[폴 프램튼, 김진의] 입자이론의 역사 - 다윈과 셰익스피어 사이에서

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저자 : 폴 프램튼 / 김진의 / 최기영

원제 : History of Particle Theory
출판 : 동아시아 
출간 : 2022.01.28 

출판사 제공 도서

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궁금증으로 선택해서 읽었으나, 완전히 이해했다고 말할 수는 없는 책이었다. 

 

이 책은 두 명의 공저자가 저술한 책인데 어떤 방식으로 함께 작업했는지는 밝히지 않고 있다. 개인적으로는 한 장을 두 파트로 나누어 쓴 것이 아닌가 생각한다. 왜냐하면 한 장 내에서 같은 내용이 다소 뜬금없는 맥락에서 반복되는 경우가 많았기 때문이다. 특히 근대 이전 역사 부분을 다룬 초반에 그런 현상이 심했는데 초반 장은 프램튼-김진의 순, 후반 장은 김진의-프램튼 순이 아닌가 싶다. 

 

저자들은 이 책이 대중과학서라고 주장하고 있지만 내 개인적인 의견으로는 '대중서'라고 부르기에는 무리한 부분이 많다. 일단 각 이론이나 수식에 대한 주석이 거의 전무하다. 특히 논리의 전개에 있어 어째서 그 결론으로 달하는지를 따라가려면 언급하고 있는 학자의 이론을 개략적으로나마 이해하고 있어야 하는데, 최근의 이론들과 학자들이 쏟아져 나오기 시작하는 7장 이후부터는 거의 마음을 비우고 읽었다.

 

10장의 셰익스피어 발췌문들이 모두 영문으로만 수록된 점도 약간의 단점이라고 생각한다. 원문의 아름다움과 뉘앙스를 가장 잘 살리기 위한 선택이었겠지만 (근대 영어로 수정되었더라도) 번안문도 함께 실어주는 것이 어떤 의도로 발췌한 것인지를 더 효과적으로 전달할 수 있었을 것이라 생각한다. 

 

물론 흥미로운 부분도 많았다. 초반에는 현대 과학이 자리잡아온 역사들을 고대 그리스 철학에서부터 더듬어 올라온다. 당시에는 '과학'과 '신학'과 '철학'의 구분이 모호했으므로, 과학적 성취를 이뤄낸 이들이 철학자나 종교인인 경우도 드물지 않았다. 특히 측정과 실험이 어려웠던 시기에는 이론과 가정으로부터 출발해 관찰과 사고로 이론을 정립해야 했다. 특히 리정다오와 양전닝의 연구가 가지는 현대적 의의에 관해 자세히 다뤄준 부분이 좋았다. 이는 이전의 <빛의 양자컴퓨터>에서 조금 아쉬웠던 부분인데 개인적으로는 도움이 많이 되었다. 

 

또 뉴턴 역학으로 넘어오기 전, 천체 물리가 제대로 태동하기 위해 천문학과 점성술의 영역을 다루고 있는 파트도 흥미롭다. 과학자의 시각으로 바라보아 당대의 믿음과 종교에 대해서는 사뭇 거리를 두고 있지만 기본 내용은 <점성술로 되짚어보는 세계사>에서 다룬 부분들을 다시 떠올려볼 수 있었다. 간략하게 다루고 있지만 오히려 그 점 덕분에 케플러로 이어지는 인물의 흐름을 이해하기는 좋았던 듯하다. 

 

음... 하지만 일반 교양 도서로 추천하기는 조금 무리가 있다고 생각한다. '초끈이론', '장이론', '힉스 입자' 등에 관해 관심이 있는 분이라면 한 번쯤 도전해보시는 것도 좋겠다.

 

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- 이 책은 물질을 이루고 있는 가장 작은 입자를 연구하는 입자물리의 역사에 관한 대중과학서이다.

(리뷰자 주 : 솔직히 대중과학서라고 보기는 어려울 것 같다.)

 

- 이 책을 소개하자면, 먼저 3,000년 전 고대 그리스에서 원자를 처음 소개한 데모크리토스와 그리스의 선두적인 수학자 아르키메데스로부터 시작한다.(1장), 그 이후 르네상스 전까지 종교는 과학적 사고의 발전에 중요한 역할을 했으며(2장), 갈릴레이와 가톨릭 교회의 대립으로 이어진다. 르네상스 시기(3장)에는 과학의 여러 거인이 나타나 그리스 전통을 벗어버리고 이론은 실험 및 관측 데이터와 맞아야 한다는 과학적 방법을 진화시키게 된다. 여기서 뉴턴(4장)은 1687년 출간된 걸작 <프린키피아>와 함께 이론물리학을 체계적으로 만드는 독보적인 역할을 했다. 그의 만유인력 법칙은 지상뿐 아니라 천상에서의 물체의 운동도 잘 설명하는 수학적 방법을 보여주어 모든 것을 바꾸어 놓았다.

