* 讀書記錄 151019
<백미러 속의 우주> 서평 별점 ; ★★★★, 도서관 대출
p48 C-대칭(charge conjugation 전하켤레)/p69 P-대칭(parity 거울)/p99 시간이동대칭/p101 T-대칭 (시간)/p162 병진대칭 Translational Symmetry/p165 회전대칭 Rotational Symmetry/p315 입자 맞바꾸기 대칭/p386 광역위상 대칭 Global Phase Symmetry
밑줄 긋기 먼저
* 밑줄 긋기
p10 과거를 돌아보면 물리학은 완전히 다르게 보였던 현상들이 동일한 원인의 결과임을 깨달을 때마다 커다란 도약을 이루어왔다. 그리고 공통점의 기원을 추적할 때마다 항상 ‘대칭 symmetry’이라는 개념에 도달하곤 했다.
p12 대부분의 사람들은 시간과 공간을 완전히 다른 개념으로 알고 있지만, 사실은 나비의 좌우 날개처럼 서로 대칭적이며 비슷한 기능을 발휘하고 있다.
p16 태양계의 행성들은 태양을 중심으로 타원궤도를 돌고 있지만, 태양과 행성 사이에 작용하는 중력(만유인력)은 모든 방향으로 똑같이 작용한다. ... 타원은 수학적으로 원만큼 완벽하지 않지만, 행성의 타원 궤도는 더 깊은 곳에 숨어 있는 대칭의 결과였던 것이다.
p17 “극도로 단순한 가정에 기초한 가설은 맞을 수 밖에 없다.” ... “아주 간단한 법칙에서 출발하면 블랙홀 주변에 작용하는 중력이나 자연의 기본 법칙 등 온갖 복잡한 계의 물리적 특성을 유도할 수 있다.” ... 조금, 아주 조금 과장해서 말하자면 물리학은 대칭을 연구하는 학문이다. 더 이상의 잔소리는 필요 없다.
p16 그러나 대칭이라는 개념에 눈을 뜨면 “모든 만물은 대칭적이다”라는 섣부른 가정에 빠지기 쉽다.
p20 흥미로운 이야기에 불가 판정이 내려진 것은 아쉬운 일이지만, 엄연한 과학적 사실이니 어쩌겠는가?
p22 일상적인 스케일의 물체들은 크기를 몇 배 늘이거나 줄여도 별 문제가 없지만, ... 원자 규모까지 축소되면 원리의 기능을 대부분 상실한다.
p23 비대칭도 매우 중요한 역할을 할 때가 있다.
p23 “페르시아의 양탄자는 완전하게 불완전하며, 정확하게 부정확하다.” - 전문가들의 주장에 의하면 전통적인 페르시아 양탄자는 부분적으로 대칭이 깨져 있어서 한층 더 아름답게 보인다고 한다.
p34 그래서 사람들은 1666년과 1905년을 ‘기적의 해 Miracle Year’라 부른다.
p45 순전히 이론적 계산을 통해 한 번도 발견된 적 없는 반입자의 존재를 예견했더니, 정말 황당하지 않은가?/p46 비결은 수학이다.
p51 이 무렵에는 에너지가 차고 넘쳐서 온갖 종류의 입자-반입자 쌍이 꾸준히 생겼다. ... 그 이후에도 우주는 꾸준히 팽창하면서 온도가 내려갔고, 어느 시점부터는 새로운 입자-반입자 쌍이 더 이상 생성되지 않았다.
p53 우리 물리학자들은 우주가 물질로만 이루어진 이유를 아직 알아내지 못했다. 물리학과 교수에게 물어보면 이런저런 설명을 해주겠지만, 결국은 “나도 잘 모르겠다”는 궁색한 답변으로 마무리될 것이다.
p55 루이스 캐럴 Lewis Carroll의 소설을 읽어봤다면 작가가 유난히 대칭에 집작한다는 사실을 눈치챘을 것이다.
p59 그러나 전자의 스핀은 지구의 스핀(자전)과 근본적으로 다르다. ; 내용을 알지 못하면 선입견이 편견에 사로잡히기 쉽다. Mystery circle의 경우 왜곡된 내용의 선입견을 통해 착각을 불러일으킨다./p59 소립자의 자전 속도는 절대로 변하지 않는다./p61 어떤 방향으로 측정하건 항상 ‘업’ 아니면 ‘다운’이다./뉴트리노는 항상 스핀이 ‘다운’인 상태로 방출된다. ... 핵분열 과정에서 생성된 반뉴트리노는 스핀이 항상 ‘업’이다.
