"빅히스토리를 시간 순으로 쓰는 것은 이미 했으니 나는 물리학 자니까 굳이 시간 순으로 쓰지 않아도 되지 않을까? 세상 모든 것을 지금 이 순간에 딱 정지시켜서 클로즈업한 다음 쫙 스케일로 훑어보는 것도 방법이있지 않을까? 시간이 아니라 공간의 구조로 한번 세상 모든 것을 풀어보고 싶었어요-"
하늘과 바람과 별과 인간 ( 김상욱 ) 이책은 세상을 이해하기 위해 물리학의 경계를 넘은 여행기이자, 원자에서 인간까지 세상 모든 존재들에 대한 이야기를 담고 있습니다. 윤동주 시인의 '하늘과 바람과 별과 시'에서 영감을 받아 제목을 지었다고 합니다. 하늘에서는 우주와 법칙에 대해, 바람에서는 시간과 공간에 대해, 별에서는 물질과 에너지에 대해, 인간에서는 생명과 의식에 대해 말하여 줍니다.
하늘: 우주는 어떻게 탄생했고 어떻게 변화하고 있는지, 우주의 법칙은 어떻게 발견되고 적용되는지, 우주에서 인간의 위치와 역할은 무엇인지 등을 설명합니다.
우주의 탄생과 변화에 관한 대폭발 이론과 인플레이션 이론, 시간과 공간에 관한 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론, 물질과 에너지에 관한 양자역학과 양자장론, 생명과 의식에 관한 복잡계 이론과 신경과학 이러한 법칙들은 과학자들이 우주를 관찰하고 실험하면서 발견하고 검증했습니다. 예를 들어, 대폭발 이론은 허블-르메트르 법칙에 따라 우주가 팽창하고 있다는 것을 관찰하고, 우주의 온도와 밀도, 원소의 비율 등을 계산하여 예측했습니다. 특수 상대성 이론은 미셸송-모를레 실험에서 빛의 속도가 매체와 상관없이 일정하다는 것을 관찰하고, 빛의 입자성과 파동성, 에너지와 질량의 등가성 등을 예측했습니다. 양자역학은 블랙바디 복사와 광전효과, 특정 원자의 스펙트럼 등을 관찰하고, 물질의 파동성과 불확정성, 슈뢰딩거 방정식 등을 예측했습니다.
대폭발 이론은 우리가 우주의 나이와 구조, 미래를 알 수 있게 해 줍니다. 특수 상대성 이론은 우리가 원자력 발전소와 핵무기, GPS 등을 만들 수 있게 해 줍니다. 양자역학은 우리가 반도체와 레이저, MRI 등을 만들 수 있게 해 줍니다.
바람: 시간과 공간은 어떻게 정의되고 측정되는지, 시간과 공간의 특성과 한계는 무엇인지, 시간과 공간이 인간의 삶에 어떤 영향을 미치는지 등을 설명합니다. 시간과 공간은 상대적이라는 것을 특수 상대성 이론이 밝혔습니다. 즉, 우리가 측정하는 시간과 공간은 우리의 속도와 중력에 따라 달라집니다. 예를 들어, 우리보다 빠르게 움직이는 사람은 시간이 느리게 흐르고, 공간이 짧아지는 것처럼 보입니다. 이러한 현상은 우리의 일상생활에서는 거의 느낄 수 없지만, GPS와 같은 정밀한 기기에서는 고려해야 합니다. 시간과 공간은 우리의 인식과 기억에 영향을 줍니다. 우리는 시간과 공간을 감각적으로 인식하지만, 그것들은 실제로 존재하는 것이 아니라 우리의 뇌가 만들어내는 환상일 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 과거와 현재, 여기와 저기를 구분하지만, 그것들은 모두 하나의 연속적인 현실일 수 있습니다. 또한, 우리의 기억은 시간과 공간에 따라 변화하고 왜곡될 수 있습니다. 그리고 시간과 공간을 측정하고 관리하고 사용하는 방법에 따라 다른 문화와 사회를 형성합니다. 예를 들어, 선형적인 시간관을 가진 문화에서는 계획과 목표를 중요시하고, 순환적인 시간관을 가진 문화에서는 순응과 조화를 중요시합니다. 또한, 넓은 공간을 가진 사회에서는 자유와 개인주의를 중요시하고, 좁은 공간을 가진 사회에서는 협력과 집단주의를 중요시합니다.