 

- 5장에서는 볼츠만이 만들어 낸 19세기의 발전에 대해 알아본다. 그는 열역학 제2법칙과 관련한 작업에서 원자의 존재를 가정했다. 또한 맥스웰과 전기와 자기의 고전적인 이론도 살펴본다. 20세기 초반에 양자 혁명이 일어났지만, 1930년대 중반까지도 기본입자로 포함된 것은 양성자, 중성자, 전자, 광자뿐이었으며 중성미자는 아이디어만 제시된 정도였다. 여기서부터 현대 입자물리학은 매우 빠르게 진화한다. 제2차 세계대전 이후, 양자 전기역학이 성공적으로 완성되고(6장) 전례가 없는 정도로 실험과 잘 일치하는 성과를 보게 되었다. 양자 전기역학을 넘어서는 결정적인 두 가지 진전이 양전닝에 의해 이루어지는데, 이는 양밀스 이론 Yang-Mills theory 또는 게이지 장 이론을 만든 것과 패리티 붕괴의 발견이었다. 같은 시기, 실험가들은 강한상호작용을 하는 수많은 입자를 발견했다.

 

- 이러한 혼돈의 상황(7장)은 겔만에 의해 정리되었다. 그는 SU(3) 분류법을 이용해 입자를 성공적으로 예견했고, 쿼크라는 아이디어에 이르렀다. 양자전기역학과 약한상호작용을 합한 전기약력이론의 통일(8장)은 글래쇼에 의해 시작되었으며, 와인버그와 살람에 의해 BEH 메커니즘과 합해졌고, 마침내 글래쇼, 일리오풀로스, 마이애미에 의해 완성되었다. 양자색역학(QCD)에서 색을 게이지해 강한상호작용을 설명하는 성공적 이론이 나왔고, 드디어 표준모형이 완성되었다. 이러한 모든 놀라운 발전에도 불구하고 여전히 답하지 못하는 질문들이 존재한다(9장). 그중에는 표준모형에 여전히 남아 있는 많은 변수의 문제, 그리고 우주를 구성하는 에너지의 5%만이 보통 물질이며 나머지는 알지 못하는 암흑물질과 암흑에너지라는 문제도 포함되어 있다. 

- 이 책은 1장에서 9장까지와는 아무런 관련이 없어 보이는 10장으로 끝난다. 여기서는 입자물리학에 관한 질문들과 생각들을 셰익스피어의 작품들에서 가져온 인용구들을 통해 알아본다. 아마도 셰익스피어는 오늘날 영문학 분야에서 과학 분야의 다윈과 뉴턴에 필적할 만한 지성으로 평가받는 영국인일 것이다.
 
- 입자물리학은 원자론의 손자뻘로, 우주의 궁극적인 법칙을 찾고자 한다. 그러나 수십 년의 노력에도 불구하고 만족할 만한 길은 아직 찾지 못했다. 많은 유명한 물리학자가 인류원리에 기대어 이러한 견해를 가지고 있다. 우주의 시작이 될 수 있는 거의 무한한 가능성 중에서, 우리가 현재 살고 있는 우주로 진화할 수 있는 조건을 만족하는 하나의 우주에 살고 있다는 것이다. 이는 진화의 원리에 속한다.  

- 빨간 책 교과서 파인만의 물리학 강의의 시작 부분에는 다음과 같은 말이 있다.
"만약 재앙이 일어나 모든 과학 지식이 파괴되고 다음 세대의 생명체에게 단 한 문장만 전달하라고 한다면, 어떤 문장이 가장 적은 단어로 가장 많은 정보를 담을 수 있을까? 나는 원자 가설에 대한 문장일 거라고 믿는다. 약간의 상상과 생각만 더한다면, 그 한 문장에 이 세상에 대한 엄청난 양의 정보가 포함되어 있다는 사실을 알아낼 수 있을 것이다."
(리뷰자 주 : <마법사 자노니> 또한 비슷한 평을 받았다.)

 

- 그는 1571년 12월 27일 미숙아로 태어났다. 임신 기간은 224일 9시간 53분이었다. 이 꼼꼼한 자료는 아더 괴슬러의 책 <몽유병자들>(1989)에 나와 있다. 케플러는 점성술과 천문학을 아주 진지하게 받아들였다. 그가 태어난 곳은 프랑스와 상당히 가까운 독일 남서쪽의 와인 지역인 바일이었다. 케플러의 가족과 비교해 보면, 브라헤의 가족 배경은 매우 평온해 보일 정도이다. 케플러의 할아버지는 바일의 시장이었다. 케플러는 할머니를 이렇게 묘사했다. "가만히 있지 못하고 영리하며, 거짓말을 하지만 종교에 헌신적이다. 날씬하고 불같은 성격, 활달하고 상습적인 말썽꾼, 질투심이 강하고, 증오심이 심하며, 폭력적이고, 원한을 잘 품는다... 그리고 할머니의 자녀들도 이러한 기질을 가지고 있다." 

