- 뉴욕타임스가 선정한 교양 4 -

과학Ⅰ(천문학□지질학□물리학□수학)

존 라이트·앨런 조이스 외 엮음 / 김소정·김미옥·김은영·박현주 옮김

이지북 / 2005년 6월 / 204쪽 / 9,700원

◑ 엮은이

존 라이트 - 〈뉴욕타임스〉총 편집장

앨런 조이스 - 〈뉴욕타임스〉편집장

◑ 역자

김소정 - 성신여대 생물학과와 방송통신대 영문학과를 졸업했다. 번역서로『치유의 기술』『웅진 인터넷 백과사전』(공동참여) 『V이야기』등이 있다.

김미옥 - 경북대 국어국문학과를 졸업했다.〈CNET뉴스〉의 외신 번역을 담당했고, 번역서로『미국을 세운 영웅들』『행동이 척척 여섯 색깔 신발』『오프라 윈프리 다이어트』『사랑을 주면 웃음이 열린다』등이 있다.

김은영 - 이화여대 과학교육과를 졸업했다. 번역서로『대지의 아이들』『1%의 희망』『소인족 페루인의 모험』『과학박람회 우승작전』등이 있다.

박현주 - 한국외대 중국어과를 졸업, 중국어와 영어에 능통하다. 아시아 역사와 문학, 예술, 특히 영화에 관심이 많아 그 분야의 번역에 활발히 활동 중이다.

◑ Short Summary

교양(敎養)은 일반적으로 인격적인 생활을 향상시키기 위한 지(知)□정(情)□의(意)의 수련, 즉 단순한 지식의 축적이나 전문적인 직업생활 외에 문화이상(文化理想)에 부응한 정신적 능력의 전면적 계발로서의 교양을 의미한다. 다시 말해 인간으로서, 또 직업인으로서 갖추어야 할 지식과 기능이라 할 수 있다. 근대의 문화 사조(思潮)는 독일 이상주의 철학에서 비롯된 것이고 물질적□실리적 문명에 대한 정신적□가치적 문화에 중점을 두었으므로, 교양에도 이러한 의미가 내포되어 있다고 할 수 있다.

세계적으로 유명한 미국의 대표적인 신문인 뉴욕타임스The New York Times가 기획한, 시리즈『뉴욕타임스가 선정한 교양』의 선정 내용은 백과사전만큼이나 질서정연하게 정돈되어 있다. 또한 그 내용마다 정리된 용어 목록을 마련하여 내용에 대한 이해를 더욱 쉽게 해 준다. 이 교양서는 총 10권으로 그 내용은 다음과 같다. 1.예술Ⅰ(음악·무용·회화와 조각) / 2.예술Ⅱ(문학과 연극·건축) / 3.경제(경제·경영·금융) / 4.과학Ⅰ(천문학·지질학·물리학·수학) / 5.과학Ⅱ(의학·생물학·심리학) / 6.철학·종교(철학·종교·신화) / 7.역사·인물(역사·기술·인물) / 8.미디어·지리(미디어·지리) / 9.스포츠(농구·아이스하키·올림픽·축구 등) / 10.어워드(아카데미상·그래미상·노벨상 등)

이 책은『뉴욕타임스가 선정한 교양』의 총 10권 중 제 4권으로, <과학>의 1편이다. 천문학□지질학□물리학□수학으로 분류하여 천문학의 역사와 기술, 우주의 구성, 사적지질학, 물리지질학, 구조지질학 등과 물리학의 제 개념, 그리고 수학의 역사와 제 공식, 수와 수 체계 등을 설명한다.

◑ 차례

PART1 천문학

천문학의 역사

천문학의 기술들

우주를 구성하는 물질들

PART2 지질학

지질학의 역사

역사적 지질학

자연 지질학

구조 지질학

융기

고생물학

PART3 물리학

물리학의 역사

물리학의 기본법칙

아원자 입자

PART4 수학

수학의 역사

수학의 분류

수학 공식

수와 수 체계

- 뉴욕타임스가 선정한 교양 4 -

과학Ⅰ(천문학□지질학□물리학□수학)

존 라이트·앨런 조이스 외 엮음 / 김소정·김미옥·김은영·박현주 옮김

이지북 / 2005년 6월 / 204쪽 / 9,700원

PART 1. 천문학(Astronomy)

천문학의 역사

고대 천문학 : 가장 처음 하늘을 관찰하고 그 내용을 기록으로 남긴 민족은 기원전 3000년 이전에 현재의 이라크 근처에 살았던 수메르인과 바빌로니아인이었다. 그들이 천문학을 연구한 것은 정치적인 목적과 농업 때문이었을 것이다. 그리스의 철학자들은 최초로 우주의 구조에 관해 진지하게 고민했던 사람들이었지만, 완벽한 기하학적 형태라는 전통적인 철학관습에 얽매여 있었다. 기원전 350년경 아리스토텔레스는 우주의 중심에 지구가 있고, 그 주위를 태양, 달, 행성들 그리고 별들이 각자 고유한 주기로 끊임없이 돌고 있는 원형구조로 된 우주모형을 제시했다. 아리스토텔레스의 이 같은 우주관은 지구는 고정되어 있다는 철학적 관습을 그대로 받아들이고 있었다. 140년경에 살았던 프톨레마이오스는 불후의 역작인『천동설syntaxis』을 남겼다. 아리스토텔레스의 원칙에 충실했던 프톨레마이오스는 고대 천문학사에서 뚜렷하게 자리매김되었다.

그리스의 자연철학자 중에는 세밀한 관측자료와 고찰을 바탕으로 정확한 우주관을 제시하는 사람들도 있었다. 예를 들어 기원전 500년경의 피타고라스와 기원전 400년경의 플라톤은 월식 때 관찰할 수 있는 지구 그림자의 형태와 북쪽이나 남쪽으로 여행할 때 달라지는 천체 모습을 근거로 지구는 둥글다고 주장했다. 또한 기원전 280년경에 살았던 아리스타르쿠스는 지구가 태양 주위를 돈다는 가설을 최초로 제시했다.

르네상스기의 천문학 - 코페르니쿠스 혁명: 16세기 초엽, 성직자 코페르니쿠스Nicolaus Copemicus는 기존 우주관을 완전히 뒤엎는 혁신적인 가설을 제시하였다. 코페르니쿠스는 우주의 중심은 태양이며, 지구도 태양 주위를 도는 행성일 뿐이라는 가설을 제안한 최초의 근대적 천문학자였다. 하지만 코페르니쿠스도 아리스토텔레스의 관점에서 벗어나지 못했다. 1608년 한스 리퍼세이는 더치망원경이라는 유용한 관측장비를 발명하였다. 그 이듬해 이탈리아의 실험주의 과학자 갈릴레오Galilo Galilei는 그것을 개조하여 인류 역사상 최초로 망원경을 사용하여 천체를 관측한 사람이 된다. 갈릴레오는 달 표면의 모습과 태양의 흑점, 태양 주위를 도는 금성의 위상과 겉보기 크기 변화, 목성 주위를 도는 네 개의 위성 등을 찾아냈다. 이 같은 발견은 태양이 우주의 중심이라는 가설을 뒷받침하고 있다.

