시간 요약의 간략한 역사

시간의 간략한 역사 요약 | 스티븐 호킹

빅뱅에서 블랙홀까지

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시놉시스

시간의 간략한 역사 는 우주의 기원과 본질을 간결하게 요약한 책입니다. 스티븐 호킹은 과학적 이해의 진화를 통해 독자들을 안내합니다. 1600년대 뉴턴의 중력 법칙부터 시작해 우주의 시작에 대한 현대 이론까지 설명합니다. 이 책은 우주에 대한 명확하고 이해하기 쉬운 안내서입니다. 스티븐 호킹은 블랙홀에서 시간 여행에 이르기까지 우주의 가장 핵심적인 미스터리를 설명합니다. 

스티븐 호킹의 관점

스티븐 호킹 는 역사상 가장 뛰어난 이론 물리학자 중 한 명으로 꼽힙니다. 빅뱅에서 블랙홀에 이르기까지 우주의 기원과 구조에 대한 그의 연구는 이 분야에 혁명을 일으켰습니다. 호킹은 옥스퍼드에서 의사 집안에서 태어났습니다. 호킹은 1959년 10월 옥스퍼드 유니버시티 칼리지에서 대학 교육을 시작했습니다. 그는 물리학에서 일류 학사 학위(Hons.)를 받았습니다. 그 후 호킹은 1962년 10월 케임브리지 트리니티 홀에서 대학원 과정을 시작했습니다. 1966년 3월 일반 상대성 이론과 우주론을 전문으로 하는 응용 수학과 이론 물리학으로 박사 학위를 취득했습니다. 1979년부터 2009년까지 케임브리지 대학교의 루카시안 수학과 교수로 재직했습니다. 21세 때 케임브리지 대학에서 우주론을 공부하던 중 근위축성 측삭경화증(ALS) 진단을 받았습니다. 그의 인생 이야기의 일부는 2014년 영화 '모든 것의 이론'에 묘사되었습니다.

과거의 이론으로 미래를 예측할 수 있습니다.

스티븐 호킹은 독자들에게 이론이란 우리 환경 내의 관찰을 정확하게 설명하는 모델이라고 설명합니다. 가장 널리 받아들여지는 이론은 여러 실험에서 일관된 결과를 통해 뒷받침됩니다. 그런 다음 이러한 이론은 우리 환경에서 일어나는 일들이 어떻게 그리고 왜 일어나는지 설명합니다. 

호킹은 이론의 발전과 관련된 두 가지 이점을 제공합니다:

  1. 이론은 과학자들이 미래의 사건에 대해 예측할 수 있는 토대를 제공합니다. 호킹 박사는 뉴턴의 중력 이론을 예로 들었습니다. 이 이론을 통해 과학자들은 행성의 미래 움직임을 예측할 수 있었습니다.
  2. 이론이 완전히 통합된 적은 없습니다. 즉, 더 많은 증거가 드러나면서 지속적으로 개선될 수 있습니다. 이러한 반증 가능한 특성은 지식을 발전시키는 데 매우 중요합니다.

과학 이론을 통해 우리는 미래 우주의 본질을 유추할 수 있습니다. 그러나 과학 이론은 항상 진화하고 있으며 미래를 더욱 정확하게 예측하고 있습니다.

뉴턴의 중력 이론은 우리의 이해를 크게 발전시켰습니다.

뉴턴의 중력 이론은 혁명적이었습니다. 1600년대에 사람들은 물체가 자연적으로 절대 정지 상태에 있다고 믿었습니다. 따라서 어떤 작용을 하지 않으면 물체는 정지한 상태로 유지될 것입니다. 뉴턴은 우주의 모든 물체가 끊임없이 움직이고 있다고 주장함으로써 이러한 생각을 뒤집었습니다. 이 이론은 뉴턴이 행성들이 서로를 향해 계속 움직이는 것을 관찰함으로써 뒷받침되었습니다.

뉴턴의 세 가지 법칙

뉴턴의 발견을 바탕으로 그는 세 가지 법칙을 개발했습니다:

  1. 모든 물체는 다른 힘에 의해 작용하지 않으면 직선으로 계속 움직입니다.
  2. 물체는 작용하는 힘에 비례하는 속도로 속도가 빨라집니다. 또한 물체의 질량이 클수록 물체의 운동에 미치는 힘의 영향이 줄어듭니다.
  3. 우주의 모든 물체는 각 물체의 질량에 비례하는 힘으로 다른 물체를 끌어당깁니다.

