책소개

이 책은 최근 물리학 최전선에서 논의되고 있는 초기 우주 급속팽창 이론인 인플레이션 우주론에 대하여 실험하고 검증하는 이야기를 담고 있습니다. 이는 물리학 중에서도 특히 입자물리학과 우주론 분야에 속하는 내용입니다.

초기 우주가 무지막지한 속도로 팽창했을 것이라는 소설과 같은 이론을 어떻게 실험으로 증명할 수 있을까요? 이 책에서는 이해의 기초가 되는 개념, 수식, 실험 과정 등을 소개합니다. 이 책의 내용은 결국 우리 우주가 어떻게 탄생되었나에 대한 비밀을 풀어 나가는 연구라고 할 수 있습니다. 흥미롭지요?

우리 우주가 현재까지 어떻게 진화해 왔는지에 대해서 말하는 ‘표준 우주론 모형’에는 설명하기 어려운 문제들, 즉 지평선 문제, 편평도 문제, 자기홀극 문제가 있습니다. 이 문제들을 20세기 중반을 지나면서 많은 천체물리학자 및 입자물리학자들에게 알려지기 시작했습니다. 이를 설명하기 위해서 1980년대에 초기 우주 급속팽창 이론, 즉 인플레이션 우주론이 제안된 것이지요.

우주의 역사에서 급속팽창의 시기가 필요한 이유도 결국 위 세 가지 문제를 해결하기 위함입니다. 그러므로 우리가 이 이론에 대해서 탐구하고, 또 그것이 실험적으로 검증 가능한 것인지를 함께 알아보는 것은 과학적으로 큰 의미가 있는 일이겠지요?



책 속으로



평소에는 잘 인지하고 있지 못하지만 우리가 속해 있는 우주는 상상하기 어려울 정도로 매우 큰 것으로 관측되고 있습니다. 막연히 크다고 알고 있는 우주가 얼마나 큰지, 그리고 어떠한 구조인지에 대한 이야기로부터 이 책의 내용을 시작하겠습니다. _14쪽



우리 우주는 만들어진 이후 계속 팽창하고 있습니다. 그렇지만 인류 역사의 대부분의 시기에는 우주를 이루고 있는 별들은 하늘에 고정되어 있고 우리가 살고 있는 지구가 우주의 중심이라는 생각이 지배적이었습니다. … 20세기 초에 이르러서야 우주가 팽창하고 있다는 사실이 관측으로 증명되었습니다. _22쪽



아인슈타인이 굳게 믿었던 정적인 상태 우주론은 1929년 에드윈 허블이 윌슨산의 천문대에서 발견한 사실에 의하여 사실이 아닌 것으로 판명됩니다. … 당시 허블은 우리 은하 밖에 멀리 떨어져 있는 은하계의 운동을 관찰하였습니다. … 그가 발견한 사실은 놀랍게도 대부분의 은하계는 태양계로부터 멀어지고 있을 뿐 아니라 더 먼 거리에 있는 은하계는 더 빠르게 태양계로부터 멀어진다는 것이었습니다. _35쪽



여러분들이 연필을 잡고 글을 쓸 경우 손에 있는 전자들과 연필 표면에 있는 전자들이 서로 가까이 있으려 하지 않기 때문에 연필을 손으로 잡고 종이에 글씨를 쓸 수 있는 것입니다. _56쪽



그림은 만일 빛의 속력의 95%까지 움직이는 자전거를 타고 달리면 도시의 풍경이 어떻게 보일 것인가에 대한 컴퓨터 계산 결과입니다. 빛의 속력이 유한하다는 점, 이동 방향으로 길이가 수축한다는 점, 자전거에 탄 사람이 보는 풍경은 그 사람에 동시에 도달하는 빛이 만들어 내는 영상이라는 점을 모두 고려하여 계산한 결과로 이해하면 되겠습니다. 흥미롭지요? 지끈지끈한 머리는 다 나았지만 자전거를 타서 어지러운가요? _98쪽



기초과학 분야에서 어느 정도의 성과를 이루려면 과학자들은 인내심을 가지고 장기적인 연구를 수행해야 한다는 점입니다. 연구비를 지원하는 정부도 단기에 과시적 성과를 바라는 것이 아니라, 수십 년 동안 지원할 수 있는 행정적인 기반을 마련해 놓아야 한다는 사실을 잊지 말아야 합니다. _227쪽