르네상스 이후의 천문학 - 17세기와 18세기 천문학 : 뉴턴Isaac Newton의 운동법칙은 지구에서 물체를 운동시키는 힘과 행성이 태양 주위를 돌게 하는 힘이 같다는 사실을 밝힘으로써 고대 철학자들이 독립된 물리영역이라고 생각했던 것을 한데 통합시켰다. 또한 뉴턴의 만유인력의 법칙은 행성이 태양 주위를 돌게 하는 힘을 수학적으로 증명해 냈다. 이 같은 법칙들을 발견하기 위해 노력하는 와중에도 그는 천체의 운동을 밝히는 데 반드시 필요한 미적분calculus을 발명해 낸다. 그러나 독일의 천문학자 케플러와 뉴턴이 발견한 운동법칙으로는 태양과 각 행성 사이의 상대적인 거리는 알 수 있지만 실제 거리는 알 수 없다. 1672년 프랑스의 천문학자 지오바니 카시니는 다른 연구자 한 명과 함께 천문단위Astronomical unit(AU)의 실제 거리를 계산하였다. 1천문단위는 약 8,700만 마일(약 1억 4,000만 킬로미터)로 오늘날 측정한 거리(9,300만 마일)와 10퍼센트 정도밖에 차이가 나지 않는다. 1676년 뢰머는 이 값과 목성 위성의 월식을 자세히 관찰하여 세계 최초로 빛의 속도를 계산하였다.

19세기와 20세기 초반의 천문학 - 천체물리학의 탄생 : 19세기도 18세기와 마찬가지로 관찰이 중요시되던 시기였다. 그러나 이 시기에 이루어진 가장 중요한 천문학적 성과들은 전통적인 천문학 분야가 아닌 다른 곳에서 얻어졌다. 1800년 윌리엄 허셀은 태양이 사람의 눈으로는 볼 수 없는 빛을 내뿜고 있다는 사실을 알아냈다. 1814년 물리학자인 요세프 프라운호퍼는 태양빛을 프리즘에 통과시킴으로써 그것을 구성하고 있는 가시광선의 종류를 알아냈으며, 물리학자 제임스 클라크 맥스웰은 가시광선도 입자들의 상호작용으로 발생하는 파장의 일종인 전자기파 Electromagnetic radiation(절대영도 이상의 모든 물체가 발산하는 에너지)라고 주장했다. 1913년 닐스 보어가 시작한 양자역학quantum mechanics도 비약적인 발전을 거듭하여, 물체의 스펙트럼을 분석하면 성분물질을 알아낼 수 있다는 사실을 밝혀냈다(완벽한 전자기 스펙트럼에는 -긴 파장부터 짧은 파장의 순서로- 라디오파, 극초단파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등이 있다). 이 같은 물리학적 발견들을 토대로 천문학자들이 천체가 발산하는 빛을 분석할 수 있게 되었으며, 그 결과 현대 천체물리학이 탄생하는 배경을 마련할 수 있었다.

우주를 구성하는 물질들

태양계 : 태양계Solar System는 유일한 항성인 태양과 그 주위를 도는 천체들로 구성되어 있다. 태양 주위를 도는 천체들 중에서도 비교적 큰 천체들을 행성(항성 주위를 돌고 있는 핵융합반응을 하지 못하는 비교적 커다란 천체)이라고 한다. 태양계의 행성들은 크게 지구형 행성the Terrestrial planets과 목성형 행성(주로 수소처럼 가벼운 원소로 이루어진 커다란 행성)the Jovian planets으로 분류할 수 있다. 태양과 가까운 수성Mercury, 금성Venus, 지구Earth, 화성Mars 등은 지구형 행성이다. 지구형 행성은 주로 규소 성분의 암석과 다른 금속들로 이루어져 있다. 지구형 행성 중 가장 큰 행성은 지구이다. 목성Jupiter과 토성Saturn, 천왕성Uranus, 해왕성Neptune 등은 목성형 행성이다. 목성은 지구보다 부피가 300배나 큰, 태양계에서는 태양 다음으로 가장 큰 천체이다. 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 명왕성Pluto은 지구형 행성도 목성형 행성도 아니다. 현재 천문학자들은 명왕성을 해왕성 궤도 밖에서 찾을 수 있는 수많은 천체 무리 가운데 하나라고 생각하고 있지만, 아직까지는 태양계의 아홉 번째 행성으로 분류되고 있다. 수성과 금성을 제외한 행성들은 그 주위를 돌고 있는 달 혹은 위성(행성의 자연 위성을 가리키는 일반적인 말)을 가지고 있다. 지구형 행성의 위성은 오로지 세 개만이 알려져 있다. 지구 주위를 도는 달과 화성 주위를 도는 두 개의 위성이 그것이다.

우주 : 천문학의 핵심과제는 우주의 기원을 밝히는 것으로, 초기 우주에 대한 이해를 높여준 핵심적인 발견은 다음 세 가지이다. 첫 번째 발견은 모든 은하가 서로에게서 점점 더 멀어지고 있다는 허블의 법칙으로, 우주가 팽창하고 있다는 사실은 우주가 생성 초기에는 조밀하고 빽빽한 한 점에서 비롯되었다는 것을 의미한다. 두 번째 발견은 우주를 구성하고 있는 물질 중 약 75퍼센트는 수소이며, 나머지 25퍼센트는 헬륨이라는 사실이다. 세 번째 발견은 우주의 모든 방향에서 희미한 라디오파(에너지가 가장 낮은 전자기파)가 방출된다는 사실이다(우주배경복사cosmic background radiation라고도 하는 이 라디오파는 빅뱅 -고밀도 고온상태에서 우주를 탄생시킨 대폭발- 이후 우주가 팽창하는 과정에서 약해진 빅뱅의 잔열이라고 추정된다). 이 세 가지 발견 사실을 근거로 탄생한 초기 우주모형에 관한 가설이 바로 빅뱅이론the Big Bang이다.

