100년 남짓한 현대 물리학의 모든 것,50개의 에세이에 야무지게 담아내다!
■ 세상은 온통 물리로 이루어져 있다!
“물리는 왜 그렇게 어려워요?” 이러한 질문을 접할 때마다 우리에게 가장 먼저 떠오르는 것은 ‘물리는 무슨 뜻인지 모를 공식과 왜 그렇게 해야 되는지 모른 채 공식에 수치를 대입하여 문제를 푸는 것’이라는 생각이다. 그러나 이것은 잘못된 과학 교육 때문이지, 결코 물리 자체의 성격에서 기인한 현상이 아니다. ‘모든 물질의 이치’를 다루는 학문으로서, 사실 우리 생활의 어느 부분도 물리학의 성과를 반영하지 않은 곳은 없다. _정성헌(전국과학교사모임, 안동 복주여자중학교)
사람들은 말한다. 물리에 대해 알아야 할 첫 번째 사실은 ‘물리는 어렵다’는 것이라고. 정말 그럴까? 어쨌든 우리는 모두 매일같이 물리를 사용한다. 거울을 보고, 안경을 낄 때 우리는 빛의 물리학을 이용한다. 자명종을 맞출 때는 시간이라는 물리 개념을 추적한다. 지도를 보고 길을 찾아갈 때는 기하학 공간 속을 움직인다. 휴대폰을 쓸 때는 마치 투명한 실과 같은 전자파를 통해 저 높은 하늘 너머 위성까지 닿는다. 물리가 기술에만 존재하는 것은 아니다. 물리가 없으면 달도, 무지개도, 다이아몬드도 없다. 우리 몸의 동맥 속을 흐르는 피 또한 물리학의 법칙을 따른다. 알고 보면 우리는 온통 물리에 둘러싸여 있다. 그럼에도 물리가 우리에게 여전히 먼 존재처럼 느껴진다면, 이 책은 물리를 우리에게 가까운 존재로, 쉽고 즐거운 일상으로 만들어줄 반가운 연결고리가 되어줄 것이다.
■ <사이언스(Science)>지의 조앤 베이커!조앤 베이커는 케임브리지 대학에서 물리학을 전공하고 시드니 대학에서 박사학위를 받았다. 그리고 현재는 <사이언스(Science)>지 물리학 편집자로서, 특히 우주과학과 지구과학 분야에서 활약하고 있다. 뿐만 아니라 복잡하고 난해한 물리학 개념들을 대중이 이해하기 쉽게 풀어내는 데 탁월한 재능이 있는 작가로 유명하다. 그가 이 책을 쓰기로 마음을 먹은 것은 무엇보다도 ‘물리학은 재미있는 학문’이라는 것을 알리기 위함이었다. 특히 현대 물리학의 세계에는 놀라운 일들이 수두룩하다. 양자물리학은 물체의 존재 자체를 의심하게 함으로써 세상을 확 뒤집어놓았고, 우주론은 우주의 실체에 대해 고민하게 한다.
“우주는 어떻게 생겨났는가? 우리는 왜 여기에 있는가? 우주는 특별한가, 아니면 필연적인 결과인가? 원자 속을 들여다본 물리학자들은 더 작은 기본 입자가 이루는 기괴한 세상을 밝혀냈다. 단단한 마호가니 책상도 속을 들여다보면 대부분 빈 공간이다. 얼기설기 틀을 짠 원자들이 핵력으로 서로 붙들려 구조를 지탱하고 있을 뿐이다. 원래 철학에서 나왔던 물리학은 일상의 경험을 뛰어넘는 새롭고 신기한 세계관을 제공한다는 점에서 다시 철학으로 돌아가고 있다.” _조앤 베이커
또 물리학은 사실과 실험에 뿌리를 두고 착실히 발전해왔다. 컴퓨터 소프트웨어처럼 수시로 버그가 수정되고 새로운 모듈이 덧붙여지고 있는 것이다. 물리학자들 또한 그에 발맞추어 사고방식을 전환한다. 때로는 ‘지구가 태양 주위를 돈다’는 코페르니쿠스의 지동설을 받아들일 때와 같이 오랜 시간과 노력이 필요하기도 하고, 현재 가장 성공적으로 보이는 물리 법칙조차 끊임없이 시험을 받고 있지만, 물리학의 끊임없는 진화와 발전은 눈을 떼지 못하게 하는 매력이 있다.