- 아버지에 대해서는 이렇게 묘사했다. "악랄하고 융통성이 없으며 걸핏하면 싸우고, 나쁜 최후를 맞게 된 남자. 금성과 화성은 아버지의 악의를 증가시킨다. 황도 7궁(천칭자리)의 토성은 아버지에게 포격을 공부하게 했다." 어머니에 대한 묘사도 그다지 좋지는 않았다. "작고 날씬하고 거무스름하며, 수다스럽고 잘 싸우고 나쁜 기질이 있다." 어머니는 약초를 수집해, 마법의 힘을 가졌다는 물약을 만들었다. 케플러의 어머니는 이모의 손에 자랐는데, 그 이모는 마녀로 화형에 처해졌다. 또한 케플러의 어머니는 같은 마을에서 태어난 다른 여성이 공범으로 고발하는 바람에 마법을 사용했다는 죄명으로 감금된 일이 있었다. 케플러는 70세의 어머니가 이모와 같은 운명이 되는 것을 막기 위해 여러 변호사를 고용해야 했다.  

 

- 천 년에 한 번 나오는 지식인에 대해 성급히 판단하는 것은 조심해야 할 것이다. 그럼에도, 곧 살펴보게 되듯이 뉴턴은 전체적으로 그리 좋은 사람은 아니었다. 뉴턴에 대해 거의 완벽한 전기인 <결코 쉬지 않는>(1980)의 서문에서 리처드 웨스트폴은 20년 동안 뉴턴의 모든 것을 연구한 후에도 실제로 뉴턴으로서 산다는 것이 어떠한 것인지 여전히 이해할 수 없다고 썼다. 예를 들어, 현대의 매체들에서는 뉴턴을 항상 우울해 보이는 불행한 사람으로 묘사하고 있다. 하지만 아마도 자신의 뛰어난 창의력이 그에게는 충분한 것이었지도 모른다. 뉴턴은 결혼을 하지도, 여자 친구를 두지도 않았다. 하지만 1689년부터 1693년 사이에 스위스의 젊은 수학자 니콜라스 파티오 데 둘리에(1664~1753)와 평범하지 않은 관계를 나누긴 했다. 파티오는 뉴턴의 편을 들면서 뉴턴 라이프니츠 논쟁에 개입하려고 했다. 하지만 대부분의 학자들은 미적분을 뉴턴과 라이프니치가 각자 독자적으로 발견한 것으로 믿는다. 파티오와의 관계는 갑작스레 끝났고, 이 일은 분명히 뉴턴에게 정신적인 충격을 초래했다(1693). 그들의 관계에 성적인 요소가 있었는지는 밝혀지지 않았다. 

 

- 그리고 마침내 1687년에 출간해 자연히 영국의 제임스 2세에게 헌납한 <프린키피아>가 있다. 유럽의 위대한 과학자들이 이 책을 읽었다. 비록 초기에는 회의적인 시각이 있었지만, 이 책은 지속적으로 영향을 미쳐 학자들은 뉴턴이 남긴 업적의 탁월함에 충격을 받게 되었다. <프린키피아>는 150년에서 200년 동안 과학 그리고 고급 물리학에서 독보적인 위치를 유지했다. 유클리드의 <원론>처럼 2,000년이 지난 후에도 읽히지는 않을 것이다. 하지만 이는 수학과 물리학 사이의 학문적 특성 차이 때문이다. 수학의 결과물은 영구적인 데 비해, 물리학의 결과물은 끊임없이 발전한다. 2020년대에 활동하는 입자 이론가라면, 이제는 오래된 데다 다른 것으로 대체된 <프린키피아>를 읽을 필요는 없다. 그럼에도 불구하고, 뉴턴이 존재하지 않았다면 물리학은 현재 수준보다 수십 년 또는 수세기 뒤처졌을지도 모른다는 것을 우리는 인정해야만 한다. 

 

- 그의 친구인 이노스트란체프에 따르면, 멘델레예프는 꿈속에서 원소들이 완전한 배치를 이루는 모습을 보았다고 한다. 멘델레예프 사망 50주년을 맞아 케드로프가 인용한 바에 의하면, 그는 "나는 꿈에서 표 하나를 보았다. 그 안에는 모든 원소가 규칙에 따라 제자리에 놓여 있었다. 일어나자마자 나는 즉시 종이에 그 표를 적었다. 오직 한 곳만 나중에 수정해야 할 것 같았다"라고 말했다. 이 패턴에 맞추어 다른 원소들을 더해, 멘델레예프는 원자 질량에 배열하는 주기적인 방식으로 원소를 채워 넣었다. 그림 1에서 이를 볼 수 있다. 이렇게 해서 유사한 성질을 가진 원소들의 그룹이 수평 열에 놓이게 되었다(현재 화학적인 그룹은 멘델레예프 표의 수평 열과 다르게 수직 열로 배치되어 있다). 멘델레예프의 주기율표는 63개의 원소에 대해 8개의 주기를 가지고 있었다. 