당시 우주는 에너지를 물질로 전환시킬 수 있을 정도로 뜨거웠던 까닭에, 충분한 양의 수소를 헬륨으로 바꿀 수 있었다고 보고 있다. 빅뱅 이후에 어느 정도의 시간이 흘렀는지도 계산이 가능해진다. 은하들이 멀어지는 후퇴속도와 우주배경복사를 근거로 밝혀낸 우주의 나이는 대략 137억 년이다. 태양과 태양계는 45억 년 전에 우리은하에서 탄생했다고 한다. 그러나 빅뱅가설로는 설명할 수 없는 우주현상도 있다. 최근 새롭게 관측된 사실들은 천문학자들이 기존에 믿고 있던 우주관을 수정하도록 요구하고 있다. 은하들을 서로 끌어당기고 있는 인력이 작용한다면 지난 137억 년 동안 우주의 후퇴속도는 점점 더 느려져야 했다. 그런데 멀리 떨어져 있는 은하들을 관측한 결과, 은하 사이가 멀어질수록 후퇴속도는 감소하지 않고 오히려 증가한다는 사실을 알아냈다. 이처럼 인력에 반하는 가속현상이 일어나는 이유에 대해서는 아직까지 명확하게 밝혀지지 않고 있다.

PART 2. 지질학(Geology)

지질학은 지구와 그 구성 물질, 구조, 형태, 과정, 역사를 연구한다. 지질학은 물리학, 화학, 생물학을 기초로 천문학과 기후학에서 수학에 이르는 모든 학문을 망라하여 이용하는 통합적인 학문이다. 지질학은 크게 두 개의 분야로 분류한다. 지구의 형성과 자연적 진화를 탐구하는 역사적 지질학과 지구의 상태 및 그 물리적 구조와 체계를 설명하는 자연 지질학이 그것이다. 역사적 지질학을 통해 우리는 지질 연대표, 즉 학자들이 □지구의 나이□를 측정하고 분류하는 체계를 알 수 있다. 자연 지질학은 가장 높은 산에서 바다 밑바닥의 가장 깊은 해구에 이르기까지 지구상에서 가장 큰 구조의 형성을 연구하는 학문이다. 동시에 암석, 광물, 수정 등 작은 것들도 지질학의 연구 대상이다.

지질학의 역사

지구의 기원과 구성에 대한 생각은 인류가 생겨나면서부터 있어 왔다. 고대에 여러 철학자들이 자연적 세계에 대한 이론을 내놓았다. 피타고라스(기원전 약 569~480)는 산꼭대기의 바닷조개를 보고 시간의 경과에 따라 지구의 표면이 융기하고 내려앉는다는 사실을 처음으로 알아차렸다. 피테아스(기원전 300)는 조수를 설명했으며, 조수가 달의 힘에 의해 지배된다는 사실을 알아냈다. 에라토스테네스(기원전 약 276~194)는 상당히 정확하게 지구의 크기를 계산했다. 중국의 장홍(기원후 78~139)은 최초의 지진계를 개발했다.

계몽시대 이전에 대부분의 유럽 학자들은 창조주 예수 그리스도 이야기를 비롯해서 종교적 신념에 큰 영향을 받았다. 학자들은 성경을 추론하여 (46억 년이라는 오늘날의 추산에 훨씬 못 미치는) 약 6,000년 전에 창조가 일어났던 것으로 결론을 내리고 지구의 나이를 추정하려고 했다. 반면 17세기의 몇몇 학자들은 오늘날에도 정확하게 여겨지는 몇 가지 이론을 발전시켰다. 철학자 데카르트Rene Descartes(1596~1650)는 지구의 나이는 성서 역사가들이 말하는 것보다 훨씬 많다고 처음 주장한 사람 가운데 한 사람이었다. 18세기에 박물학자 조르주루이 르클레르(1707~1788)는 6일 동안에 천지가 창조되었다는 유대 기독교의 창조론 대신 지구의 나이는 약 7만 5,000년으로 추정된다는 이론을 내놓았다. 1785년 아마추어 지질학자 제임스 허턴은 오늘날 동일과정설(同一過程說)이라 불리는 원칙을 주창했다. 즉, 지구의 전반적인 구조에 중요한 영향을 주는 대변동은 없었다고 말했다. 요약하면 지구의 역사는 길고, 점진적인 발달을 했다는 것이다. 이 이론이 현대 지질학의 토대가 되었다.

허턴의 이론은 초기에는 그다지 영향력이 없었지만, 영국의 지질학자 찰스 라이엘이 허턴의 이론을 발전시켜 널리 받아들이게 하는 데 공헌했다. 라이엘은 지구의 발달과 진화가 단기간에 이루어졌다는 성서에서 유래된 개념을 부정하고, 훨씬 오랜 기간에 걸친 과정을 통해 이루어졌다고 주장했다. 엄청나게 긴 □지질 시대□라는 라이엘의 개념은 지질학 연구뿐만 아니라 세상에 대한 이해에 큰 영향을 미쳤다. 이 개념에 힘입어 라이엘의 절친한 친구인 찰스 다윈의 진화론이 탄생했다. 진화론은 자연선택이 일어나는 데 필요한 지질 시대를 제시했다.

역사적 지질학

1755년 철학자 칸트가 제시한 개념은 지구의 형성에 대한 현대적 이론의 기초가 되었다. 칸트는 지구를 비롯한 행성들은 태양 주위를 떠도는 먼지 구름에서 융합된 것이라고 말했다. 칸트 이론을 발전시킨 현대적 이론은 다음과 같다. 대량의 가스와 먼지가 중력에 의해 회전하는 원반 모양으로 서서히 응축된다. 이 태양 성운이 융합을 계속하여 원반의 중심에는 태양이 형성되고 외곽에서는 이 물질을 중심으로 행성들이 모인다. 이러한 초기의 격렬한 충돌과 폭발에 의해 지구의 미네랄(일부는 계속해서 먼지의 형태로 도착하거나 우주에서 충돌한다)이 생성되었고 고온이 지구 전체를 녹였다. 이 시기에 무거운 물질은 중력에 의해 새로운 지구의 안쪽으로 끌려들어갔고, 가벼운 물질은 지구의 표면에 남아 있게 되었다. 지구는 차츰 냉각되면서 지구의 표면, 즉 얇은 지각(地殼)과 지구의 주요 부분을 구성하는 맨틀, 용해된 금속으로 된 액체의 중심핵 등 세 부분으로 나뉘었다.

중심핵 - 중심핵Core은 고체와 액체의 두 부분으로 나뉜다. 두 부분 모두 철과 황이나 산소 같은 더 가벼운 물질의 혼합물일 것으로 추정한다. 고체 상태의 내핵은 지구 표면에서 약 4,650킬로미터 깊이부터 시작되고, 액체 상태의 외핵은 지구 표면에서 약 2,900킬로미터 깊이부터 시작된다.

