들어가며: 과학은 우리가 무엇을 모르는지 꺠닫게 해준다
하나. 약속
1. 왼손과 오른손을 다르다
2. 왼손과 오른손은 닮았다
3. 모르면서도 약속할 수 있다
4. 왼손과 오른손 관계를 가진 다른 것들
5. 아레시보 메시지
6. 오즈마 문제
둘. 대칭
7. 아름다움
8. 대칭
9. 왼쪽과 오른쪽의 관계, 홀짝성
10. 대칭의 힘
11. 깨진 대칭
셋. 위, 아래
12. 물체는 아래로 떨어지므로
13. 거꾸로 매달려 사는 사람들
14. 달도 땅에 떨어진다, 중력
15. 위와 아래
16. 생물의 모양
17. 거꾸로 뒤집힌 세상
넷. 양과 음
18. 일상에서 느끼는 자연의 기본 힘
19. 전기의 발견
20. 전하, 전기를 짊어지다
21. 전류, 전기의 흐름
22. 전가의 흐름과 전류
23. 자석의 두 극
24. 힘과 마당
25. 한 극만 있는 자석도 있을까
다섯. 전기와 자기의 통합
26. 외르스테드의 발견
27. 마흐의 충격
28. 오른손 법칙
29. 전자기 대칭성과 힘의 통합
30. 전기로 움직이는 도구들
31. 전기와 자기의 대칭
32. 전기를 흐르게 하는 도구들
33. 자연에 공짜는 없다
34. 맥스웰과 빛
여섯. 다른 힘
35. 원자, 작은 자석
36. 약한 상호작용
37. 거울과 홀짝성
38. 홀짝성 위반
39. 오른손을 정의하는 방법, 오즈마 문제의 답
40. 중성미자
일곱. 자세한 이야기
41. 각운동량, 나선성
42. 못생긴 세상과 힉스 입자
43. 전하는 몇 종류인가
44. 반입자
45. 거울, 더 높은 차원
46. 시간 흐름
참고 문헌
주
“조금, 아주 조금 과장해서,
대칭이 빠진 물리학은 아무것도 아니다.”
─필립 앤더슨, 노벨 물리학상 수상자
우리는 대칭에서 아름다움을 느낀다. 타지마할의 좌우 대칭, 도자기의 회전 대칭, 화장실 타일의 이동 대칭에서 아름다움을 느낀다. 물리학자들도 다르지 않아서, 마치 물고기들이 짝짓기 대상으로 대칭적인 몸을 가진 물고기를 선호하는 것처럼, 대칭성을 지닌 물리 법칙을 선호한다. 하지만 물리학자들은 더 집요해서, 물리 법칙이 대칭성을 가지고 있어야만 한다고 믿는다.
물리학자들이 이토록 숭배하는 대칭들 가운데 하나가 바로 거울 대칭이었다. 말하자면, 물리학자들은 자연이 왼쪽과 오른쪽을 차별하지 않아서, 왼쪽으로 일어나는 일은 ‘모두’ 오른쪽으로도 일어날 수 있다고 아주 굳게 믿었다. 예를 들어, 곧게 뻗지 않고 왼쪽으로 조금 뒤틀려 자란 나무를 사진기로 찍어보자. 그리고 누군가에게 나무가 찍힌 사진을 보여주면, 그는 그 사진이 원본인지 좌우를 반전시킨 사진인지 결코 알 수 없다. 자연에는 왼쪽으로 뒤틀린 나무만큼이나 오른쪽으로 뒤틀린 나무도 많기 때문이다.
그러나 1956년에 이르러, 상황이 급격하게 바뀌었다. 물리학자들이 작은 입자를 관찰하다, 중성미자라는 입자가 오직 왼쪽으로만 돌아간다는 사실을 발견한 것이다. 거울 대칭이 깨진 것이다. 이는 우주가 근본적인 수준에서 비대칭적이고 자연이 왼쪽과 오른쪽을 차별한다는 것을 뜻하기에, 볼프강 파울리가 다음과 같이 경악하도록 만들었다. “신이 왼손잡이라니!”
파울리의 말대로, 자연은 정말로 왼쪽과 오른쪽을 차별하는 왼손잡이일까? “왼손과 오른손을 구별하는 것은 세상에서 가장 재미있는 게임 중 하나이므로, 읽는 이들은 스포일러를 보지 않고 책의 논리 과정을 따라가며 스스로 답을 찾아내기를 바란다. (… 무엇보다도 이 책의 결론은 (『마틴 가드너의 양손잡이 자연세계』에 실린 가드너의 결론과 다르므로 비판적으로 읽어주기를 바란다.”
대칭부터 전기와 자기까지,
약한 상호작용부터 끈이론까지
왼쪽