 

- 터널링 현미경으로도 원자의 회전을 볼 수는 없다. 요즘은 종종 TV 뉴스를 통해 현재 나노기술의 성과를 보곤 한다. 그 기술은 1,000만 분의 lcm, 즉 원자 크기의 약 열 배에 달하는 크기보다도 큰 영상을 보여준다. 심지어 요즘 출간되는 인기 있는 물리학 서적들 조차도 기본입자의 회전이 중요하다는 것을 강조하지 않는다. 'V-A' 이론을 외친 네 사람이 노벨 위원회의 인정을 받지 못했기 때문이다. 이제 위원회는 그 기회를 놓치고 말았다. 기본입자의 회전과 관련된 상호작용을 최초로 발견한 네 사람(파인만, 겔만, 마샥, 수다르샨)이 모두 세상을 떠났기 때문이다. 8장의 시작 부분에서 그들의 아이디어에 대해 더 다룰 것이다. 

- 그리스인들은 태양, 달, 행성이 궤도를 따라 회전하는 것을 알고 있었지만, 그 회전 개념이 그리스인들의 원자론에는 적용되지 않았다. 그 당시 회전 개념을 적용했다 하더라도, 이러한 종류의 궤도는 그들의 원자론에 성공적으로 들어갈 수 없었을 것이다. 그림 3(a)은 한 사이클에 대한 궤도 회전을 보여준다. 위에서 보면 반시계 방향으로, 아래에서 보면 시계 방향으로 회전하고 있다. 따라서 하늘에서는 별의 회전 방향이 시계 방향인지, 반시계 방향인지 구분되지 않는다. 그러나 땅 위에서 팽이가 회전하고 있다면 시계 방향으로 회전하는지, 반시계 방향으로 회전하는지 알 수 있다.

 

- 타우-세타 문제의 해답은 핵의 베타붕괴, 하이퍼론 붕괴, 중간자의 붕괴에서 약한상호작용이 '반전성 작용'이라고 불리는 공간을 바꾸는 대칭을 일반적으로 만족시키지 않는다는 것이다. 1956년 말, 리정다오(1926~)와 양전닝 (1922~ )은 약한상호작용에서 반전성이 깨져 있음을 제안했다. 반전성 깨짐은 네 가지 알려진 힘(전자기력, 약한핵력, 강한핵력, 중력) 중에서 약한상호작용에만 있는 특징이다. 리정다오와 양전닝의 논문은 약한상호작용이 반전성을 보존하는가에 대한 중요한 실험적 의문을 불러일으켰다. 즉, 거울 대칭인 실험에서도 그 결과가 똑같이 나올까 하는 것이었다. 양전닝은 이 책의 첫 번째 저자에게 그들은 반전성이 깨져 있을 것이라고 기대하지 않았으며, 그래서 실제로 연구주제를 통계역학으로 바꾸었다고 말한 바 있다. 그럼에도 불구하고, 우젠슝과 그 동료들의 실험으로 약한상호작용에서는 반전성이 완전히 깨져 있다는 것이 증명되었을 때 리정다오와 양전닝은 놀라고 기뻐했다. 이 실험은 편극화된 코발트60 핵의 베타붕괴를 연구한 것으로, 모리스 골드하버(1911~2011)가 리정다오와 양전닝에게 제안한 것이었다. 이 결과는 모든 물리학자들을 놀라게 했으며 1957년 노벨상 수상에 이르게 된다. 약한상호작용에서 반전성 깨짐은 입자물리학이라는 새로운 분야를 열었다. 1957년 이전에는 '입자물리학'이라는 단어가 없었다. 1957년 이후, 입자물리학자들은 핵물리 연구로부터 떨어져 나와 핵의 크기보다 더 작은 영역을 찾아다니며 더 큰 에너지에 집중했다. 이런 이유로 입자물리학은 고에너지 물리학과 동의어로 사용되며, 입자물리학에 관한 국제학회는 ICHEP(International Conference on High Energy Physics)라고 불린다. 
 
- 그러나 앞에 언급한 초끈은 10차원 시공간에 존재한다. 우리는 4차원 시공간에 살고 있으므로 10차원 헤테로틱 끈이론에서 표준모형을 얻는 적당한 방법이 필요하다. 이 과정을 차원줄임이라고 부르며, 10개 중 6개의 차원을 숨겨서 우리에게는 내부적인 차원인 것으로 보이게 하는 것이다. 내부의 6차원에 관한 연구를 통해 1985년 칼라비-야우 공간이 제시되었다. 차원줄임이라는 아이디어는 2개의 실수 차원을 1개의 실수 차원으로 콤팩트하게 만드는 것으로 쉽게 이해할 수 있다. 2차원 면인 A4 종이를 담배 모양으로 말아보자. 담배의 반지름을 더 작게 만들면 두꺼운 통에서 가는 선으로 보인다. 결과적으로, 관측할 수 있는 눈의 파장이 담배의 반지름보다 훨씬 크다면 우리는 1차원이라고 여기게 된다.  

