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『황제의 새 마음』으로 물리적 구조에 정신이 깃들 가능성을 탐구했던 수리물리학자 로저 펜로즈가, 8년에 거쳐 탐구한 실체의 정체에 대해 신간 『실체에 이르는 길1,2』에서 설명한다. 이 책을 관통하는 주제는 바로 물리계의 양태와 수학 개념 간의 관계이다. 물리학을 한 권의 책에 담으려는 이 시도에, 저자는 수학과 물리학에서 이룬 자신의 업적들과 여러가지 수학적 도구들을 활용했다. 그는 비유를 통해 설명하거나, 일화를 나열하기보다는 처음부터 수학적 내용을 하나씩 쌓아 올리며 결론에 도달한다.

2권에 들어서면 엔트로피, 빅뱅, 인플레이션 우주론, 초끈이론까지 이어지는 물리학 여행을 이끌면서, 저자는 서서히 물리학자로서 자신의 목소리를 낸다. 그가 보기에 양자역학은 실체의 확률만을 제공한다는 특성 때문에 최고의 이론이 아니며, 20세기 최고의 과학이론은 아인슈타인 상대성 이론이다. 또한 그는 양자역학과 상대성 이론의 결합을 꾀하는 이론들이 우리 눈에 보이는 시공간 차원보다 더 높은 차원을 주장하는 것을 지적하며, 50년간 연구해온 자신의 스핀네트워크 이론과 트위스터 이론을 대안으로 제시한다. 물론 저자는 자신의 대안이 모든 것을 설명해 줄 만능의 열쇠라고 말하는 우를 범하지 않으며, 각각의 이론의 현황을 정리·보고하고 양자이론에 변화를 촉구한다.

또한 이 책에서는 1996년 국내에 출간된 저작 『황제의 새 마음』에 이름만 언급되었던 트위스터 이론에 대해 저자가 직접 설명하고 있다. 트위스터 이론은 매끄러운 상대성 이론의 시공간과 양자역학의 결합에서 태어나는 모순을 피하기 위해 불연속적인 시공간, 또는 양자적 특성이 반영된 시공간을 구축하려는 이론이다. 처음 국내에 소개되었을 때는 구체적인 얼개가 너무 난해하다는 이유로 설명되지 않았던 트위스터 이론이, 『엘리건트 유니버스』로 독자에게 초끈이론을 쉽게 설명했던 박병철 역자의 손으로 유려하게 번역되어 독자들을 찾아간다.

제21장 양자입자
21.1 교환법칙을 만족하지 않는 변수들
21.2 양자 해밀토니안
21.3 슈뢰딩거 방정식
21.4 양자이론의 실험적 배경
21.5 파동 - 입자의 이중성을 어떻게 이해할 것인가?
21.6 양자적 실체란 무엇인가?
21.7 파동함수의 총체적 ?성
21.8 마술 같은 '양자 점프'
21.9 파동함수의 확률분포
21.10 위치상태
운동량 - 공간 표현

제22장 양자대수학, 양자기하학, 스핀
22.1 양자적 과정 : U와 R
22.2 U의 선형성과 R에 관한 문제들
22.3 유니터리 구조, 힐베르트 공간, 디랙 표기법
22.4 유니터리한 시간변화 : 슈뢰딩거와 하이젠베르크
22.5 양자적 '관측가능량'
22.6 YES/NO 관측 : 프로젝터
22.7 빈 관측 : 나선성
22.8 스핀과 스피너
22.9 2-상태 계의 리만 구면
22.10 큰 스핀 : 마요라나 묘사법
22.11 구면조화함수
22.12 상대론적 양자 각운동량
22.13 고립된 양자적 객체

제23장 서로 얽혀 있는 양자세계
23.1 다입자계의 양자역학적 서술
23.2 거대한 다입자 상태공간
23.3 양자얽힘 : 벨 부등식
23.4 봄 타입의 EPR 실험
23.5 확률이 '거의 배제된'하디의 EPR 타입 실험
23.6 양자얽힘에 숨어 있는 두 가지 미스터리
23.7 보존과 페르미온
23.8 보존과 페르미온의 양자상태
23.9 양자 원격이동
23.10 퀀글먼트

제24장 디랙의 전자와 반입자
24.1 양자역학과 상대성이론 사이의 팽팽한 긴장관계
24.2 반입자의 존재가 양자장으로 귀결되는 이유
24.3 양자역학적 에너지가 양의 값을 갖는 이유
24.4 상대론적 에너지공식의 난점
24.5 d/dt의 비불변성
24.6 파동연산자ㅁ의 클리포드-디랙 제곱근
24.7 디랙 방정식
24.8 디랙의 양전자

제25장 입자물리학의 표준모형
25.1 현대 입자물리학의 기원
25.2 전자의 지그재그 도식
25.3 약전자기 상호작용 : 반전 비대칭
25.4 전하켤레( C), 반전성(P), 시간되짚기(T)
25.5 약전자기 대칭군
25.6 강한 상호작용을 주고 받는 입자들
25.7 쿼크의 색
25.8 표준모형을 넘어서

제26장 양자장이론
26.1 양자장이론의 현주소
26.2 생성연산자와 소멸연산자
26.3 무한차원 대수
26.4 양자장이론에서의 반입자
26.5 또 하나의 진공상태
26.6 상호작용 : 라그랑지안과 경로적분
26.7 발산하는 경로적분 : 파인만의 해결책
26.8 파인만 그래프 : S-행렬
26.9 재규격화
26.10 라그랑지안과 파인만 그래프
26.11 파인만 그래프와 진공의 선택