맨틀 - 지구 부피의 약 3분의 2에 해당하는 지구의 대부분은 맨틀Mantle로 되어 있다. 맨틀의 범위는 외핵으로부터 높은 산맥 아래의 대륙지각에서는 약 90킬로미터 깊이까지, 해양 아래의 해양지각에서는 5~8킬로미터에 불과하다. 맨틀의 대부분은 이산화규소(SiO□)로 되어 있고, 풍부한 산화마그네슘(MgO)과 약간의 산화철(FeO, 소량의 다른 금속산화물)로 되어 있다. 지각에서 발견되는 이산화규소는 석영으로 알려져 있지만 맨틀의 열과 압력 하에서 발견될 경우 매우 다른 형태를 가진다.

암석권 - 종래에 지각crust이라 불리던 암석권Lithosphere은 지구 가장 바깥쪽의 고체층이다. 대륙지각의 두께는 30~90킬로미터이지만, 해양지각의 두께는 대개 5~8킬로미터에 불과하다. 대륙지각은 화강암을 비롯해서 비교적 가벼운 암석으로 구성되고, 해양지각은 주로 현무암으로 되어 있다. 지각과 맨틀은 모호로비치 불연속면(Mohorovicic, 혹은 Moho)으로 구분된다.

수권Hydrosphere(水界) - 지구상의 물은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재하고 그 상태는 표면과 지각 내부, 대기 중에서 발견된다. 지구에 있는 수분의 97퍼센트에 달하는 양이 대부분 해양에 내포되어 있다. 다른 2퍼센트는 극지방의 거대한 극빙polar ice과 산꼭대기와 고지대에 존재하는 빙하glacier, 만년설ice cap 등이다. 그 나머지는 강과 바다, 개울 등의 지표수와 지하수, 토양 수분이다. 지구 표면의 약 71퍼센트가 물(실제로 거의 전부가 바닷물이다)로 덮여 있고, 따라서 물은 지구에서 별개의 층을 구성한다.

대기권 - 대기권Atmosphere은 지구를 둘러싸고 있는 기체의 층이다. 낮은 대기권은 대류권과 성층권으로 구성된다. 대류권의 평균 두께는 약 11킬로미터이지만, 적도 주위에서는 16킬로미터이고 극지방에서는 8킬로미터에 불과하다. 대부분의 구름과 기상 현상은 낮은 대기권에서 일어난다. 성층권은 지구 표면에서 11~50킬로미터의 층이다. 성층권의 기온은 고도가 높아짐에 따라 약간씩 높아져서 최대 섭씨 0도(화씨 32도)까지 올라간다. 실제로 성층권과 공존하는 공간으로 대기권에 존재하는 대부분의 오존이 발견되는 오존층ozonosphere이 있다. 오존은 태양의 자외선을 흡수하기 때문에 지구상의 생명체가 계속 생존하는 데 필수 요소이다.

성층권의 위에는 높은 대기권, 즉 전리층ionosphere이 있다. 이곳에서 대기의 기체는 태양의 복사 작용에 의해 전리된다. 전리층은 지구 표면으로 돌아가는 특정한 파장을 반사하므로 지구 표면을 곡선으로 둘러싸고 있는 전파의 전달을 가능하게 한다. 전리층은 다시 고도에 따라 온도가 섭씨 영하 90도까지 낮아지는 50~80킬로미터(30~50마일) 사이의 중간권과 분자 온도가 섭씨 1,475도까지 높아지는 80~450킬로미터 사이의 열권으로 나뉜다. 열권 위 약 1,000킬로미터까지는 외기권exosphere이다. 외기권에서 기온은 별다른 의미가 없다.

지질 시대 : 지구의 생애는 대era(代), 기period(紀), 세epoch(世) 등으로 불리는 어마어마한 시간 단위로 측정된다. 일반적으로 지구의 기원은 가장 오래된 운석이 발견된 시기인 약 46억 년 전으로 추정된다. 라이엘과 다윈이 시사했던 바와 같이 지질 시대의 방대함 때문에 진화라는 개념이 가능하고 이해할 수 있는 것이 된다. 생명의 역사에서 중요한 분기점 가운데 하나는 지질학적 기록상의 중요한 동물군이 처음 등장했던 캄브리아기 초반이다. 따라서 지질학자들은 캄브리아기 이전을 선캄브리아기(46억 년 전~5억 4200만 년 전)라 한다. 지구 역사의 88퍼센트 이상이 선캄브리아기의 것이다. 지구가 동물의 거주지가 된 나머지 시간 가운데 인류와 인류의 조상이 출현한 기간은 1퍼센트 미만이다.

판구조론 : 판구조론Plate tectonic theory이란 지각과 상부 맨틀, 즉 판으로 불리는 커다란 조각들이 표류하고 이동하는 현상을 설명하는 이론이다. 이 복잡한 운동이 산맥과 심해 등의 지형을 형성하고 화산과 지진 등 지질학적 현상을 설명하는 원리가 된다. 또한 오늘날 대륙의 위치를 결정한 원인이다. 판이 아주 조금씩 매년 수 센티미터 정도로 이동하면서 현재 대륙 간에 커다란 거리가 벌어졌다는 이론을 통해 지질 시대에 대해 좀더 깊이 이해할 수 있다. 이전에도 이 개념에 대해 부분적으로 언급한 학자들이 있었지만 1912년 기상학자 알프레드 베게너가 최초로 대륙이동설을 완벽하게 설명했다. 베게너는 처음에 두 가지 단순한 사실에 착안했다. 첫째, 아프리카 대륙과 남아메리카 대륙의 해안선의 굴곡이 퍼즐 조각들처럼 정확히 들어맞는다. 둘째, 멀리 떨어진 여러 대륙에 분포하는 생물의 종들(현재의 육지생물의 종과 화석 기록에서 발견되는 육지생물의 종)이 놀라울 정도로 서로 유사하다. 베게너는 이들 대륙들이 한때 서로 붙어 있었을 것이라고 생각했다.

대륙이동설은 제2차 세계대전 후에 해저확장설로 불리면서 수정된 형태로, 나중에는 판구조론의 일환으로 널리 받아들여졌다. 1960년대 초 해저와 대륙의 암석에 유지된 지구의 자기장에 오랜 기간에 걸친 변화가 있었다는 기록에 따르면, 해저가 넓어지고 대륙의 위치에 상대적인 변화가 있었다. 가장 설득력 있는 주장은 지각이 서로 관련되어 움직이는 거대한 판들로 갈라졌고, 그 움직임을 타고 대륙이 이동했다는 것이다. 하나의 판이 선단 부분에서 다른 판과 만날 때 그것을 수렴이라고 하고, 대부분의 산맥 형성은 이 수렴 작용의 결과이다. 판들이 서로 밀어낼 때 뜨겁게 용융된 암석물질(마그마)이 벌어진 틈으로 솟아오른다. 때로는 대륙판들이 서로 다가가지도 밀어내지도 않고 그냥 서로 선단 부분을 스쳐 지나가기도 한다. 이런 변형이 샌앤드레이어스단층San Andreas Fault과 같은 가공할 만한 거대한 지질 단층을 만들어낸다. 갑작스럽고 충동적인 지질 활동은 지진, 화산 폭발 등 자연적인 대변동을 초래한다.