p63 네덜란드의 화가 마우리츠 에스허르 Maurits Esher는 회문과 같은 대칭 구조를 그림에 도입하여 무한 공간을 예술적으로 표현했고, 요한 세바스티안 바흐 Johann Sebastian Bach는 두 개의 선율이 대칭적으로 진행하는 카논 cannon기법을 완성하여 서양 고전 음악의 아버지로 불리고 있다.
p65 설탕은 왼쪽과 오른쪽을 어떻게 구별하는 것일까?
p73 “CP-대칭의 위반 CP violation”/p75 지금 우리에게 중요한 사실은 “물질과 반물질을 뒤바꾼 후 거울에 비춰보면 원래와 같지 않다”는 것이다./약한 핵력, 즉 약력이 개입되면 물질과 반물질 사이에 비대칭이 야기된다. ... 물질과 반물질이 서로 다른 방식으로 붕괴된다는 사실만 확인되었을 뿐이다.
p74 케이온 ... 물리학자들은 케이온과 반케이온이 동일한 입자라고 믿고 있었는데, 붕괴방식이 서로 다르게 나타난 것이다.
p74 하나의 케이온은 아주 짧은 시간 안에 전자를 비롯한 몇 개의 소립자로 붕괴되고, 하나의 반케이온은 양전자를 비롯한 다른 소립자로 붕괴된다./p75 이들이 붕괴되면서 탄생한 전자와 양전자의 수도 같을 것이다. 그런데 현실은 그렇지 않다. 실제로 실험을 해보면 생성된 양전자의 수가 전자의 수보다 조금 많다.
p76 물리학자와 천문학자들은 “빅뱅 후 10^-35초가 지났을 무렵, 우주의 온도가 현재 태양 중심부의 온도의 100경 배(10^18배)였을 때 물질과 반물질의 양에 아주 작은 차이가 발생했을 것”으로 추정하고 있다.
p77 나는 전자가 -전하를 띠게 된 이유가 항상 궁금했다. ... 마침내 결론에 도달했다. “그냥 ...!” ; 존재론으로서 원인과 이유가 없는 존재.
p82 인과율 causality “원인은 항상 결과보다 먼저 일어난다.”
p91 현재 우주의 나이는 약 137억 년으로 추정되며, 앞으로 남은 수명은 거의 영원이나 다름없다. ; 거의 영원인 것에 동의하는데, ... 거의 영원인 것인가, 영원인 것인가?
p91 ‘인류 원리 Anthropic Principle’이다.
p95 지난 20년 동안 폭발하는 초신성 supernova을 관측하여 얻은 데이터를 분석해보면, 우주는 팽창할 뿐만 아니라, 팽창 속도가 점점 빨라지고 있다. 이것은 우주상수와 비슷한 그 무엇인가가 팽창을 재촉하고 있다는 강력한 증거이다. 요즘 우주론학자들은 이것을 ‘암흑에너지 dark energy’라 부르고 있는데,
p96 물리학의 기본 가정 중 하나는 자연을 관장하는 법칙들이 시간에 대하여 불변이라는 것이다. 부분적으로 변하는 듯한 증거가 있긴 하기만, 이 가정을 뒤엎을 정도는 아닌다. ; 이렇게 흥미로운 현상이란/p97 그중 가장 놀라운 현상이 1971년에 아프리카 가봉의 오클로 Oklo라는 마을에서 발견된 우라늄 광상이다. ... p98 지난 20억 년 사이에 핵력의 강도가 변했다면, 현재 남아 있는 흔적을 이용하여 변한 정도를 대충 알아낼 수 있다.
p103 CTP-변환 CTP transformation/p104 물리학이 ... 과거와 미래도 차별하지 않는다는 이야기다.
p105 열역학 제2법칙 ; 열은 어떤 경우에도 온도가 낮은 물체에서 온도가 높은 물제로 이동하지 않는다./독일의 물리학자 루트비히 볼츠만 Ludwig Boltzmann이 ‘엔트로피 entropy’라는 개념을 도입하면서 모든 혼란을 말끔하게 잠재웠다.