- 하워드 조자이와 셸던 글래쇼가 SU(5)에서 했던 것처럼, 6장 그림 5의 오른쪽 성분(동그라미)들을 반입자로 바꾸어 왼쪽 성분으로 만들어 사용할 수 있다. 이렇게 한쪽 성분의 카이랄 상태만 이용하기 때문에 카이랄 표현이라고 한다. 이것이 바로 양자장론(QFT)의 마법이다. 조자이와 글래쇼가 마법사 역할을 했다. QFT의 마술은 어떤 입자에 의해 정의된 양자장은 한 입자를 생성할 수도 있고 반입자를 소멸시킬 수도 있다는 것이다. 스핀글인 페르미온의 반입자는 반대 카이랄리티를 가진다. 한 입자의 양자장을 사용하든, 또는 그 반입자의 양자장을 사용하든 상관없이 한 입자를 만들어 낼 때 똑같은 결과를 얻게 된다. 만약 우리가 입자의 양자장을 사용한다면 우리는 생성 연산자를 사용한다. 반대로 반입자의 양자장을 사용한다면 소멸 연산자를 사용한다. QFT에서 또 다른 마법 같은 효과는 전자의 양자장에 의해 만들어진 모든 전자는 완전히 동일하며 전 우주에서 구별이 불가능하다는 점이다. 

 

 

 

- 먼저 이 책의 부제 '다윈과 셰익스피어 사이에서'에 관해 설명할 필요가 있다. 첫눈에는 입자물리와 전혀 관련이 없는 문장으로 보이겠지만, 이전에 사용된 적이 없으면서 사람들의 마음을 끌 수 있는 부제를 짓고 싶었다. 부제의 두 주인공 중 한 명인 다윈(1809~1882)은 1859년 <종의 기원> - I을 출간해 불후의 명성을 얻었다. <종의 기원>은 자연선택과 진화를 설득력 있게 주장해 이론 생물학의 주제를 바꾸어 놓았다. 이 대중과학서에서 우리는 21세기까지 입자물리학의 진화를 생물학에서 다윈의 진화론에 비유해 묘사하고자 한다. 실험에 기반하여 이론들 사이에서 일종의 자연선택이 일어나기 때문이다. 이는 진화론에서의 적자생존과 비슷하다.

(리뷰자 주 : <미스터 크롤리>에서는 셰익스피어가 '리밍턴'에서 출생한 것으로 추정하고 있다.) 

 

- 최근 입자물리학에 관한 대중서로는 다음과 같은 것들이 있다. 클로스의 <무한대의 퍼즐 The Infinity Puzzle>(베이식 북스, 2013), 일리오풀로스의 <질량의 기원 The Origin of Mass>(옥스퍼드, 2017), 데 루줄라의 <우리의 우주를 즐기라 Enjoy Our Universe>(옥스퍼드, 2018). 이 책들을 모두 추천한다. 

 

- 르네상스 이전의 암흑시대에 기독교는 플라톤과 아리스토텔레스를 받아들였지만 에피쿠로스는 배척했다. 기독교의 기원은 이집트 제18왕조의 파라오 아크나톤으로부터 유래한 유일신교를 채택한 모세에게 있다. 우리는 결정론을 유일신교와 셰익스피어의 속성에 비유할 것이다. 셰익스피어 희곡의 첫 줄은 연극의 줄거리를 결정하는 결정론적 구성을 가지고 있기 때문이다.  

 

- 원자론의 기원을 거슬러가면 트라키아의 아브데라 출신이며 유명한 그리스 자연철학자인 데모크리토스(B.C.460∼B.C.370)에게 닿는다. 아테네의 아폴로도로스에 따르면, 그는 제80회 올림피아드(B.C.460~B.C.457) 기간에 태어나 첫 번째 그리스 고전기에 살았다. 그리스 철학은 기원전 585년 탈레스가 일식을 예언했을 때 시작되어, 서기 529년 동로마 황제 유스티니아누스가 재정지원을 멈추어 아테네 학술원이 문을 닫았을 때 끝났다고 여겨진다. 데모크리토스가 활동하던 2,500년 전은 철학의 첫 번째 문제에 직면한 시기였다. 최초의 철학자들은 단어의 개념을 정의하는 문제부터 봉착했다. 이때 정의한 그리스어는 라틴어나 영어에 비해 이 점에서 명확했다. 오늘날 과학에는 전문적으로 사용되는 특별한 용어가 있다. 예를 들어, 입자물리학에서는 기본입자의 특성을 나타내는 표현으로 '맛과 색'이라는 단어가 쓰인다. 일반적인 의미의 맛과 색과는 관계가 없다. 단지 이름을 붙이기 위해 사용되는 것뿐이다. 