뉴턴의 이론에 도전하는 빛의 속도

우리가 다른 물체에 대해 일정한 운동을 하고 있기 때문에 뉴턴은 속도를 다른 물체에 대한 상대적인 것으로 설명했습니다. 그러나 호킹은 빛의 속도에 대한 우리의 이해가 뉴턴 이론의 이 부분에 도전했다고 설명합니다. 빛의 속도는 상대적인 것이 아니라 항상 상수여야 합니다. 빛의 속도는 항상 초속 186,000마일입니다. 뉴턴 이론의 이 구멍에 대한 해결책은 20세기 초 알버트 아인슈타인에 의해 해결되었습니다. 바로 아인슈타인의 상대성 이론입니다.

시간은 고정되어 있지 않습니다.

상대성 이론은 빛의 속도가 상수라는 뉴턴의 중력 이론을 기반으로 합니다. 아인슈타인은 과학 법칙이 자유롭게 움직이는 모든 관찰자에게 동일하게 적용된다고 제안했습니다. 따라서 이것은 광속의 불변성을 설명합니다. 자유롭게 움직이는 관찰자의 속도에 상관없이 빛의 속도는 동일합니다. 이 원리의 이면에는 시간이 고정된 것이 아니라 상대적이기 때문입니다.

호킹은 이 점을 설명하기 위해 비유를 사용합니다. 두 명의 관찰자에게 섬광이 방출된다고 상상해 보세요. 관찰자 중 한 명은 빛을 향해 이동하고 있고 다른 한 명은 반대 방향으로 더 빠르게 이동하고 있습니다. 빛의 속도는 일정하기 때문에 각 관찰자마다 동일하게 유지됩니다. 그러나 시간은 이동한 거리를 속도로 나눈 값으로 결정됩니다. 따라서 두 관찰자는 서로 다른 시점에 방출된 빛을 인식하게 됩니다. 결정적으로, 이는 두 관찰자 모두 빛이 처음 방출된 시간을 잘못 기록할 수 없다는 것을 의미합니다. 대신 시간은 상대적이며 각 관찰자마다 고유합니다.

입자 측정에 도움이 되는 양자 상태

모든 물질은 입자로 구성되어 있습니다. 따라서 우주를 더 잘 이해하려면 입자의 행동 방식과 속도 등 입자에 대한 이해가 필요합니다. 하지만 호킹은 입자를 측정하기가 특히 어렵다고 설명합니다. 입자의 위치를 더 정확하게 측정하려고 할수록 그 속도는 더 불확실해집니다. 마찬가지로, 입자의 속도를 더 정확하게 측정하려고 할수록 입자의 위치는 덜 구체적이 됩니다. 이 현상은 1920년대에 발견되었으며 불확정성 원리라고 불립니다.

입자 측정의 한계를 극복하기 위해 과학자들은 입자의 양자 상태를 측정하기 시작했습니다. 양자 상태는 입자의 가능한 여러 위치와 속도를 결합한 것입니다. 따라서 현재 과학자가 입자의 정확한 위치와 속도를 관찰하는 것은 불가능합니다. 대신, 과학자들은 입자가 있을 수 있는 모든 위치를 추적하고 그중 가장 가능성이 높은 위치를 결정해야 합니다. 이를 위해서는 과학자들이 입자를 마치 파동처럼 관찰해야 합니다.

입자가 나타날 수 있는 다양한 위치는 연속적으로 진동하는 파동처럼 보이도록 그릴 수 있습니다. 파티클의 가장 가능성이 높은 위치는 호와 딥이 서로 일치하는 곳에서 발생합니다.

시공간을 휘게 하는 거대한 오브젝트가 중력을 유발합니다.

호킹은 거대한 물체의 중력이 시공간을 휘어지게 만든다고 설명합니다. 또한 태양과 같은 거대한 질량은 시공간을 변화시킵니다. 시공간을 공중에 펼쳐진 담요로 비유해 보겠습니다. 담요 한가운데에 물체를 놓으면 담요는 휘어지고 물체는 가라앉게 됩니다. 이 곡선이 만들어지면 다른 물체들도 시공간에서 이 곡선을 따라 움직입니다. 호킹은 물체가 항상 두 점 사이의 최단 경로를 따라 이동하기 때문이라고 설명합니다. 더 큰 물체의 경우, 이것은 원형 궤도입니다.