별: 물질과 에너지는 어떻게 구성되고 변환되는지, 물질과 에너지의 성질과 보존법칙은 무엇인지, 물질과 에너지가 우주와 생명에 어떤 역할을 하는지 등을 설명합니다. 물질과 에너지는 우주의 구성 요소입니다. 우주의 모든 물체는 물질로 이루어져 있으며, 물질은 원자와 분자, 그리고 그것들을 구성하는 아원자 입자로 이루어져 있습니다. 물질은 에너지와 상호작용하며, 에너지는 물질의 운동과 변화를 일으킵니다. 에너지는 전자기파, 열, 빛, 전기, 화학반응 등 다양한 형태로 존재하며, 물질과 에너지는 상대성 이론에 따라 서로 변환될 수 있습니다. 또 물질과 에너지는 우주의 진화에 영향을 줍니다. 우주의 탄생과 초기에는 물질과 에너지가 고온과 고압으로 밀도가 매우 높았습니다. 그러다가 우주가 팽창하면서 온도와 압력이 낮아지고, 물질과 에너지가 서로 분리되었습니다. 그 후에는 원자핵이 생성되고, 원자가 생성되고, 분자가 생성되었습니다. 이러한 과정에서 중력, 전자기력, 강력, 약력 등의 기본 상호작용이 역할을 했습니다. 그리고 은하와 별이 형성되었고, 별에서는 핵융합 반응이 일어나서 다양한 원소가 생성되었습니다. 별이 죽으면서 초신성 폭발이 일어나고, 그 과정에서 희귀한 원소들도 생성되었습니다. 이렇게 해서 우주에는 다양한 물질과 에너지가 존재하게 되었습니다. 생명은 특정한 조건 하에서 복잡한 화학반응의 결과로 생겨났다고 생각됩니다. 이때 필요한 조건은 적절한 온도와 압력, 적당한 수분과 탄소화합물, 그리고 에너지의 공급입니다. 에너지는 생명체의 활동과 진화에 필수적인 요소입니다. 예를 들어, 태양으로부터 오는 빛은 식물이 광합성을 하여 유기물을 만들 수 있게 해 줍니다. 유기물은 동물이 소비하여 화학에너지로 변환하고, 그것을 근육운동이나 신경전달 등에 사용합니다.
인간: 생명은 어떻게 탄생하고 진화하는지, 생명의 특징과 다양성은 무엇인지, 생명이 가진 가치와 의미는 무엇인지 등을 설명합니다. 생명의 가치는 생명이 존재하는 사실 자체에 있습니다. 생명은 우주에서 흔하지 않은 현상이며, 복잡하고 다양한 형태와 기능을 갖고 있습니다. 생명은 물질과 에너지를 이용하여 자신을 유지하고 번식하며, 환경에 적응하고 진화합니다. 생명은 자신의 존재를 인식하고, 감정과 의지를 가지며, 문화와 사회를 형성합니다. 이러한 생명의 특징들은 생명이 가치 있고 존중받아야 한다는 근거가 됩니다..
물리학자로서 세상을 전부 이해하고 싶었지만 결국 도달한 결론은 세상을 이해하려면 물리를 넘어 다양한 학문이 필요하다는 것이었다. 과학의 영역도 이럴진대 인문학은 말할 것도 없다. 물리는 인간적이지 않다. 우주는 인간을 위해 만들어진 것이 아니다. 인간을 배제해야 물리를 더 잘 이해할 수 있다. 따라서 인간을 이해하기 위해서는 물리와는 완전히 다른 방법이 필요하다. 결국 세상을 제대로 이해하려면 물리의 경계를 넘어서야 한다. 이 책은 세상을 이해하기 위해 경계를 넘은 물리학자의 좌충우돌 여행기이자, 세상모든 것에 대해 알고 싶은 사람을 위한 지도책이다.