PART 3. 물리학(Physics)

『옥스퍼드 물리학 사전Oxford Dictionary of Physics』에 따르면, □물리학은 물체와 물체 사이에 존재하는 힘, 물질과 에너지 사이의 상호관련성을 연구한다. 20세기 초까지 물리학은 각각 열, 빛, 자기磁氣, 소리, 전기 등을 다루는 여섯 개의 분야로 나뉘어 있었다.□ 현대 물리학은 여러 가지 유용한 하위 분야를 포함하고 있다. 물질과 에너지는 고체와 액체를 구성하는 물체(응축물)들과 다른 형태를 가진 물질에서뿐만 아니라, 원자보다 작은 입자들 사이의 상호작용과 원자핵끼리의 상호작용에서도 존재한다. 이들을 연구하기 위해 각각 응축물 물리학, 입자물리학, 핵물리학의 분야가 갈라져 나왔다. 상대성이론은 또한 우주의 팽창을 예측하면서 처음으로 우주 전체를 연구하는 학문으로서 우주와 물리학을 연결시켰다. 최근에는 물리학과 천문학, 우주론의 연계가 더욱 밀접해지고 있다.

물리학의 역사

고대와 중세의 물리학 : 고대 그리스인들은 관찰과 추론을 바탕으로 물질과 운동을 설명하려 했으며, 때로는 그 시도가 성공을 거두기도 했다. 성공을 거둔 설명 가운데 하나로, 모든 물질은 □원자(原子)□라 불리는 작은 입자로 구성되었다는 설이 있었다. 이 설은 데모크리토스(기원전 470~380년경)와 다른 몇몇 사람들에 의해 주장되었다. 서로 다른 원자는 각기 다른 형태를 가지고 있으며, 모든 물질은 불, 공기, 물, 흙의 원자를 기초로 하고 있다는 것이었다. 오늘날에는 대부분의 물질이 100개에 달하는 원자들의 조합으로 이루어져 있으며, 일반적으로 □분자分子□라는 더 큰 입자를 이루고 있다는 사실이 과학자들에 의해 밝혀져 있다. 지구상에서 보통 발견할 수 있는 원소는 88가지뿐이지만, 이론상으로는 92가지의 원소가 존재한다.

고대 그리스의 물리학 이론 중에서 가장 완벽한 이론은 아리스토텔레스(기원전 384~322)의 이론이다. 그러나 지금은 아리스토텔레스가 주장했던 물리학 이론들은 대부분 잘못된 것이었음이 밝혀졌다. 아리스토텔레스는 원자론을 부정했다. 원자와 원자 사이의 공간은 텅 비어 있어야 하지만, 그의 이론에 따르면 진공상태는 존재할 수 없었기 때문이다. 또한 운동 중인 물체가 계속 그 운동을 하기 위해서는 지속적인 힘이 필요하다고 보았다. 물체가 빠른 속도로 운동한다면, 그 물체 뒤로 진공상태가 발생하는 것을 막기 위해 공기가 몰려들어 한동안은 물체의 운동을 유지시키는 힘으로 작용하다가 그 힘은 차츰 사라진다고 추측했다. 중세에 들어서면서 물리학은 운동에 대한 아리스토텔레스의 부정확한 이론으로부터 탈피하였다. 철학자 장 뷔리당(1295~1358)은 운동하는 물체는 관성이라는 내부의 힘을 가지고 있어서 한동안 운동을 계속할 수 있다는 이론을 내세운 최초의 학자였다. (관성 inertia : 운동에 대한 어떠한 변화도 거부하려는 물체의 성질, 따라서 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려고 하고, 운동을 하는 물체는 외부로부터 힘이 가해지지 않는 한 운동을 계속하려 한다. 뉴턴의 운동 제1법칙이 바로 물체의 이러한 성질을 말한다.)

과학의 혁명 : 16세기 말 무렵, 갈릴레오(1564~1642)도 처음에는 아리스토텔레스의 이론과 관성 같은 수정된 이론들을 받아들였다. 그러나 곧 운동연구에 급진적인 이론을 도입했다. 그는 물체의 운동을 보이는 대로만 설명하는 것이 아니라, 실험을 한 후 물체들이 어떻게 움직였는지에 대해 정확하게 기술했다. 1590년에 얻은 기초적인 결론 -운동하는 물체는 어떤 힘에 의해 정지당할 때까지 직선운동을 계속한다- 은 아직까지도 타당성을 인정받고 있다. 또 다른 결론 -가벼운 물체와 무거운 물체는 동일한 시간 동안 동일한 거리를 낙하한다- 역시 진리로 받아들여지고 있다. 1638년에는 낙하운동을 기술하는 정확한 수학적 법칙(거리는 시간의 제곱에 비례한다)을 발표했다. 17세기에는 다른 과학자들도 갈릴레오와 같은 맥락에서 연구를 이어갔다.

실험이 물리학을 지배하기 시작한 이 시기를 과학적 혁명의 시대라고 말한다. 전성기는 뉴턴이『자연과학의 수학적 원리 : 프린키피아Principia』를 출판한 1687년이었다. 뉴턴은 운동에 대한 갈릴레오의 법칙을 더욱 발전시켰고, 이 법칙들과 중력을 수학적으로 기술한 법칙을 결합시켰다. 이 법칙들의 결합은 지구상에 존재하는 물체들의 운동을 기술할 뿐만 아니라 천체의 운동까지 충분히 기술할 수 있었다(□중력의 법칙□과 □뉴턴의 운동법칙□). 18세기를 통틀어 뉴턴의 물리학과 미적분학은 음향학에서부터 행성의 세부적인 궤도에 이르기까지 물리학의 다양한 분야들을 체계적으로 발전시키는 데 이바지했다. 일부 과학자들은 모든 점의 위치와 운동량을 정확히 알 수만 있다면 우주의 미래도 정확하게 예측할 수 있다고 믿었다.

전자기학 - 뉴턴의 연구가 중력의 역할을 설명해 주기는 했지만, 물체들이 왜 중력으로 서로를 끌어당기는지에 대해서는 설명하지 못했다. 1600년대에 이미 의사이자 물리학자인 윌리엄 길버트는 두 가지 힘을 설명하기 위해 실험적인 방법을 시도함으로써 자기력과 정전기를 각각 구분했다. 그 후 100년이 지나서야 과학자들은 자연으로부터 이 두 힘의 비밀을 벗겨내려는 시도를 하기 시작했다. 실험과학자 샤를르 뒤 페는 전하charge(전기적 현상을 일으키는 물질의 성질)에는 두 가지 종류가 있으며, 같은 종류끼리는 서로 밀어내고 다른 종류끼리는 서로 끌어당긴다는 사실을 최초로 알아냈다(1733). 1800년대에 들어서면서 알레산도 볼타는 최초로 정전류를 발생시키는 화학적 장치(자동차 배터리와 비슷하다)를 만들었다.