저자소개

목차

들어가는 말 4



 1장. 광활한 우주 13 

 1 소개의 글 13 

 2 넓고 넓은 우주 14 

 3 팽창하는 우주 21

　　○● 팽창하는 우주의 발견 22

　　○● 적색편이와 허블 32

　　○● 우주 팽창을 기술하는 산수 37

　　○● 우주의 팽창은 어떻게 이해해야 하는가? 41



 2장. 양자역학의 신세계 ? 요동치는 전자 45 

 1 빛에 대한 이야기 46

　　○● 목욕탕과 흑체복사 52

　　○● 서로 너무나 다른 빛과 전자 53 

 2 양자역학과 파동함수 60

　　○● 빛알갱이와 전자는 입자인가요, 파동인가요? 64

　　○● 현대 양자장 이론 70



 3장. 상대적 시공간 73 

 1 횃불은 다음 세대로 73 

 2 뉴턴이 생각한 시공간 77

　　○● 상대성원리 79

　　○● 뉴턴의 시공간과 우주의 끝 80 

 3 특수 상대성이론 83

　　○● 전지전능한 빛의 속력 84

　　○● 길이는 줄어들고 시간은 느려진다? 87 

 4 일반 상대성이론과 시공간 ― 아주 특별한 중력 98



 4장. 쪼개고 또 쪼개면? 111 

 1 가장 작은 알갱이 111 

 2 자연에 존재하는 기본적인 힘 126

　　○● 누구도 피할 수 없는 중력 126

　　○● 전자기력과 전자기파의 무지개 129

　　○● 종신형 감옥에 있는 쿼크와 강력 135

　　○● 약력과 동위원소, 그리고 중성미자 140 

 3 입자물리학의 표준모형 142

　　○● 쿼크와 경입자 143

　　○● 힘을 매개하는 입자들과 파인만 도식 146

　　○● 우리의 소원은 통일 149

　　○● 신의 입자? 힉스 입자? 153

　　○● 변하지 않는 물리량 155



 5장. 물질-반물질 문제 167 

 1 반물질은 어디로? 168

　　○● 원시 반물질이 사라지려면? 172

　　○● 중입자 번호 깨짐 조건이 필요한 이유 173

　　○● C, C P 대칭성 깨짐 현상이 필요한 이유 174

　　○● 열적 평형 조건이 깨지는 기간이 필요한 이유 180 

 2 C P 깨짐 현상을 좀 더 찾아라! 181



 6장. 대폭발과 태초의 빛 189 

 1 대폭발의 메아리? 190

　　○● 태초의 빛 ― 우주배경복사의 발견 190

　　○● 저희 실험실 이야기 198

　　○● 배경복사가 흑체복사? ― 살 빼기 작전 200 

 2 대폭발 메아리 형성은 언제, 어떻게? 204



 7장. 우주 예산 부족 문제 213 

 1 암흑물질 214

　　○● 암흑물질? 투명물질? 214

　　○● 암흑물질의 정체? 220

　　○● 암흑물질과 이휘소 박사 224 

 2 수수께끼의 암흑에너지 227 

 3 우주 예산 부족? 237



 8장. 초기 우주 급속팽창 이론 241 

 1 표준 우주론 모형과 문제점 242

　　○● 지평선 문제 242

　　○● 편평도 문제 245

　　○● 자기홀극 문제 249 

 2 초기 우주 급속팽창 이론 250

　　○● 급속팽창 이론이 필요한 이유는? 252

　　○● 피천득과 초기 우주 급속팽창 이론 255

　　○● 초기 우주 급속팽창 이론은 실험적 검증 가능? 258



 9장. 지상 망원경 실험 263 

 1 지상 망원경 실험: GB 264

　　○● 벨 실험 전체 회의와 가타야마 박사 264

　　○● GB 망원경 구조 267

　　○● GB 초점판과 검출기 270 

 2 스페인 카나리아 제도 272

　　○● GB 망원경을 이용한 관측 276

　　○● GB 망원경 운용 계획 280



부록: 눈금계수 a(t) 283

주요 수식 모음 290

참고자료 293 

찾아보기 305