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물리학의 역사에서 가장 위대한 9가지 수수께끼

외계인들은 대체 어디 있는가? 우주의 95%를 차지한다는 암흑물질과 암흑 에너지는 대체 무엇으로 되어 있는가? 상자가 열릴 때까지 그 안에서 죽어 있으면서도 동시에 살아 있는 상태로 갇혀 있는 슈뢰딩거의 고양이란 무엇인가?『물리학 패러독스』에서는 시공간의 본질과 우주의 거시적, 미시적 성질에 대한 깊이 있는 질문들을 다룬다. 어떤 것들은 보기에 다소 이상할 수 있는 이론적 예측들이지만 이론의 뒤에 숨어있는 아이디어를 주의 깊게 살펴본다면 이해할 수 있는 것들이다. 저자는 학부에서 14년간 가르쳐온 풍부한 자료들 중에서 이야기를 시작한다. 이를테면 헛간 속의 장대 문제, 쌍둥이 패러독스, 할아버지 패러독스 같은 것들이다. 그 나머지 것들도 충분히 재미있는 문제들이다. 패러독스를 푸는 동안 독자들이 우주의 가장 먼 곳까지 돌아다니며 시공간의 본질을 탐구할 수 있도록 안내한다.

결국 패러독스를 함께 풀어보면서 독자는 물리학의 가장 중심에 서는 것을 느끼게 될 것이다. 당연하게 생각했던 시간의 흐름과 물질의 존재가 다시금 새롭게 정립되는 것이다. 또한 앞으로 고민해야 할 수많은 숙제들도 함께 생각해 보게 될 것이다.

-왜 우주에는 물질이 반물질보다 많은가?
-암흑 물질은 무엇으로 구성되어 있는가?
-완벽한 투명 망토는 가능한가?
-인간의 수명에는 절대적인 한계가 있을까?
-인간의 뇌는 어떻게 기억을 저장하고 불러낼까?
-지진을 예측할 수 있을까?
-컴퓨터의 계산 능력의 한계는 어디일까?

사실 위의 문제들은 저자가 살아있는 동안에 만족스러운 해답이 나오리라 예상하는 것들이었다. 하지만,

-기계도 의식을 가질 수 있을까?
-과거로의 시간여행은 가능할까?
-우주는 어떤 형태일까?
-사람을 순간이동(양자 텔레포트)시키는 것이 가능할까?

따위는 저자도 그 해답이 나오는 시간을 확신할 수 없다고 했다.

하지만 저자처럼, 우리가 고민하고 풀어나간다면 수많은 패러독스를 빠져나와 우리에게도 제2의, 제3의 아인슈타인이 탄생할 것이다.

감사의 말
서문
1. 게임 쇼 패러독스
2. 아킬레스와 거북이
3. 올버스의 역설
4. 맥스웰의 악마
5. 헛간 속의 장대
6. 쌍둥이 패러독스
7. 할아버지 패러독스
8. 라플라스의 악마
9. 슈뢰딩거의 고양이
10. 페르미의 역설
11. 남은 질문들
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앞으로 살펴볼 퍼즐 중 대부분은 처음 보았을 때 ‘패러독스처럼 보이는 가짜’가 아니라 진짜 패러독스로 느껴지는 것들이다. 그게 요점이다. 유명한 시간 여행자 패러독스의 간단한 버전을 보자. 만약 당신이 타임머신을 타고 과거로 돌아가 어렸을 때의 자신을 죽이면 어떻게 될까? 살인자인 당신은 어떻게 될까? 어렸을 때의 당신이 자라기도 전에 죽여 버렸으니 당신의 존재도 뿅하고 사라질까? 그렇다고 하면, 당신이 사람 잡는 시간 여행자가 될 때까지 나이를 먹는 일도 없을 텐데 누가 어린 당신을 죽일 수 있을까? 나이든 당신에게는 완벽한 알리바이가 생겨 버린다. 당신은 존재한 적도 없으니까! 당신이 시간 여행을 하고 어린 당신을 죽이러 갈 때까지 살아 있을 일이 없다면, 어린 당신이 죽을 일도 없고 살아남은 당신은 다시 나이를 먹고 시간 여행을 해서 다시 죽이러 가고, 그러면 또 살아남을 수 없고, 그런 식이다. 이렇게 보면 완벽한 논리적 패러독스처럼 보인다. 한편 물리학자들은 이론적으로나마 시간 여행의 가능성을 완전히 배제하지 않고 있다. 그렇다면 어떻게 이 패러독스에서 빠져나올 수 있을까?---9P


세 명의 여행자가 호텔에 하루를 묵게 되었다. 카운터에 있던 젊은 직원이 침대 3개짜리 방 하나에 30달러를 받았다. 세 명은 방값을 똑같이 나누기로 하고 각자 10달러씩 내고 키를 받아서 묵을 방으로 올라갔다. 잠시 후에 직원은 자기의 실수를 알아챘다. 호텔에서 할인 행사가 진행 중이라서 25달러만 받아야 했던 것이다. 그래서 매니저에게 야단맞기 싫은 이 직원은 카운터에서 5달러를 챙겨들고 계단을 올랐다. 방으로 향하던 중 그는 5달러를 세 명에게 똑같이 나누어 줄 수 없다는 걸 깨닫고는 1달러씩만 나눠 주고 나머지는 자기가 챙기기로 마음먹었다. 그럼 다 좋은 거 아니냐고 생각했다. 자, 여기서 문제가 생긴다. 3명은 각자 9달러씩 낸 셈이고 합하면 27달러인데, 직원이 챙긴 2달러를 합치면 29달러가 된다. 그럼 원래 30달러에서 1달러는 어디로 갔을까?---18p

날아가는 화살은 주어진 어떤 순간에 사진에서 볼 수 있는 것처럼 정해진 위치에 있다. 하지만 만약 우리가 이 순간만 볼 수 있다면, 그 자리에 있는 움직이지 않는 화살과 구분할 방법이 없다. 그러니 우리가 어떻게 화살이 움직이고 있다고 말할 수 있겠는가? 사실, 시간이라는 것은 이어지는 순간의 연속이므로 각각의 순간에 화살은 움직임이 없다. 움직이지 않는 것이다.---41p

비록 우주의 크기가 무한하지는 않지만 너무나 거대해서 사실상 끝없이 펼쳐져 있다고 볼 수 있다. 그러므로 우주의 어느 방향을 보더라도 별을 발견할 수 있어야 하고, 하늘은 낮이 되어 밝아지는 것보다 더 밝아야 한다. 사실, 해가 뜨고 지는 것과 관계 없이 하루 종일 밝아야 한다.---65p

열역학 제2법칙은 모든 것은 닳고, 식어 가고, 태엽은 풀리고, 낡고 쇠락한다는 것을 의미하며, 설탕이 뜨거운 물에 녹기는 하지만 다시 설탕이 되지 않는 이유를 설명한다. 또 물 속에 든 얼음이 왜 녹을 수밖에 없는지를 설명하기도 한다. 열은 항상 따뜻한 물에서 얼음으로 전달되며 그 반대는 성립하지 않기 때문이다.
하지만 왜 이래야만 하는 걸까? 만약 우리가 세상을 개별적인 원자와 분자의 상호 작용과 충돌로 볼 수 있다면 우리는 시간이 어느 쪽으로 흐르는지 말할 수 없을 것이다.---92p