물리학자와 철학자들의 숱한 노력에도 불구하고, 물리학의 가장 기본 개념인 질량은 아직까지 미스터리의 장막아래 가려져 있다. 이 책은 그리스로부터 시작해서 2,500여년동안 물질에 대해 연구한 이론들을 시간적으로 정리하여 설명하고 있다.

그리스 철학자들은 물질은 덩어리의 형태로 되어 있다고 생각했다. 지금 우리는 여러 세대에 걸친 과학적 발견으로 겹겹이 싸여 있는 물질의 껍질을 하나씩 벗겨내는 과정을 거치면서, 분자, 원자, 양성자와 중성자, 쿼크와 글루온, 전자 등과 같은 물질의 겹을 하나씩 벗겨낼 수록, 언제나 더 작은 새로운 구성 물질이 튀어나온다. 현대 과학은 물리적 우주, 특히 물질의 본질에 관한 과거의 예상을 무너뜨렸으며, 수학은 자연법칙 물질의 특성을 설명하는 아주 강력한 언어로 사용되고 있다.

제1부 원자와 공허
물질은 실재적인 것이다. 물질은 아무것도 없는 데서 갑자기 생겨날 수 없으며, 무한히 쪼개, 무로 돌아갈 수도 없다. 따라서 모든 물질은 눈에 보이지 않는 궁극의 구성요소로 이루어 져야 한다. 이것을 원자라고 부른다. 원자는 빈 공간 안에서 무질서하게 움직인다. 물질의 여러가지 형태는 다양한 모양의 원자들이 서로 결합하고, 단단한 원자와 빈 공간이 다양한 비율로 혼합되면서 결정된다. 뉴턴은 물체의 질량을 밀도와 부피로 정의하였으며, 물체의 운동상태를 변화시키는 행위의 형태로서 힘을 정의 하였다. 만류인력법칙은 두 물체 사이에 작용하는 중력이 두 물체의 질량에 비례하고, 중심 사이의 거리의 제곱에 반 비례한다는 것이다.

제2부 질량과 에너지
뉴턴의 운동법칙에서 공간과 시간은 우주와 신의 관점안에서 사물에 독립적이며 절대적이어야 한다. 아인슈타인의 특수상대성 이론은 절대공간과 시간을 제거하고 에테르라는 존재를 폐기하게 하였다. 또한 달리는 기차안과 기차밖에서의 시간의 비교를 통하여 공간과 시간은 상대적이며 절대적이지 않으며, 다르게 움직이는 기준틀에서 시간은 느려지고 거리는 줄어드는 것처럼 측정된다고 하였다. 아인슈타인은 질량과 에너지가 같은 것이며, 물체의 질량은 물체가 가진 에너지의 척도임을 증명하였다. 특수상대성 이론은 가속이나 뉴턴의 중력을 설명할 수 없기 때문에 특수하다고 하는 것이며, 이 이론은 시간과 공간을 시공간으로 뒤섞였고, 질량과 에너지를 질량-에너지로 합쳤다.

제3부 파동과 입자
원자론자들의 주장에 반박할 이론을 찾기 위해 노력하던 플랑크는 통계적 접근법을 포용하고 에너지가 E=hv 의 형태로 양자화되어 있다는 가정을 세웠으며, 아인슈타인은 여기에서 한걸음 더 나아갔다. 그는 에너지의 양자화는 복사 자체가 덩어리로 오기 때문에 생긴다고 주장했다. 복사는 낱개로 구분되는 광양자로 이루어져 있는데, 이것을 오늘날에는 빛알이라고 부른다. 보어는 플랑크의 양자개념을 이용해 원자모형을 만들었고, 이 모델로 수소 원자 스펙트럼을 설명할 수 있었다. 슈로딩거의 파동역학은 직관적이며서 단순했고, 양자수들을 3차원 정상파라는 자연스러운 방정식으로 설명했다. 또한 전자의 오비탈이라는 우아한 그림 그려냈다. 이 이론은 사람들이 선호하는 양자역학 버전으로 빠르게 자리 잡았다. 전자가 보여주는 상호 보완적인 파동성질과 입자 성질을 설명하기 위해, 물리학자들은 전기역학에 대한 멕스웰의 고전 이론을 양자버전으로 개발하려 노력했다.

제4부 장과 힘
물리학자들은 1960년대 말부터 1970년대 초까지 발견된 기이하고 기묘한 행동들을 보여주는 수많은 입자들의 입자 동물원을 이해할 수 있는 근본원리를 발견하기 위해 애썻다. 양성자와 중성자 같은 강입자들이, 그보다 더 기본적인 입자인 쿼크로 구성될 수 있다는 아이디어가 처음 나왔을 때는 우스꽝스럽다며 무시당했다. 쿼크는 +2/3과 -1/3 같은 분수 전기전하를 지녀야 했다. 양성자와 중성자가 실제 합성 입자라는 실험적 증거는 1968년 발견되었고, 강력이 약력이나 전기력과는 매우 다른 방식으로 작용한다는 사실이 발견되자, 사람들은 쿼크 아이디어에 점점 관심을 기울이기 시작했다. 현재는 물질 입자가 3세대로 이루어져 있다고 알려져 있다. 첫 번째 세대는 위 쿼크와 아래 쿼크, 그리고 전자와 전자-중성미자가 포함되어 있다. 세 세대의 입자들은 2000년까지 모두 발견되었다. 2012년 힉스보손이 발견됨으로써 입자물리학의 표준모형이 요구하는 입자들의 집합이 모두 완성되었다.

물질과 질량의 본질을 해석하고 이해하는 것은 어렵지만 아직 전말이 드러난 것이 아니다. 입자물리학의 표준 모형이 놀라운 성과를 거둔 것은 맞지만, 아직 설명해야 할 빈 구멍이 너무 많아서 물리적 세상이 어떻게 만들어졌는지 정확히 알려주지 못한다. 끈 이론은 수학적으로 다루기 까다로운 양자색역학의 격자 배열과 글루온장에 의해 연결된 점 입자들을 대신해 끈, 즉 2차원의 에너지 필라멘트를 도입한 것이다. 그렇게 하면 기본 입자들은 끈의 기본진동으로 해석된다. 끈 이론은 기존의 양자장 이론을 고스란히 확대한 것으로 보인다. 그러나 끈이 진동하려면 3차원 공간보다 더 많은 차원이 필요하며, 직접 눈에 띄지 않도록 팽팽하게 말리고 접어 넣을 수 있는 숨은 차원도 필요하다. 끈은 또한 초대칭적(초끈 superstring)이어야 한다. 한동안 끈 이론은 궁극의 만물의 이론이 중력을 포용할 수 있다는 전망을 제시해 준다고 여겨졌다. 그러나 사실 끈 이론은 실질적인 이론이 아니라, 가설들을 잘 연결시킨 하나의 체계에 불과하다.

저자의 물질에 대한 이론을 시간적으로 잘 정리한 노력이 보인다. 다만 번역의 아쉬움이 많이 남는 책이다.