 

- '코스모스 kosmos'라는 명사는 '순서를 정하다, 배열하다, 정렬하다'를 뜻하는 동사에서 유래했다. 따라서 최초의 그리스 철학자들이 의미한 코스모스는 질서 정연한 배열을 의미한다. 우리가 '코스모스 Cosmos',라고 할 때 그것은 사물의 총체인 우주 universe이지만, 질서가 있는 세계인 우주를 의미하기도 한다. '피직스 physics'라는 단어는 '성장하다'라는 동사에서 유래했다. 자라는 것, 식물, 동물, 움직이는 행성은 정지해 있는 돌과는 다르다. 따라서 '피직스 physics'는 인위적인 것과는 대비되는 자연에 대한 연구를 의미했고, 오늘날의 과학을 가리키는 말이 되었다. 움직임에는 원인이 필요하다. '아르케 arche'라는 단어는 '시작하다', '개시하다', '지배하다', '통치하다'를 뜻하는 동사에서 기원했다. 초기 그리스 철학을 다룬 저자들은 '아르케'를 원리라는 의미로 사용했는데, 이 의미는 현재 우리가 이해하는 것과 다르지 않다. 아르케를 처음 사용한 사람은 아낙시만드로스라고 전해진다. 이러한 의미에서 우리가 말하는 자연은 성장의 원리이자 근원이다. 

 

- 원자론에서 빈 공간에 대한 가설은 제논의 역설에 대한 답변이 그 시작이었다. 엘레아의 제논과 그의 스승 파르메니데스는 형이상학적 논리의 창시자로, 답하기 어려운 논증들을 제기했다. 데모크리토스의 원자론에서 움직임이 있을 수 없다는 결론을 이끌어 내기 위해, 파르메니데스와 제논은 모든 움직임은 아무것도 아닌 것인 빈 공간을 필요로 하지만 '아무것도 아닌 것은 존재할 수가 없다'고 주장했다. 엘레아 학파의 논지는 이러했다. "빈 공간이 있다고 말하는 것은, 빈 공간이 아무것도 아닌 것이 아니라는 것이다. 그러므로 빈 공간이란 존재하지 않는다."  

- 원자론자들도 움직임에는 빈 공간이 필요하다는 것에는 동의했지만, 움직임은 관찰이 가능한 사실이라는 점을 들어 엘레아 학파의 주장을 무시했다. 이에 따르면, 빈 공간은 반드시 존재한다. 이 생각이 개선된 형태로 살아남은 것이 뉴턴 이론의 절대공간이다. 이는 존재하지 않는 것에 실체를 부여하는 논리적 요건들을 만족했다.  
 

-  또한 서양 종교와 영성의 창시자 중 한 명으로 자주 일컬어지곤 했다. 플로티노스와 포르피리오스 같은 철학자들이 내세운 소위 신플라톤주의는 성 아우구스티누스와 기독교에 영향을 미쳤다. 알고레드 노스 화이트헤드는 이렇게 언급했다. "유럽의 철학적 전통을 가장 확실하게 일반적으로 특징짓는다면, 그것은 플라톤에 대한 일련의 각주로 이루어져 있다는 것이다." 플라톤은 자신과 대립되는 철학의 창시자인 데모크리토스를 너무도 싫어해서 그의 책이 모두 타버렸으면 하고 바라기까지 했다. 그럼에도 불구하고 그리스 북부 태생으로 플라톤과 한편인 철학자 아리스토텔레스는 데모크리토스에 대해 잘 알고 있었다. 

- 피타고라스의 가르침을 따르는 추종자로서 플라톤은 자연에 대한 수학적 추론을 좋아했다. 그래서 네 가지 고전적인 요소들 불, 공기, 흙, 물물)이 각각의 모양에 따라 정다면체(정사면체, 정팔면체, 정육면체, 정이십면체)의 형상을 하고 있다고 보았다. 이 정다면체들을 플라톤의 다면체라고 한다. 또한 플라톤은 이 요소들의 움직임을 숫자의 황금비와 연관시키고자 했다. 이에 따라 다섯 번째 정다면체인 정십이면체를 시간을 도입하는 데 연관시켰다. 초기 문명의 농부들은 농작물을 심기 위해 정확한 시간을 알 필요가 있었다. 그래서 인류는 고정된 한 점을 기준으로 태양의 운동을 관찰하기 시작했으며, 그 결과로 계절을 구분하게 되었다. 또한 태양의 운동은 곧 시간이므로 천체는 시간과 관련이 있다고 생각했다.

 

- 더욱 인상적인 사실은, 인류가 인지능력을 가진 이후로 최초일지도 모른다는 것이다. 그는 그리스의 7현인 중 한 명이었다. 나머지 현인들은 정치가인 레스보스의 피타코스, 프리에네의 비아스, 아테네의 솔론, 린도스의 클레오브로스, 코린토스의 페리안드로스, 스파르타의 킬론이다(어떤 이들은 클레오불로스와 페리안드로스 대신 케나이의 뮤손과 스키티아의 아나카르시스를 넣기도 한다). 탈레스 역시 정치가였지만 이오니아 학파의 설립자로 더 잘 알려져 있다. 그는 자연의 원리와 물질의 본질은 한 종류의 재료로 되어 있으며 그것은 바로 물이라고 선언했다. 아낙시만드로스(B.C.610~B.C.546)는 탈레스의 뒤를 이어 이오니아 학파의 두 번째 대표가 되었다. 피타고라스는 그의 제자 중 한 명이었음이 분명하다. 앞서 언급했듯이, 아낙시만드로스는 아케라는 단어를 정의했으며 과학이라는 분야를 개척한 초기의 제창자로 꼽힌다. 또한 자연이 법칙에 의해 지배된다고 주장하면서, 그 기원에 특별한 관심을 가지고 우주의 다양한 측면을 관찰하며 설명하려 노력했다. 