p108 기본적으로 엔트로피는 ‘동일한 거시상태에 속하는 미시상태의 수’로 정의된다.
p122 초기 우주처럼 중력이 모든 것을 좌우하는 우주에서 ‘매끈한 분포’는 가장 낮은 엔트로피에 해당하지만, 중력이 별로 중요하지 않은 미래의 우주에서는 매끈한 분포는 가장 높은 엔트로피에 해당한다.
p123 폴 스타인하르트 Paul Steinhardt ‘에크피로틱 우주모형 ekpyrotic model’/p124 숀 캐럴 Sean Carroll은 우리 우주에서 흐르는 시간이 엔트로피를 증가시키는 주된 요인이라고 주장한다.
p150 빅뱅이 일어나고 처음 10^-35초 동안 우주는 꽤 할동적이었다. 이 짧은 시간 사이에 우주는 10^60배 이상 커졌다.
p151 예를 들어 우주의 크기가 위에서 말한 10^10^29 m보다 작다면, 당신은 우주 전체를 통해 유일한 존재일 수도 있다. 이론적으로 계산된 다중우주의 최소 크기는 10^80 m인데, 이것도 엄청나게 크긴 하지만 당신과 완전히 똑같은 복사판 생명체가 존재하기에는 턱 없이 작다.
p154 ‘수학적으로 가능한 우주는 물리적으로도 얼마든지 존재할 수 있다. 이런 우주가 얼마나 많을지는 알 수 없지만, 자체 모순이 없다면 존재하지 않을 이유도 없다.’ ; 요술 공주 세리가 사는 별은 어쨌거나 존재하지 않는 것이군. 수학 자체가 세상이라는 말과도 일맥상통하네.
p159 입자물리학의 표준모형 standard model과 우주론에 등장하는 ‘단위없는 상수’는 최소한 25개 이상이며, 이들 사이에는 아무런 관련도 없다.
p157 미세구조상수 fine structure constance ; alpha=e^2/(hc)
p164 천문학자들은 이렇게 우주가 특별하게 보이는 방향을 ‘악의 축 Axis of Evil’이라 부른다.
p172 물리 법칙의 회전대칭은 역제곱법칙을 낳고, 여기에 우주의 균질성까지 고려하면 밤하늘이 어두운 이유를 설명할 수 있다. 이 미스터리를 푸는 열쇠는 다름 아닌 ‘시간’이다.
p174 그러나 고차원 공간에서는 천체들이 안정된 궤도를 도는 것이 원리적으로 불가능하다./p177 양자세계에서도 차원이 높아지면 안정된 궤도는 존재할 수 없다.
p177 시간이 2차원인 우주 ; 시간이 몇 차원이든 불가역적이라는 상황은 1차원과 동일하다는 것이 내 생각이다.
p186 에미 뇌터는 ‘수학적 불변량 invariants’의 전문가였다.
p188 물리학자들은 ‘시간 간격은 운동 상태 변환에 대하여 불변량이 아니다’라고 말한다./그러나 이 세상에는 불변량도 많다. 예를 들어 중력의 세기는 거리의 제곱에 반비례하지만, 방향과는 전혀 무관하다.
p191 뇌터의 (제1) 정리 ; 모든 대칭에는 그에 대응하는 불변량이 존재한다.
p192 시간의 불변성 → 에너지 보존, 공간 불변성 → 운동량 보존, 회전 불변성 → 각운동량 보전
p193 뇌터는 ‘물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않으면 에너지는 새로 창조되거나 파괴되지 않는다’는 것을 오직 수학적 논리만으로 증명했다. 이것이 바로 뇌터의 업적을 높이 평가해야 하는 이유다.
p195 법칙 자체에는 별 문제가 없지만, “자연은 왜 그런 법칙을 따라야만 하는가?”라는 질문에는 철저하게 모르쇠로 일관하고 있기 때문이다.
p201 페르마의 원리는 답을 구하는 도구가 아니라, 근본적인 단계에서 자연이 운영되는 방식을 설명하는 원리이기 때문이다.
p203 브라키스토크로 곡선 Brachistochrone curve
p320 우리가 동전 던지기를 무작위 게임으로 간주하는 이유는 이 모든 작업을 수행할 정도로 부지런한 사람이 없기 때문이다. 그러나 스핀의 경우에는 관측 결과를 미리 알려주는 데이터라는 것이 아예 존재하지 않는다. ; 동전 던지기가 무작위가 아님에도 무작위로 보이는 엔트로피와 확률은 내 직관으로 동감하기 어렵다.