시공간은 우리가 사는 세계의 4차원입니다. 물리학자들은 우주에서 일어나는 사건을 설명할 때 시공간을 사용합니다. 이 과학자들에게 사건은 시공간의 특정 위치에서 발생합니다. 상대성 이론에 따르면 시간은 상대적이기 때문에 과학자들은 시간을 고려해야 합니다. 결국 시간은 사건의 본질을 설명하는 데 필수적인 요소입니다. 결정적으로 시공간에 대한 이해를 통해 중력 이론을 발전시킬 수 있었습니다.

붕괴 된 별은 블랙홀을 생성 할 수 있습니다.

별은 열과 빛을 생성하기 위해 엄청난 양의 에너지에 의존합니다. 또한 별은 수명이 길기 때문에 이 양이 축적됩니다. 이 에너지가 소진되면 별은 죽습니다. 그러면 별의 크기에 따라 별의 죽음의 산물이 결정됩니다. 예를 들어, 거대한 별은 블랙홀을 생성합니다. 

호킹 박사는 거대 별의 죽음이 블랙홀을 생성할 수 있는 이유를 설명합니다. 블랙홀은 거대한 별의 중력이 매우 강하기 때문에 이러한 사건에서 생성됩니다. 별은 강한 중력으로 인해 스스로 붕괴하는 것을 막기 위해 에너지를 사용합니다. 그러나 별의 에너지가 고갈되면 별은 스스로 붕괴하기 시작합니다. 주변의 모든 물질은 특이점이라고 불리는 무한히 밀도가 높은 구형 지점을 향해 안쪽으로 당겨집니다. 이 특이점을 우리는 블랙홀이라고 부릅니다.

블랙홀의 인력이 너무 강해서 빛이 블랙홀을 따라 휘어집니다. 또한 블랙홀의 강한 중력은 블랙홀 주변의 특정 경계를 넘어선 물체가 다시는 빠져나오지 못하게 합니다. 호킹은 이 돌아오지 않는 지점을 사건의 지평선이라고 불렀습니다. 빛은 우주에서 가장 빠르게 움직이는 것입니다. 그러나 빛조차도 블랙홀을 벗어날 수 없습니다. 빛은 블랙홀을 빠져나갈 수 없기 때문에 블랙홀을 관측할 때 딜레마가 생깁니다. 그러나 과학자들은 블랙홀이 물질을 빨아들여 찢어버릴 때 생성되는 엑스레이와 우주에 미치는 중력 효과를 찾습니다.

시간은 앞으로만 나아갈 수 있습니다

호킹은 에서 우주의 팽창으로 인해 시간이 앞으로 나아갈 수 있다고 설명합니다. 그러나 몇몇 과학자들은 우주가 수축하기 시작하고 시간이 거꾸로 흐르기 시작할 가능성을 포기하지 않고 있습니다. 그럼에도 불구하고 호킹은 시간이 앞으로만 나아갈 수 있음을 시사하는 몇 가지 강력한 지표가 있다고 주장합니다. 

시간의 화살

열역학 제2법칙을 엔트로피라고 합니다. 엔트로피는 무질서가 시간이 지남에 따라 증가하는 경향이 있음을 시사합니다. 무질서는 일반적으로 자발적으로 재질서화되지 않으며, 이는 시간이 앞으로만 나아갈 수 있음을 시사합니다. 예를 들어, 깨진 컵은 저절로 다시 정렬되지 않습니다. 이것이 시간의 열역학적 화살표입니다. 마찬가지로 여러분은 이 컵이 깨졌다는 기억을 갖게 될 것입니다. 그러나 이 사건이 일어나기 전에는 바닥에 놓여 있던 컵의 미래 위치를 기억할 수 없습니다. 이것이 바로 심리적 시간의 화살입니다. 마지막으로, 우주론적 시간의 화살은 우주가 팽창하는 것을 말합니다. 우주가 팽창함에 따라 엔트로피가 증가합니다. 

우주의 무질서가 최대 지점에 도달한다고 가정해 봅시다. 이 경우 우주는 수축하기 시작하여 우주론적 시간의 화살표를 거꾸로 돌릴 수 있습니다. 그러나 지적 존재는 무질서가 증가해야만 존재할 수 있기 때문에 우리는 그것을 알 수 없습니다. 우리는 음식을 에너지로 분해하는 엔트로피 과정에 의존하기 때문입니다. 그 결과 언젠가는 시간이 거꾸로 돌아갈 수도 있습니다. 하지만 우리는 그것을 볼 수 없을 것입니다.