 

- 철학자들에게 영향을 끼친 또 다른 고대 이오니아 철학자는 피타고라스로, 그의 이름을 딴 피타고라스 철학의 창시자이다. 정치와 종교에 대한 그의 가르침은 마그나 그라이키아에 잘 알려져 있었으며, 플라톤과 아리스토텔레스에게 영향을 미치고 그들을 통해 서구 철학에까지 영향을 미쳤다. 피타고라스는 수학과 과학에서 많은 발견을 한 것으로 인정받고 있다. 피타고라스 정리, 피타고라스 음률, 그리고 플라톤이 동경했던 다섯 가지 정다면체가 대표적인 예이다.  

 

- 앞에서 언급했듯이, 천문학은 이슬람 과학에서 주요 학문이 되었다. 또 다른 주요 학문은 점성술로, 전쟁에 나가거나 도시를 세울 때 최고의 지식을 동원해 사건을 예측했다. 알바타니(850~922)는 태양년의 길이를 정확하게 측정했다. 또한 천문학자들이 태양, 달, 행성의 움직임을 예측하는 데 사용한 톨레도 표에도 기여했다. 6세기 후, 코페르니쿠스(1473~1543)도 이 천문표를 사용했다. 알 자르칼리(1028~1087)는 더 정확한 아스트롤라베를 개발했는데, 이것은 이후 수세기 동안 이용되었다. 그는 톨레도에서 물시계를 만들었고, 태양의 원지점이 고정된 별들에 비해 천천히 움직인다는 것을 발견했으며, 그 움직임이 변화하는 정도를 통해 태양의 원지점의 궤적을 꽤 정확하게 측정했다. 페르시아의 나시르 알딘 알투시(1201~1274)는 프톨레마이오스의 2세기 천체 모형에 대한 중요한 수정본을 집필했다. 그는 헬레니즘 지역에서 점성가가 되면서 천문대를 제공받았고 중국의 기술과 관측에 접근하게 되었다. 또한 삼각법을 별도의 분야로 발전시켰고, 당시에 이용이 가능한 천문표들 중 가장 정확한 것을 편찬했다. 

 

- 브라헤는 좌천을 받아들이기보다는 오스트리아 프라하에서 황제의 천문학자가 되기로 결심했다. 단순히 왕이 아니라 황제와 가까이 일하기로 한 셈이다. 또한 브라헤는 생전에 금으로 된 것으로 추측되는 가짜 코를 붙이고 있었던 것으로 유명하다. 그의 죽음은 황제가 주최한 만찬에서 기이한 방식으로 벌어졌다. 소변이 마려워 죽을 것 같았지만 황제보다 먼저 일어날 수가 없어 참고 참다가 그만 방광이 터져서 죽은 것이다. 나중에 브라헤의 시체를 발굴한 후, 이 일화는 사실로 확인되었다. 그 유명한 코는 실제로는 금이 아닌 놋쇠로 만들어졌다는 것도 알게 되었다. 

- 케임브리지에서 뉴턴은 1665년에 발견하게 될 미적분을 위한 초기단계를 밟았다. 이 미적분은 고전역학에서 운동을 이해하는 핵심이 된다. 학부생 기간 동안 뉴턴은 아리스토텔레스, 데카르트, 갈릴레이, 그리고 토머스 스트리트(1621~1689)를 공부했다. 스트리트로부터 3장에서 다룬 케플러의 행성 운동 법칙을 배웠고, 이 법칙은 <프린키피아>에서 중요한 역할을 하게 된다. 그는 1665년 8월에 대학을 졸업했는데, 그 당시에도 여전히 상대적으로 돋보이지 않는 학생이었다. 그 후 20개월 동안 케임브리지대학이 런던 대역병으로 문을 닫았던 그사이, 뉴턴은 평범한 사람에서 매우 뛰어난 사람으로 바뀌었다. 1665년 8월부터 1667년 4월까지 울즈소프에 있는 자신의 집에서 지내며 뉴턴은 여러 가지 혁신적인 발견을 했다. 이 시기에 포함된 1666년은 종종 뉴턴의 경이적인 해라고 불린다. 