p325 특수상대성이론에 의하면 어떤 정보도 빛보다 빠르게 전달될 수 없다. 그런데 양자적 얽힘은 이 대전제를 따르지 않고 있었다. ; 친구들과 대화에서 빛보다 빠르다고 평가한 관찰자는 어느 입장인가 논의되었지만 확정짓지 못했다.
p325 알랭 아스팩 Alain Aspect이 ... “양자적으로 얽힌 입자의 거동을 서술하는 이론은 존재하지 않는다.”는 사실을 증명했다.
p327 물리학자들은 ‘결어긋남 상태 decoherence’라고 부르는데, 쉽게 말해서 “양자적 얽힘은 영원히 지속될 수 없다”는 뜻이다.
p331 ‘노-클론 정리 No-Clon theorem’
p335 “파동의 세기는 진폭의 제곱에 비례한다.”
p339 (사실 물리학들은 워낙 썰렁한 사람들이라 파티에 초대되는 일이 거의 없다.) ... “그것 참 우아하군요!”
p356 -1은 물리학에서 자주 등장하는 상수이다. 특히 전기전하에서 가장 분명하게 드러난다.
p425 많은 사람들은 물리학 (일반적으로 모든 과학)을 “추상적인 대상을 연구하는 그들만의 학문”으로 생각하는 경향이 있는데, 나는 이것이 세상에서 가장 불공정한 편견이라고 생각한다.
p428 왜 어떤 대칭은 중요하고, 어떤 대칭은 찬밥 신세인가?/이들 중 물리학의 법칙이 ... 등방성 isotropy, ... 균질성 homogeneity, ... 시간불변성 time invariance은 발상 자체가 매우 자연스러워 반론의 여지가 별로 없다./약력과 강력을 낳은 대칭들은 “왜 하필 이 대칭인가?”라는 의문을 떨치기 어렵다. 수학적으로 비슷한 대칭은 이것 말고도 많기 때문이다. 우주는 왜 하필 그와 같은 대칭을 선택했을까?
p429 안드레이 사하로프의 말대로, 양손잡이 우주에서 물질이 반물질보다 많아질 수는 없다.
p430 “이론적으로 가능하면 대체로 현실에도 존재한다”
p430 강력에는 방향성이 없다./액시온 axion이라는 이름을 붙여놓았다. 액시온은 강력의 대칭을 설명해줄 뿐만 아니라, (만일 존재한다면) 전하는 없으면서 질량이 엄청나게 크기 때문에 암흑물질의 강력한 후보로 거론되고 있다.
p432 표준모형에는 모두 19개의 자유변수가 있는데, 여기에는 힘의 크기뿐만 아니라 다양한 입자의 질량 및 힘과 입자가 결합하는 방식이 포함되어 있다. 게다가 이들은 1이나 π처럼 수학적으로 깔끔한 숫자가 아니다. 예를 들어 전자력의 세기는 1/137.0359... 이고 힉스입자의 질량은 125GeV이다.
p433 질량의 출처는 힉스장이다. 그러나 힉스장을 도입해도 각 입자의 질량만은 여전히 손으로 입력하는 수 밖에 없다. ... 좀더 구체적으로 말하면 물리학의 가장 기본을 이루는 세 개의 상수(빛의 속도 c, 플랑크상수 h, 그리고 뉴턴의 중력상수 G)를 이리저리 조합해보는 식이다. 이 숫자들은 특정 힘이나 특정 대칭에만 관여하지 않는다는 점에서 매우 특별한 상수이다.
p434 ‘플랑크질량 Plank mass’ ... 양성자의 질량은 플랑크질량의 10^-19배이다.
p435 블랙홀의 중심과 빅뱅의 순간에 존재했을 특이점 singularity도 지독한 미스테리다.
p436 앞에서 나는 물리학자들이 표준모형에서 예견된 ‘모든’ 입자를 발견했다고 큰소리친 적이 있다. ... 원칙적으로 따지면 틀린 말은 아니다. 그러나 여기에는 커다란 부분이 누락되어 있다. ... 문제의 주인공은 우주의 에너지 밀도의 99%를 차지하고 있는 암흑물질과 암흑에너지이다.