■ ‘간결하고 명료한’ 물리 에세이 50!이 책은 100년 남짓한 물리학의 세계를 50개의 물리 에세이에 쉽고 간결하게 풀어내고 있다. 고전 역학에서 현대 우주론까지를 시대별로 소개하고 있는데, 중력, 빛, 에너지 같은 기초 개념부터 양자 이론, 카오스, 암흑 에너지 같은 최신 개념을 담았다. 다른 물리 입문서에서는 흔히 찾아볼 수 없었던 프라운호퍼 회절, EPR 역설, 파인만 도표, 올베르스의 역설 등도 눈에 띈다. 근대과학 성립의 최고 공로자인 뉴턴에서부터 그의 맞은편에 서 있던 훅, 그리고 마흐, 케플러를 비롯해 페르마, 도플러, 슈뢰딩거, 아인슈타인, 파인만에 이르는 위대한 과학자들의 전기와 명언 등도 빼놓을 수 없다. 좀 더 책 속으로 들어가면, 세계에 대한 인간의 이해에 기념비적인 돌파구를 마련한 케플러의 행성 운동 법칙과 뉴턴의 중력 법칙을 비롯해 플랑크 법칙이나 파울리의 배타원리, 슈뢰딩거의 고양이, 끈 이론 등 때로 혼란스럽게만 느껴지는 복잡한 현대 물리학 이론들도 만날 수 있다. 또 물리 에세이 사이사이에 장치해둔 물리학 개념들의 연대기, 설명을 돕는 그림과 도표들이 물리에 대한 이해를 높여준다. 한마디로 이 책은 청소년은 물론 비전공자들을 위한 완벽한 현대 물리학 입문서이다. 1989년, 스티븐 호킹이 이런 말을 했다.
“인간은 지극히 평범한 별에 딸린 작은 행성에 사는, 제법 진화한 원숭이 종에 불과하다. 하지만 인간은 우주를 이해한다.그래서 너무나 특별하다.”
무릇 모든 훌륭한 책이 그렇듯, 이 책도 물리학의 세계 앞에 겸손해짐과 동시에 스스로의 특별함을 자각하고, 나아가 물리학의 더 많은 세계를 탐험하고픈 마음을 불러일으킬 것이다.
지은이_조앤 베이커(Joanne Baker)케임브리지 대학에서 물리학을 전공했고 시드니 대학에서 1995년에 박사학위를 받았다. 현재는 <사이언스(Science)>지 물리학 편집자로서, 특히 우주과학과 지구과학 분야에서 활약하고 있다.
옮긴이_김명남한국과학기술원(KAIST)에서 화학을 전공하고, 서울대학교 환경대학원에서 환경정책을 공부했다. 인터넷 서점 알라딘 편집팀장을 지냈고, 현재 번역가로 일하고 있다. 옮긴 책으로 《시크릿 하우스》 《특이점이 온다》 《양자 세계 여행자를 위한 안내서》 《내 안의 물고기》 《지상 최대의 쇼》 등이 있다.
머리말 _ 물리학은 기발한 상상력 그 이상이다 6
PART 1 물질과 운동01 마흐의 원리 ─ 질량은 운동에 영향을 미친다 1402 뉴턴의 운동 법칙 ─ 운동을 파악하다 2003 케플러의 법칙 ─ 세계를 설명하는 법칙들 2604 뉴턴의 중력 법칙 ─ 질량은 끌어당긴다 3305 에너지 보존 ─ 에너지는 파괴되지 않는다 3906 단조화운동 ─ 흔들림의 과학 4507 훅의 법칙 ─ 환상적인 탄성 5108 이상기체 법칙 ─ 압력솥의 물리학 5709 열역학 제2법칙 ─ 무질서의 법칙 6310 절대 0도 ─ 압도적인 추위 6911 브라운 운동 ─ 맨눈으로 볼 수 없는 미시세계의 춤 7512 카오스 이론 ─ 혼돈 속의 질서 8113 베르누이 방정식 ─ 동맥과 공기역학 88
PART 2 파동의 날개 아래14 뉴턴의 색 이론 ─ 무지개 저 너머 9615 하위헌스의 원리 ─ 파동이 가는 길 10216 스넬의 법칙 ─ 빛은 최단 거리를 찾아간다 10817 브래그의 법칙 ─ 점무늬로 물질의 구조를 알아내다 11418 프라운호퍼 회절 ─ 서로 간섭하는 빛의 파동들 11919 도플러 효과 ─ 절대음감처럼 완벽한 음조 12520 옴의 법칙 ─ 회로의 이론 13021 플레밍의 오른손 법칙 ─ 유도 법칙들 13622 맥스웰 방정식 ─ 그리하여 빛이 생겼다 142
PART 3 양자라는 수수께끼23 플랑크 법칙 ─ 에너지 분배의 법칙 15024 광전효과 ─ 총알 같은 광자들 15625 슈뢰딩거 파동 방정식 ─ 여기 아니면 저기, 어쨌든 어딘가 한 곳에 16326 하이젠베르크의 불확정성 원리 ─ 한계를 알라 16827 코펜하겐 해석 ─ 선택은 당신의 손에 17428 슈뢰딩거의 고양이 ─ 살았느냐 죽었느냐, 그것이 문제로다 18129 EPR 역설 ─ 즉석 메시지 교환 18730 파울리의 배타원리 ─ 이 자리 비었습니까? 19331 초전도성 ─ 의미 없는 저항 199