한편 자석의 작용에 대해서도 이와 비슷한 실험들이 이어졌다. 1751년 벤자민 프랭클린은 전하가 자기력을 생성할 수 있음을 보여주었다. 물리학자 한스 크리스티앙 외르스테드는 1920년에 전류가 자침에 영향을 미친다는 사실을 알아냈다. 전기와 자기가 밀접하게 연관되어 있다는 사실의 발견은 곧 전자기력을 지배하는 법칙(정전류의 법칙)의 발견으로 이어졌다. 뿐만 아니라 이 두 힘을 결합시켜 운동을 일으키는 장치(전기 모터)와 강력한 전류(발전기 또는 다이나모), 강력한 전자석 등의 발명으로 이어졌다.

빛 - 전하와 자기력이 한창 분석되던 때와 같은 시기에 외관상으로는 별개의 연구인 빛에 관한 연구가 진행되었다. 뉴턴은 1704년 빛이 작은 입자로 이루어졌다고 주장하였다. 그로부터 100년 동안 빛의 연구는 급격한 발전이 이루어졌다. 제임스 클럭 맥스웰은 빛이 전기와 자기가 서로 결합되어 이루어진 파동, 즉 전자기파라는 결론을 내렸다. 그러나 풀리지 않는 수수께끼는 여전히 남아 있었다. 1887년 물리학자 하인리히 헤르츠는 전자파를 검출하기 위한 실험장치들을 세팅하는 과정에서 빛이 전기 스파크의 크기에 영향을 주는 것을 관찰했다. 금속에서 방출되는 전하의 양은 복사파의 강도보다는 진동수에 의존한다는 결론을 도출했다. 그러나 이 발견은 처음에는 별 의미가 없는 것으로 여겨졌다. 이 문제는 1905년에 아인슈타인이 빛은 뉴턴이 주장한 대로, 파동이 아니라 입자처럼 행동한다는 것을 증명함으로써 그 해답이 나왔다.

상대성 - 아인슈타인은 특수상대성이론(1905)을 내놓으면서 빛은 어떠한 조건에서든 진공상태에서라면 똑같은 속도로 진행한다는 것을 공리로 받아들였다. 따라서 진공 속에서 진행하는 빛의 속도의 변화를 통해 지구의 운동을 규명할 수는 없다. 또한 물리적 법칙은 상대적으로 등속으로 움직이는 두 개의 계에서 똑같아야 한다고 주장했다. 이러한 주장으로부터 우주는 4차원의 시공간이라는 개념으로 기술될 수 있으며, 물질과 에너지는 E=mc□이라는 유명한 방정식으로 연관되어 있다는 결론을 내렸다. 이 방정식에서 E는 에너지를, m은 질량을, c는 진공에서의 빛의 속도를 나타낸다. 상대성이론은 또한 시간이 공간차원과 연관된 하나의 차원일 수도 있음을 보여주었다. 그렇다면 현대 물리학을 시간과 공간에서의 물질과 에너지를 연구하는 학문이라고 정의할 수도 있을 것이다.

그 다음으로 아인슈타인은 하나의 계가 다른 계에 대해 상대적으로 가속운동을 한다면 어떤 현상이 생길지에 대해 생각해 보았다. 그는 어떠한 실험으로도 중력과 가속에 의해 생성된 또 하나의 힘인 관성 사이의 차이를 결정할 수 없다는 개념 위에서 이 이론, 즉 일반상대성이론을 정립했다. 1915년에 이러한 공리 위에서 얻어진 일반상대성이론은 시공의 곡률이라는 항으로 중력을 기술했다(중력의 법칙은 지구 표면 가까이에서 낙하하는 물체는 -공기 저항을 무시한다면- 일정한 비율의 가속도로 떨어진다는 것을 의미한다. 아인슈타인의 일반상대성이론은 뉴턴에 의해 발견된 중력법칙보다 훨씬 정확한 중력의 법칙이 도입되어 있다. 그러나 뉴턴의 중력이론은 대부분의 실제 상황에 매우 잘 들어맞는다).

일반상대성이론이 발표되자마자, 이 이론은 우주의 팽창과 지금 우리가 블랙홀Black Hole(자신의 중력을 이기지 못한 거대별이 수축하며 만든 고밀도 천체)이라고 부르는 것의 존재를 예고하고 있음이 명백해졌다. 1917년 아인슈타인은 우주가 정적이어야 한다고 생각했다. 그러나 중력 때문에 우주는 수축하게 될 것이라고 가정하였다. 이 문제를 해결하기 위해 일반상대성의 방정식에 □우주상수□를 도입, 중력에 반하는 작은 힘을 도입하였다. 그러나 1920년대에 천문학자들에 의해 우주의 팽창이 관측되자 아인슈타인은 우주상수를 폐기하였다. 최근 들어 천문학자들은 우주의 팽창에 가속도가 붙고 있음을 감지했다. 우주의 팽창을 유발하는 수수께끼의 힘을 □암흑에너지□라고 부른다. 일부 물리학자들은 아인슈타인의 우주상수가 옳았으며, 그 개념이 다시 도입되어야 한다고 보고 있다.

입자와 양자이론 - 전자Electron(최초로 발견된 아원자 입자)는 1897년에 영국의 물리학자 톰슨J. J. Thompson에 의해 발견되었고, 가장 작은 원자Atom보다도 훨씬 더 작은 입자임이 측정에 의해 밝혀졌다. 또한 전자가 원자의 일부임을 보여주었다. 전자는 음의 전하를 가지고 있지만 원자는 전기적으로 중성이기 때문에, 원자 내부에 전하가 가진 음의 전하를 상쇄시킬 만한 양의 전하를 가진 입자(또는 다른 실체)가 있어야 했다. 1911년에 이르러 물리학자 러더퍼드Ernest Rutherford는 전하보다 훨씬 무거운 입자가 양의 전하를 가지고 있음을 밝혀냈다. 이 입자를 양성자Proton라고 이름 붙였다.