p437 이론적으로 계산된 진공에너지 밀도가 실제 암흑에너지의 밀도보다 무려 10^120배나 크게 나온 것이다. 이론상으로 진공에너지는 1플랑크질량을 플랑크길이의 세제곱으로 나눈 값이다.
p439 이런 종류의 대칭 붕괴는 인간과 지구의 상호작용에 지대한 영향을 미쳤다. 생리학자이자 지리학자인 재레드 다이아몬드 Jared Diamond는 자신의 베스트셀러인 <총, 균, 쇠 Guns, Germs, and Steel>에서
p440 빅뱅 후 10^-36초까지는 물리학자들에게 매우 중요한 시간이었다.
p443 우리는 가상 입자에 의한 효과를 모두 제거하고 남은 전자의 맨전하 bare charge가 얼마인지 알 길이 없다.
p444 ‘점근적 자유도 asymptotic freedom’
p444 다른 힘들은 입자들 사이의 거리가 멀어질수록 약해지지만, 강력은 멀어질수록 점점 강해진다./글루온은 영화 <X-맨 X-Men>에 나오는 세바스찬 쇼와 비슷해서, 공격을 가할 수록 더욱 강해진다.
p445 현재 세계에서 출력이 가장 큰 입자가속기는 CERN에 있는 대형강입자출동기 LHC인데, 위 그림에서 약력과 강력, 그리고 전자기력이 하나로 만나는 점에 도달하려면 이보다 1조 배쯤 강력한 가속기가 있어야 한다. 우주 초기의 에너지를 재현하려면 거의 태양계 크기만 한 가속기를 만들어야 한다는 이야기다.
p448 최신 버전의 끈이론은 10차원 공간과 1차원 시간을 배경으로 하고 있는데, 실제 공간은 3차원이므로 나머지 7차원은 아주 작은 공간 속에 구겨져 있어야 한다.
p453 미국의 물리학자 개럿 리시 Garrett Lisi는 학자의 통념을 깬 ‘자유인’의 표본이다. 그는 어떤 학회에도 소속되지 않은 채 여름에는 하와이에서 서핑을 하고 겨울에는 콜로라도에서 스노보드를 타며 자유를 만끽하고 있다./그러나 2007년에 리시는 물리학의 ‘모든 것’을 설명하는 이론을 발표하여 세상을 놀라게 했다. 더욱 놀라운 것은 그의 이론이 너무도 아름받고 우아해서 선뜻 반론을 제기하기가 어렵다는 점이다.(아직 검증되지 않았다.)
p455 많은 물리학자들은 우주의 대칭을 이해하는 핵심 정보가 페르미온과 보존의 관계 속에 숨어 있을 것으로 추정하고 있다.
p457 파인만은 이런 생각을 별로 반기지 않았다. (하지만 그 역시 이 방법을 사용했다.) “재규격화 renormalization” 누가 뭐라 해도 나는 재규격화가 수학적으로 타당하지 않다고 생각한다. ; 나 역시 파인만과 같이 반기지 않지만 타협할 생각은 있다. 물리학은 수학이 아니니 말이다.
p458 초대칭 supersymmetry ; 나는 왜 ‘얽힘’ 또 다른 초대칭으로 설명하려 하지 않는지 의문스럽다.
p459 입자를 무더기로 양산하는 해법은 (1) 너무 쉬워서 물리학 학위가 없어도 누구나 이해할 수 있고, (2) 너무 시시해서 새로운 내용도 거의 없을 것 같다. 그러나 누차 강조한 바와 같이 성급한 판단은 금울이다.
p461 어떤 팽이가 어느 방향으로 쓰러질지는 예측할 수 없지만 일단 하나가 쓰러지면 대칭이 붕괴되고, 한 번 붕괴된 대칭은 (누군가가 팽이를 다시 돌려주지 않는 한) 영원히 복구되지 않는다.
p462 우주라는 거대한 기계장치의 작동원리는 ‘대칭’과 ‘무작위성’이라는 두 단어로 요약된다./사람들은 흔히 무작위성(또는 혼돈)을 악당의 특성으로 치부하고 가지러한 질서(대칭)를 영웅의 상징으로 여기는 경향이 있는데, 이것은 결코 공정한 생각이 아니다. 철학적 관점에서 볼 때 음과 양은 대립 관계가 아니라 조화롭게 공생하는 관계이다.