PART 4 원자 쪼개기32 러더퍼드의 원자 ─ 단단한 핵 20633 반물질 ─ 거울상 물질 21234 핵분열 ─ 원자를 쪼개다 21935 핵융합 ─ 별의 에너지 22536 표준모형 ─ 모두가 한 가족 23237 파인만 도표 ─ 세 갈래 접근법 23938 신의 입자 ─ 흐름을 거슬러 헤엄치기 24539 끈 이론 ─ 우주의 화음 252
PART 5 시간과 공간 40 특수 상대성 이론 ─ 운동은 상대적이다 26041 일반 상대성 이론 ─ 굽은 시공간 26742 블랙홀 ─ 갇혀버린 빛 27343 올베르스 역설 ─ 유한한 우리의 우주 27944 허블의 법칙 ─ 팽창하는 우주 28545 빅뱅 ─ 궁극의 폭발 29246 급팽창 이론 ─ 우주의 폭발적인 성장 29947 암흑물질 ─ 우주의 어두운 면 30548 우주상수 ─ 다섯 번째 힘 31149 페르미 역설 ─ 거기 아무도 없나요? 31750 인류원리 ─ 딱 이렇게 되어야 했던 우주 324
용어 설명 330색인 332
옮긴이의 말 _ 물리를 이해하는 50개의 항목 335
우리는 기초적인 추진력으로서의 에너지라는 개념에 익숙하다. 몸이 피곤하면 에너지가 부족하다고 말하고, 기쁨에 겨워 깡충깡충 뛸 때는 에너지가 충만하다고 말한다. 그런데 에너지란 무엇인가? 우리 몸을 유지하는 데 쓰이는 에너지는 화학물질의 연소에서 나온다. 어떤 형태의 분자를 다른 형태로 바꾸는 과정에서 에너지가 방출되는 것이다. 하지만 스키를 탄 사람이 쏜살같이 경사로를 내려가거나 전구가 환하게 불을 밝히는 데에는 어떤 에너지가 관여할까? 그런 것들이 다 같은 에너지일까? 많은 가면을 갖고 있는 에너지를 정의하기란 어려운 일이다. 지금도 물리학자들은 에너지가 본질적으로 어떤 존재인지 설명하지 못한다. 다만 에너지가 어떤 일을 하는지, 에너지를 어떻게 다룰지 알 뿐이다. _본문 39-40쪽 중에서
훅은 ‘런던의 레오나르도 다 빈치’라고 불릴 만큼 많은 업적을 이루었다. 과학혁명의 핵심 인물이었던 그는 천문학에서 생물학에 이르기까지 여러 과학 영역에 기여했고, 건축에도 손을 댔다. 아이작 뉴턴과 대립했던 일로도 유명하다. 뉴턴과 훅은 서로 적대감이 상당했다. 뉴턴은 훅이 자신의 빛 이론을 받아들이지 않자 몹시 화를 냈고, 중력의 역제곱 법칙 구축에 훅이 도움을 준 사실을 결코 인정하지 않았다.눈부신 성취에도 불구하고 오늘날 훅이 이 정도밖에 알려지지 않았다는 사실은 놀라울 따름이다. 훅의 초상화 한 점 남아 있지 않다. 그처럼 혁신적이었던 인물을 우리가 훅의 법칙으로만 기억하는 것은 상당한 푸대접이다. _본문 56쪽 중에서
저 멀리 수평선에 나타난 배의 글자를 맨눈으로 읽기란 거의 불가능하다. 쌍안경을 써서 확대해보면 되지만, 궁금증은 남는다. 왜 우리 눈의 해상도에는 한계가 있을까? 단서는 눈의 조리개 격인 동공의 크기에 있다. 눈의 빛 수용체를 한껏 자극하려면 동공을 활짝 열어 빛을 충분히 받아들여야 하지만, 동공이 크게 열릴수록 빛이 흐려지기 때문이다. 빛은 온 방향에서 와서 수정체를 지나 눈으로 들어온다. 동공이 넓을수록 더 여러 방향에서 빛이 들어온다. 브래그 회절에서 보았듯이, 서로 다른 경로를 지나온 빛들은 위상이 맞느냐 어긋나느냐에 따라 간섭을 일으킨다. 대부분은 위상이 맞은 채로 곧장 진행해 또렷하고 밝은 점을 이루지만, 밝은 점의 폭은 나란한 광선들끼리 상쇄를 일으키는 지점까지로 한정된다. 그곳부터는 어둡고 밝은 줄무늬가 형성된다. 우리 눈이 얼마나 세밀하게 볼 수 있느냐는 그 중앙점의 폭에 달렸다. _본문 119-120쪽 중에서
밤하늘은 왜 캄캄할까? 우주가 끝없이 넓고 영원히 존재해온 것이라면 밤하늘은 태양처럼 밝아야 한다. 그런데 그렇지 않다. 밤하늘을 올려다볼 때 우리는 우주의 전 역사를 보는 셈이다. 별들의 수가 한정되어 있다는 것은 우주의 규모와 나이가 한정되어 있다는 암시이다. 올베르스 역설은 현대 우주론과 빅뱅 모형으로 가는 길을 닦아주었다. _본문 279쪽 중에서