네 가지 기본 힘

중력은 우주의 기본 힘 중 하나입니다. 하지만 호킹은 우주의 다른 세 가지 근본적인 힘을 설명합니다. 

전자기력

전자기력은 전하를 가진 모든 입자에서 관찰할 수 있습니다. 여기에는 전자와 쿼크가 포함됩니다. 또한 이러한 힘은 냉장고에 자석이 달라붙는 것과 같은 현상을 만들어냅니다. 이러한 힘은 인력이거나 반발력이 될 수 있습니다. 인력은 양전하를 띠는 입자와 음전하를 띠는 입자 사이에서 발생합니다. 반대로 반발력은 같은 전하를 띤 두 입자가 만날 때 발생합니다. 호킹은 이 힘이 중력보다 훨씬 강하며 아주 작은 원자에도 영향을 미친다고 강조합니다.

약한 핵력

약한 핵력은 물질을 구성하는 모든 입자에 작용합니다. 이 힘은 짧은 거리에서만 힘을 발휘할 수 있기 때문에 약한 힘으로 간주됩니다. 핵력은 방사능을 생성합니다. 더 높은 에너지에서는 약한 핵력의 강도가 전자기력과 일치할 때까지 증가합니다.

강력한 핵무기

이 핵력은 원자핵의 양성자와 중성자를 결합할 수 있습니다. 마찬가지로 양성자와 중성자 내의 작은 쿼크도 결합할 수 있습니다. 강한 핵력은 더 높은 에너지에서 약해지기 때문에 약한 핵력과 다릅니다. 

대통일 에너지

대통일 에너지라고 불리는 높은 에너지 상태가 존재합니다. 이 상태는 세 가지 힘이 모두 동일한 강도에 도달할 때 발생합니다. 이렇게 되면 세 힘은 하나의 힘의 다른 측면이 됩니다. 호킹은 이 단일 힘이 우리 우주를 창조하는 데 중요한 역할을 했을 수 있다고 제안합니다. 

빅뱅은 어떻게 일어났나요?

과학자들은 빅뱅이 일어났다는 사실에 거의 전적으로 동의합니다. 하지만 빅뱅이 어떻게 일어났는지에 대해서는 많은 과학자가 동의하지 않습니다. 하지만 빅뱅이 어떻게 일어날 수 있었는지에 대한 두 가지 주요 이론이 있습니다.

인기 빅뱅 모델

  • 우주는 0의 크기로 시작하여 무한히 뜨겁고 밀도가 높았습니다.
  • 빅뱅은 팽창을 일으켰고, 그 결과 우주의 온도가 냉각되었습니다. 이 냉각의 이유는 이제 온도가 더 확산되고 있기 때문입니다.
  • 이 확장팩의 첫 몇 시간 동안 현재 우주의 대부분의 원소가 만들어졌습니다.
  • 우주에서 더 큰 천체들은 중력으로 인해 회전하기 시작했고, 이로 인해 은하가 만들어졌습니다.
  • 그 후 수소와 헬륨 가스 구름이 은하 내에서 붕괴하기 시작했습니다. 원자의 충돌과 관련된 이 붕괴는 핵융합 반응을 일으켰습니다. 이러한 반응이 별의 기원이었습니다.
  • 이 별들의 죽음과 붕괴는 거대한 별 폭발을 일으켜 더 많은 원소를 우주로 방출했습니다. 이 원소들은 더 많은 별과 행성을 만드는 데 도움이 되었습니다.

인플레이션 모델

  • 초기 우주의 에너지는 매우 높았기 때문에 위에서 언급한 세 가지 힘의 강도가 같았습니다.
  • 우주의 팽창과 함께 이 세 가지 힘은 서로 다른 강점을 갖게 되었습니다. 이것은 빠르게 일어났습니다.
  • 힘의 세기가 나뉘면서 엄청난 양의 에너지가 방출되었습니다.
  • 에너지 방출로 인해 반중력 효과가 발생했습니다.
  • 반중력 효과로 인해 우주는 더욱 빠르게 팽창했습니다.

결론 견적

"모든 것을 지배하는 완전한 통일된 이론이 실제로 존재한다면, 아마도 그 이론이 우리의 행동도 결정할 것입니다. 그러나 그것은 인간처럼 복잡한 유기체에게는 계산이 불가능한 방식으로 그렇게 합니다. 인간에게 자유 의지가 있다고 말하는 이유는 인간이 어떤 행동을 할지 예측할 수 없기 때문입니다."

- 스티븐 호킹

평가

스토리샷 평점: 4.4/5

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