빛의 에너지가 오직 불연속적인 준위만을 갖는다는 개념은 1900년에 물체를 가열했을 때 방출되는 빛의 스펙트럼을 설명하기 위해 최초로 도입된 바 있었다. 물리학자 막스 플랑크는 불연속적인 에너지 준위를 양자라 부르고, 이 이론을 발전시켰다. 1905년 아인슈타인은 1887년에 헤르츠에 의해 발견된 현상을 설명할 때, 이와 똑같은 개념을 도입해서 빛이 입자(빛의 양자)처럼 행동한다는 것을 보여주었다. 닐스 보어는 전하의 궤도 역시 양자임을 보여주었다. 따라서 입자의 행동에 대한 이론을 양자이론이라고 부른다. 이 이론은 1920년대에 급격한 발전을 이루었다. 이 시기에 알려져 있던 입자는 광자, 전자, 양성자뿐이었다. 1930년대에 볼프강 파울 리가 중성자의 조재를 제안했고, 뒤이어 열 가지가 넘는 입자의 존재가 밝혀졌다. 양자이론은 1947년에 양자전기역학이라는 보다 정밀한 분야로 세분화되었다.

핵물리학 - 1896년 물리학자 앙리 베크렐에 의해 발견된 방사성은, 양성자의 발견과 각 원자는 음의 전기를 가진 전하에 둘러싸였으며 양의 전기를 가진 핵을 하나씩 가지고 있다는 개념의 도입에 핵심이 되었다. 핵에 관한 연구는 1932년 중성 입자인 중성자가 발견되기까지 큰 발전을 보지 못했다. 1934년 부부 물리학자인 이렌느 졸리오-퀴리와 프레데릭 졸리오-퀴리가 원자에 중성자 세례를 퍼부으면 원소가 방사성 동위원소로 변한다는 것을 보여주었다. 1940년 우라늄보다 원자번호가 더 큰 최초의 인공원소가 만들어졌으며, 넵튜늄이라는 이름과 원자번호 93번이 주어졌다. 그 이듬해에는 원자번호 94번인 플루토늄이 만들어졌다. 오늘날에는 116번까지의 인공원소가 존재한다. 1938년 물리학자 오토 한과 리제 마이트너가 거대한 우라늄 원자를 중성자로 때리면 더 작은 조각으로 깨뜨릴 수 있으며(핵분열), 이 과정에서 새로운 중성자와 다른 형태의 에너지가 방출된다는 사실을 발견했다. 이러한 발견으로부터 원자폭탄 또는 핵분열 폭탄, 그리고 핵무기의 발견이 이루어졌다. 그 후 핵융합 폭탄(수소폭탄, 1952)의 개발도 이루어졌다.

물리학과 다른 학문들 - 물리학은 인문학을 제외한 대부분 과학의 토대를 이룬다. 물리학의 일부 이론들은 유기 생명체를 다루고 있으며, 때때로 다른 과학의 일부와 총체적으로 연관되기도 한다. 그 중에서도 가장 두드러지는 세 분야가 천체물리학과 지구물리학 그리고 생물물리학이다. 천체물리학은 물리학의 법칙들의 토대 위에서 별과 가스 구름, 그리고 그 밖의 천체들은 물론 에너지의 발생과 구성, 진화 등을 연구하는 학문이다. 천체물리학을 보다 넓은 관점에서 보면 천문학의 거의 모든 분야가 포함된다. 천문학은 원래 에너지의 발생과 별이 가스로부터 적색 거성, 백색 왜성 등 여러 단계를 거쳐 결국은 초신성Supernova(핵융합반응을 끝낸 항성의 핵이 팽창과 수축을 반복하다가 폭발하여 만든 천체)으로 폭발하거나 수축을 통해 검은 재 또는 블랙홀이 되어가는 과정을 다루는 학문이다. 최근에는 우주 전체의 진화에 대한 이론(우주론)이 천체물리학의 중심이 되고 있다. 우주론은 초기 우주의 아원자 입자가 발달한 과정, 아원자 입자가 했을 법한 역할, 그리고 암흑물질 또는 우주의 팽창을 가속시키는 미지의 에너지 같은 개념 속에 담긴 물리적 힘 등을 다룬다.

끈이론과 초대칭 - 입자물리학의 양자이론에 힘입어 많은 물리적 현상들이 설명되었고, 그들의 상호작용을 매우 정확한 수준으로 계산할 수 있게 되었다. 그러나 이 과정에 개입된 일부 수학적 도구들에 대해서는 아직도 의문의 여지가 남아 있다. 따라서 아인슈타인 이후의 물리학의 희망은 상대성이론과 양자역학을 논리적인 귀결처럼 하나로 아우르는 통일이론을 정립하는 일이다. 그 첫 번째가 끈이론으로, 입자 개념을 1차원의 끈으로 대체시켰다. 이 끈은 수학적으로는 다루기 쉽지만 4차원 이상의 공간에서만 그것이 가능하다는 특징이 있다. 1974년 끈이론은 모든 입자에게는 쌍을 이루는 짝이 있다는 이론과 결합되었다. 예를 들어 하나의 입자가 물질을 나타내는 입자라면 다른 입자는 힘을 나타내고, 그 역의 관계도 성립한다. 이러한 대칭성을 초대칭이라 부르는데, 어떤 끈은 일반상대성이론에 의해 예측되었던 입자인 중력자처럼 행동한다는 사실이 밝혀져 상대성이론과 끈이론을 통합한 초중력이론이 탄생했다. 1984년 무렵, 끈이론과 초대칭이론 역시 통합되어 초끈이론이 탄생했다.

1995년 물리학자 에드워드 위튼은 초중력의 끈이론을 기본적인 실체들이 11차원 공간 속의 막으로 이루어진 이론으로 확장시켰다. 이러한 개념을 변형시킨 M이론 또는 막이론은 오늘날의 이론물리학에서 우주의 근원적인 실체에 대한 가장 인기 있는 개념으로, □만물이론TOE'으로 불린다. 그러나 이러한 이론들은 증명할 수 있는 실험 자체가 불가능하다는 한계를 가지고 있다.

아원자 입자

지난 100년 동안, 거의 모든 분야의 물리학자들은 원자를 구성하는 물질 또는 원자보다 더 작은 입자에 대한 연구로 대대적인 혁명을 이루었다. 20세기의 마지막 10년 동안 기초 입자의 표준 모델이 만들어졌다. 이 모델은 자연에 존재하는 네 가지 힘 중에서 세 가지를 설명해 준다. 강한 핵력과 약한 핵력, 그리고 전자기력이 그것이다(나머지 하나는 중력이다). 그러나 표준 모델은 지금까지 검증을 위해 여러 가지 실험을 거쳤지만 중력이 빠져 있다는 것 외에도 몇 가지 빈틈이 있다. 특히 강한 핵력과 전자약력은 완벽하게 통일되지 못하였다. 강한 핵력과 전자약력을 이론적으로 통일하려는 시도를 대통일장이론(GUTs)이라 부른다. 대통일장이론 이후, 물리학에서 가장 큰 과제는 □만물이론(TOE)', 즉 자연에 존재하는 모든 기본적인 힘을 설명해 주는 이론을 세우는 것이다.

