 쿼크와 렙톤

원자의 탄생

빅뱅 이후 38만 년 후: 본격적인 원자들의 생성

물질과 반물질: 반물질로 이루어진 외계인과 악수 금지

박막 증착하기: 스퍼터링에 숨겨진 빅뱅

쉬어가기 표준측정단위 및 시간

 

2부 원자부터 반도체까지

원자는 어떻게 생겼을까?

양자역학의 전성기

원자를 atom, 원소를 element, 그리고 주기율표

초전도체

탄소나노튜브/풀러렌/그래핀

반도체

쉬어가기 길이

 

3부 역학의 탄생

대학의 설립: 칼리지의 시작

뉴턴 역학

가속도의 법칙

작용 반작용의 법칙

운동량과 충격량

중력의 한계

쉬어가기 질량

 

에필로그

[본 문]
  

26-27p

아인슈타인의 정적 우주론은 기본적으로 시간이 무한하여 시간의 시작과 현재까지의 경과를 측정할 수 없지만, 공간적으로는 무한하지 않고 우주의 크기가 한정되어 있다는 이론이다. 아인슈타인은 ‘우주상수’를 도입하여 우주가 수축하지 않고 균형을 유지하므로 본래 크기를 유지한다고 주장했다.

 

27-28p

우주가 변한다는 이론을 동적 우주론이라고 한다. 프리드만은 아인슈타인 방정식을 이용하여 프리드만 방정식을 유도했다. 이 방정식을 보면서 사색하던 프리드만은 우주의 전체 밀도와 곡률에 따라 우주가 팽창하거나 수축할 수 있다는 사실을 깨달았다. 이를 통해 우주가 정적이지 않고 시간이 지남에 따라 변할 수 있다는 동적 우주론을 정립했다.

 

40p

빅뱅에서 기억해야 하는 중요한 시간은 네 개가 있다. 첫째, 약 138억 년 전 빅뱅으로 우주가 생겼다. 둘째, 빅뱅 후 약 10-6초에 양성자와 중성자가 만들어졌다. 셋째, 빅뱅 후 약 3분, 헬륨 원자핵이 생성되었다. 넷째, 빅뱅 후 약 38만 년, 플라즈마 상태전자와 원자핵으로 구성에 있던 우주에서 비로소 원자가 생성되었다.

 

93p

돌턴은 모든 물질은 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 입자인 원자로 이루어져 있으며, 원자는 더 이상 쪼개지지 않는다는 원자론을 주장했다. 돌턴, 라부아지에를 비롯한 많은 과학자의 노력으로 원자론에 힘이 실리면서 물질을 구성하는 가장 작은 단위인 ‘원자’가 있다고 믿게 되었다.

 

110-111p

'양자'라는 용어는 양자역학 분야와 연관되어 물리적 특성을 나타내는 가장 기본적인 양 또는 단위를 의미한다. 양자역학은 원자 및 아원자 입자와 같이 가장 작은 기본 입자의 움직임을 다루는 물리학의 한 분야이다. 여기서 양자라는 개념은 전자 이전에 빛에 대한 논쟁에서 출발했다.

 

127p

원자와 원소를 구분하는 기준은 물질의 성질물성이다. 물성은 원소를 지칭하는 것이며, 물성이 빠져있으면 원자를 의미하는 것이다. 원소가 물질의 성질을 이용하여 구분하였으므로, 당연히 물질의 고유색을 이용해서 원소를 쉽게 구분할 수 있다.

 

144p

비저항이 0이면서 자석 위에 뜨는 마이스너현상이 일어나는 물질을 초전도체라고 한다. 전기저항이 0이 된다는 것은 꿈속에서나 가능하다고 여겼다. 물질에는 전기저항이 있으며 저항의 원인은 2가지가 있다. 첫째, 물질 내부에 있는 불순물, 결함 등과 전자가 충돌산란하면서 발생하는 저항과 둘째, 물질을 구성하는 원자들이 온도가 올라감에 따라 진동하는 현상 격자 떨림에 의한 저항이다.

 

167p

온도가 증가하면서 저항이 함께 증가하면 금속이고, 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하면 부도체 또는 반도체라고 한다. 부도체와 반도체는 저항값이 상당히 크면 부도체, 부도체에 비하여 저항값이 작으면 반도체라고 한다.

 

214-215p

뉴턴의 첫 번째 운동 법칙인 관성의 법칙은 다음과 같다. “물체에 힘이 작용하지 않으면 물체의 속도는 변하지 않는다. 달리 말하면, 알짜힘이 0이면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 유지하고 운동 중인 물체는 일정한 속도로 운동을 유지한다.

 

216p

뉴턴은 힘을 질량과 가속도의 곱으로 표현하였다. 가속도는 시간에 따른 속도의 변화량이다. 물체가 힘을 받으면서 운동하면 가속도운동을 한다. 물체가 움직일 때 힘을 받지 않으면 가속도가 없어서 일정한 속도로 움직이게 되며, 이것을 ‘등속운동’이라고 한다. 힘의 크기와 가속도가 일정한 경우를 ‘등가속도 운동’이라고 한다.