제27장 빅뱅이 남긴 열역학적 유산
27.1 시간대칭과 역학적 진행과정
27.2 극미세 요소들
27.3 엔트로피
27.4 굳건한 엔트로피 개념
27.5 제2법칙의 유도 - 또는 실패?
27.6 우주는 그 자체로 '독립된 계'인가?
27.7 빅뱅의 역할
27.8 블랙홀
27.9 사건지평선과 시공간 특이점
27.10 블랙홀의 엔트로피
27.11 우주론
27.12 등각 다이어그램
27.13 매우 특별한 빅뱅

제28장 초기우주에 대한 사변적 이론
28.1 초기우주의 자발적 대칭붕괴
28.2 우주적 위상적 결함
28.3 초기우주의 대칭붕괴
28.4 인플레이션 우주론
28.5 인플레이션은 과연 타당한 동기에서 도입된 이론인가?
28.6 인류원리
28.7 빅뱅의 특별한 성질 : 인류 열쇠?
28.8 바일 곡률 가설
28.9 하틀-호킹의 '무경계'이론
28.10 우주변수 : 관측현황?

제29장 측정역설
29.1 양자이론에 내포된 통상적 실체론
29.2 새로운 실체론적 시각에서 바라본 양자역학
29.3 밀도행렬
29.4 스핀 1/2인 입자의 밀도행렬 : 블로흐 구
29.5 EPR 상황에서 밀도행렬
29.6 주변환경의 결어긋남 해석법의 FAPP철학
29.7 코펜하겐 해석에 입각한 '슈뢰딩거의 고양이'역설
29.8 다른해석은 슈뢰딩거의 고양이 역설을 해결할 수 있는가?
29.9 어떤 관점을 택할 것인가?

제30장 양자상태축소에서 중력의 역할
30.1 현제 양자이론은 안정적으로 자리를 잡았는가?
30.2 우주적 시간의 비대칭성에서 얻을 수 있는 실마리
30.3 양자적 상태축소에 나타나는 시간 비대칭
30.4 호킹의 블랙홀 온도
30.5 복소수 주기성에서 유추한 블랙홀의 온도
30.6 킬링벡터, 에너지의 흐름, 그리고 시간여행!
30.7 음에너지 궤도에서 에너지의 흐름
30.8 호킹폭발
30.9 더욱 급진적인 관점
30.10 슈뢰딩거의 덩어리
30.11 아인슈타인의 원리와 충돌하다
30.12 슈뢰딩거-뉴턴 상태?
30.13 FELIX 및 이와 관련된 제안들
30.14 초기우주 요동의 원인

제31장 초대칭과 초고차원, 그리고 끈이론
31.1 설명되지 않은 변수들
31.2 초대칭
31.3 초대칭의 대수와 기하학
31.4 고차원시공간
31.5 강입자 끈이론
31.6 끈이론이 말하는 세상
31.7 끈이론의 여분차원
31.8 끈이론은 과연 양자중력이론인가?
31.9 끈이론의 역학
31.10 우리는 왜 여분차원을 볼 수 없는가?
31.11 양자적 - 안정성 논리를 수용해야 하는가?
31.12 여분차원의 고전적 불안정성
31.13 끈-양자장이론은 유한한가?
31.14 마술 같은 칼라비 - 야우 공간과 M-이론
31.15 끈과 블랙홀 엔트로피
31.16 홀로그래픽 원리
31.17 D-브레인
31.18 끈이론의 현주소

제32장 아인슈타인의 좁은 길 - 고리변수
32.1 정준적 양자중력이론
32.2 아쉬테카르변수에 대한 카이랄 입력
32.3 아쉬테카르 변수의 형태
32.4 고리변수
32.5 매듭과 연결을 서술하는 수학
32.6 스핀네트워크
32.7 고리양자중력이론의 현주소

제33장 더욱 급진적인 관점 : 트위스터 이론
33.1 기하학에 불연속적 요소가 존재하는 이론들
33.2 트위스터와 빛의 경로
33.3 등각군 : 컴팩트화된 민코프스키 공간
33.4 트위스터와 고차원 스피너
33.5 트위스터 기초 기하학과 좌표
33.6 징량없이 자전하는 입자의 트위스터 기하학
33.7 트위스터 양자이론
33.8 질량이 없는 장의 트위스터 표현
33.9 트위스터 층공간 코홀몰로지
33.10 트위스터와 양/음 진동수 분리
33.11 비선형 중력자
33.12 트위스터와 일반상대성이론
33.13 트위스터 입자물리학
33.14 트위스터 이론의 미래

제34장 실체에 이르는 길을 찾아서
34.1 20세기 물리학의 위대한 이론들
34.2 수학으로 이루어진 기초물리학
34.3 물리학이론에서 '유행'의 역할
34.4 틀린 이론은 실험으로 반증될 수 있는가?
34.5 물리학의 다음혁명은 어디에서 시작될 것인가?
34.6 실체란 무엇인가?
34.7 물리학이론에서 정신의 역할
34.8 수학을 통해 실체로 접근하는 긴 여정
34.9 아름다움과 기적
34.10 심오한 질문에 답이 제시되면서 더 심오한 질문이 제기되다

맺음말
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