 

- 학생들은 유클리드의 기하학을 배우는 것과 마찬가지로 뉴턴의 역학을 배운다. 낙하하는 물체, 도르래에 매달려 있는 무게추, 그리고 일정한 중력장에 있는 물체의 포물선 궤도를 뉴턴의 역학을 이용해 계산한다. 보통 첫 번째 단계는 그 상황에 작용하는 모든 힘이 나타나 있는 힘의 도식을 그리는 것이다. 여기에는 제3법칙에서 나오는 모든 힘이 포함되어야 한다. 

- 뉴턴의 세 번째이자 마지막 법칙은 다음과 같다. "작용과 반작용은 크기가 같고 방향이 반대이다." 예를 들어, 지면은 물체를 위쪽 방향으로 밀어 올리는데, 그 크기는 무게와 같으며 방향은 중력과 반대이다. 따라서 물체는 움직이지 않는다. 어떤 시스템에 작용하는 힘들을 나타낸 도식이 완벽하려면 그 시스템에 작용하는 반작용의 힘도 포함해야 한다. 그래야 그 결과로 생기는 운동을 바르게 계산할 수 있다. 

- 뉴턴의 운동 법칙 세 가지는 고전역학의 기본적인 공리를 최소한의 개수로 줄여준다. 그다음 2세기 동안 선구적인 두 명의 수학자가 뉴턴 역학을 멋있는 공식으로 다시 쓰게 된다. 첫 번째는 이탈리아의 조제프 루이 라그랑주(1736~1813)로, 레온하르트 오일러 (1707~1783)의 뒤를 이어 프로이센 아카데미의 수장이 되었다. 두 번째는 아일랜드의 수학자 윌리엄 로언 해밀턴(1805~1865)이며 사원수(해밀턴수)를 발견했다. 고전역학에서 라그랑지안과 해밀토니안 방식은 강력한 계산 방식을 제공한다. 라그랑지안은 특히 고전역학과 양자역학의 장이론에서 널리 사용된다. 그러나 두 가지 방식 모두 <프린키피아>의 제1권 <데 모투코르포룸>에 수록된 뉴턴의 방식과 완전히 동일하다.  

 

- 특히 이 책은 색깔을 이루는 스펙트럼으로 빛을 분리해 내는 분산 또는 분리에 관해 이야기한다. 이는 색깔의 다양한 구성 요소가 선택적 흡수, 반사 또는 전달을 통해 색깔을 나타낸다는 것을 보여준다. 고대 그리스인 아리스토텔레스와 테오프라스토스(B.C.371∼B.C.287)는 태양에서 오는 빛은 흰색이며, 물질과의 상호작용으로 인해 어둠과 섞여 색깔이 된다고 주장했다. 이 주장은 1,000년이 넘도록 널리 받아들여졌다. 뉴턴의 광학은 이 주장의 반대가 사실이고 빛은 다른 모든 색깔들로 이루어져 있다는 것을 증명했다. 색깔들은 프리즘을 통해 서로 다른 각도로 꺾이고, 두 번째 프리즘에 의해 다시 합쳐질 수 있다. 뉴턴은 색깔이란 마음속의 감각이지 물질이나 빛의 본질적인 속성은 아니라고 주장하기도 했다. 뉴턴의 여러 이론은 20세기의 파장가변 레이저 설계와 다중 프리즘 분산 이론 발전의 중심이 되었다. 

- 1704년에 나온 <광학>은 1680년대에 나온 <프린키피아>와는 달리 라틴어가 아닌 영어로 쓰였다. 또한 명제, 정리, 공리 같은 것으로 진행되지 않고, 조심스럽게 기술된 실험을 근거로 한다. 그러면서도 이 책은 실험을 통한 증거를 넘어서 빛에 대한 가설을 발전시킨다. 뉴턴은 빛의 입자적 본성을 선호했다. 빛은 작은 입자들로 구성되어 있고, 우리가 인지하는 색깔은 음계처럼 조화롭게 균형이 잡혀 있다는 것이다. 

 

- 6장의 그림 5에서 우리는 고대 원자 주의자들이 꿈으로만 꾸었던 입자들을 열거했다. 이번 장에서는 이 입자들의 카이랄 성질과 연관된 측면을 이야기하려 한다. 특히 표준모형에서 약력과 전자기력이 어떻게 전기약장용으로 통일되는지 설명하려 한다. 구체적으로는, (1) 표준모형의 페르미온들이 어떻게 가벼운 상태로 남아 있는가, (2) 가벼운 힉스 보손 질량의 비밀, (3) 카이랄 성질은 그대로 유지하면서 표준모형을 대통일이론(GUT)으로 합치는 가능성에 대해 이야기할 것이다. 

- 약한상호작용 현상은 앙리 베크렐(1852~1908)이 1896년 우라늄염에서 투과성이 있는 방사선이 자발적으로 방출되는 것을 우연히 발견해 알려지게 되었고, 20세기 후반부에 완전히 이해되었다. 10^-16cm 보다 더 큰 거리 척도에서 기본입자의 세모 조각을 6장의 그림 5에 맞추어 넣기 위해서는 7장에서 이야기한 쿼크의 실체성이 매우 중요하다.