PART 4. 수학(Mathematics)

수학의 역사

수학은 고대 이집트와 바빌로니아에서 시작되었지만, 원리는 대부분 고대 그리스 학자들이 발견하였다. 그들이 남긴 업적은 아랍어와 라틴어로 옮겨진 후 서유럽에 전파되어 그 곳에서 더욱 발전하였다.

초기 산술 : 3만 년 전부터 사람들은 뼈나 돌에 눈금을 새겨 수를 표시했다. 서남아시아 사람들은 8,000년 전부터 다른 방법을 사용하여 수를 세었는데, 그들은 토큰이라는 단단하고 작은 점토조각을 이용하여 교역물자의 양을 계산하였다. 여기에 열 개(10의 자리)를 나타내는 물건과 낱개(1의 자리)를 나타내는 물건을 사용하는 방식이 더해졌다. 이러한 점에 착안하여 1의 자리와 10의 자리, 100의 자리를 판으로 구분한 도구인 계산판이 주판abaci에 앞서 발명되었다. 이어서 계산돌이 쉽게 움직이면서도 없어지지 않도록 철사를 매단 주판(기원전 3000년)도 만들어졌다. 기호를 사용하지 않았기 때문에 대수학이라고 알아보기는 어렵지만, 기원전 2000년 즈음에는 개념상으로 대수학에 해당하는 간단한 셈법과 정수 산술이 있었다.

수학 르네상스 : 15세기에 유럽의 수학은 연산관계 기호(예를 들면 +, -, =)의 도입과 더불어 다시 태어나게 되었다. 17세기까지 대수학은 오늘날 고등학교에서 가르치는 수준까지 도달한 이래, 수학은 해석기하학과 같은 새로운 영역으로 나아갔다. 1636년 페르마와 1637년 데카르트가 독자적으로 창시한 해석기하학은 기하와 대수를 하나로 묶는 분야로, 훗날 등장하는 거의 모든 수학의 기초가 되었다. 또 르네상스 기간에 시작되어 17세기에 되살아난 확률이 새롭게 등장하였다.

미적분학의 탄생 : 일찍이 그리스 수학에서부터 기하학적 도형을 무수히 많은 작은 조각들로 쪼갠 후 그것들을 수리적으로 다시 연결하는 방법이 문제를 해결하는 데 사용되었다. 이를 다양하게 변형시켜서 원을 둘러싼 거리를 찾거나 불규칙적인 도형의 면적과 부피를 구하는 데 적용하기도 했다. 이러한 일반론이 바탕이 되어 무한대로 나눠진 조각, 지금은 □미적분□이라 부르는 것을 이용하여 문제를 푸는 새로운 방식이 생기게 되었다. 1665년과 1666년에 초기 수학자들이 고안해낸 근사법을 확장하여 최초의 미적분을 만들어냈다. 약 10년 뒤에 라이프니츠는 약간 다른 의미를 지닌 기호와 용어를 사용하여 그와 똑같은 수학적 방법을 전개하였다. 오늘날 미적분학에서 사용하는 대다수 기호체계와 용어는 라이프니츠가 창안한 것이다.

19세기의 개혁과 오늘날의 수학 : 19세기 내내 미적분은 대단히 성공적으로 응용되었지만, 몇몇 수학자들은 미적분을 논리적으로 탐구했다. 결국 그들의 시도는 미분微分을 제거하는 대신 대수에서 유도한 법칙을 사용하는 과정을 통해 실현되었다. 기하학도 19세기에 혁명을 겪었다. 새로운 비유클리드 기하학은 현실과 명백하게 일치하지 않는듯하던 수학의 지평을 크게 넓혔다. 1916년 아인슈타인이 발표한 일반상대성원리는 실제 공간의 구조가 유클리드 식이 아닐 수도 있음을 보여주었다. 19세기 수학자들도 산술, 대수학, 기하학, 논리학 등에 기초가 되는 가장 단순한 개념을 찾으려 하였다. 추상수학과 기호논리학은 현실세계의 실체나 이상화된 실체가 아니라, 이러한 개념의 의미를 연구하는 분야이다. 20세기에는 통계학적인 추론(신뢰구간과 다른 방법)을 적용한 방법은 컴퓨터 프로그램, 과학, 공학, 사회과학 등을 통해 매우 발달하였고, 또한 폭넓게 응용되었다. 수학과 통계학의 발전은 오늘날 강력한 컴퓨터 패키지에 포함된 최신 수학적 기법의 영향을 받는다는 것을 뜻한다.

* 타임스 포커스 - 수십억조 개의 우주? 우리 우주는 운이 좋았던 것인가?

물리학자들과 천문학자들이 종종 논쟁의 주제로 떠올리는 것은 우주의 운명이 아니라 우주 속에서의 생명체의 의미와 역할이다. 우주론자들이 모였던 2003년 케이스 웨스턴 리저브대학교의 컨퍼런스에서는 한 가지 의문에 대한 논쟁이 이어졌다. 인류학의 원칙이라고 알려진 개념에 따르면, 실패와 좌절로 끝날 우주에 관한 연구도 우리 자신들을 방정식에 포함시키면 제대로 이해할 수 있게 된다. 우주는 생명체에게 적합해야만 한다. 문제의 핵심은 물리학과 우주론의 방정식에 깃든 신비의 숫자들이다. 이 숫자들은 우주 속에 존재하는 물질의 양 또는 차원의 수를 의미하는데, 지금까지 알려진 어떤 이론으로도 이 숫자들을 예측할 수는 없다고 한다. 이 숫자들은 신의 제어판에 있는 조절 핸들과 같고, 이 핸들이 기적적으로 어떤 눈금에 맞아 생명체가 허락되었다는 것이다. 지금 맞추어진 눈금에서 핸들이 조금만 돌아가도 모든 별은 한꺼번에 블랙홀 안으로 빠져들어가거나 원자들은 흔적도 없이 사라지고 생명의 존재 가능성은 무無가 된다.

만약 오직 하나의 우주만이 존재한다면, 이론가들은 우주가 왜 하나뿐인가를 설명하려고 팔을 걷어붙이고 나설 것이다. 그러나 인류학적 원칙에 따르면 확률상 수십억조 개의 우주가 존재한다. 이러한 관점은 최근 들어 빅뱅이론과 끈이론 -이른바 □만물이론□이라고 알려져 있다- 이 대두되면서 함께 떠올랐다. 빅뱅이론은 팽창이론으로도 알려져 있으며, 이 이론에 따르면 우리 우주는 끊임없이 이어진 버블bubble 가운데 하나일 뿐이다. 인류학적 고찰을 더 따라가 보면, 그 많은 우주 속에서도 생명체를 허용하는 우주는 극소수에 불과하다. 그러나 우리가 그러한 극소수의 우주 중 하나에 깃들어 있는 것은 놀랄 일이 아니다. 우리는 우리가 살 수 있는 곳에 살고 있는 것이다.