한 권으로 총정리한
물리의 법칙
김영태 지음
국내도서 > 과학 > 교양과학
국내도서 > 과학 > 물리학 > 쉽게 배우는 물리학 / 재미있는 물리 이야기 / 물리학 일반
512쪽 | 22,000원 | 152*225mm | 2026년 3월 27일 발행 | ISBN 979-11-6689-401-5 03420
교보문고 예스24 알라딘
현대인을 위한 ‘39가지 핵심 물리 법칙’
단 한 권으로 끝내기!
김영태 아주대 명예교수가 엄선한 물리학의 정수
《한 권으로 총정리한 물리의 법칙》은 파편화된 물리 지식을 하나의 거대한 흐름으로 꿰어내어, 독자의 머릿속에 '물리학의 전체 지도'를 완성해주는 책이다. 40년간 물리 교육과 연구에 매진해온 김영태 아주대 명예교수가 고전역학부터 상대성이론, 양자역학을 거쳐 최신 인공지능 메커니즘까지 반드시 알아야 할 39가지 핵심 법칙을 엄선해 한 권에 압축했다. 이 책은 난해한 공식의 나열에서 벗어나 각 법칙의 탄생 배경과 이론 간의 상관관계, 그리고 어떻게 현대 공학기술로 이어져 우리 삶을 바꾸었는지를 한 편의 이야기처럼 흥미롭게 추적한다. 물리학의 기초를 다지려는 청소년부터 단편적 지식들을 체계화하려는 성인 독자까지, 물리학의 정수를 이해하고픈 이들에게 가장 쉽고 명쾌한 길잡이가 될 것이다.
뉴턴의 중력법칙부터 최신 인공지능까지,
물리학의 주요 법칙을 한 권에!
《한 권으로 총정리한 물리의 법칙》은 갈릴레이의 낙하 법칙부터 최신 인공지능 메커니즘까지, 과학자들이 발견한 핵심 물리 법칙을 단 한 권에 담았다. 뉴턴과 맥스웰로 대표되는 고전역학은 물론 열역학, 통계역학을 지나 20세기 과학혁명을 이끈 상대성이론과 양자역학, 나아가 현대 입자물리학과 카오스 이론, 인공지능의 원리까지 물리학의 방대한 영역을 폭넓게 아우른다.
단순 암기를 넘어 맥락으로 풀어낸 쉽고 흥미로운 물리학 입문
이 책은 난해한 공식의 나열에서 벗어나, 과학사의 거대한 흐름 속에서 지식이 확장되고 심화되는 과정을 자연스럽게 보여준다. 예를 들어 ‘빛의 법칙’을 설명할 때, 단순한 관찰 수준의 반사와 굴절 현상에서 시작해 ‘스넬의 법칙’을 거쳐 ‘페르마의 최소 시간의 원리’라는 고차원적 법칙으로 완성되어가는 과정을 자세히 살펴본다. 이를 통해 독자는 과학 이론이 정체된 지식이 아니라 끊임없이 발전해왔음을 알 수 있으며, 법칙을 따로 외우지 않아도 이야기를 따라가며 자연스럽게 그 핵심을 파악할 수 있다.
법칙 간의 유기적 연결을 통한 입체적 이해
이 책은 여러 분야의 법칙을 병렬적으로 나열하지 않고, 각 이론의 탄생 배경과 상호 영향 관계를 유기적으로 연결한다. 빛의 성질을 둘러싼 논쟁이 대표적이다. 뉴턴의 입자설에서 영의 파동설로, 다시 아인슈타인의 광전효과를 거쳐 드 브로이의 물질파 가설에 이르기까지, 입자와 파동의 이중성이 정립되는 드라마틱한 과정을 여러 장에 걸쳐 하나의 이야기처럼 엮어낸다. 독자는 이 과정에서 개별 법칙들이 서로 어떻게 영향을 주고받으며 현대 물리학의 기틀을 마련했는지 깊이 있게 이해할 수 있다.
‘공학의 어머니’ 물리학,
우리 삶을 바꾼 기술들의 뿌리
이 책은 물리 법칙들이 추상적인 이론에 그치지 않고 현대 공학기술에 어떻게 적용되었는지 구체적인 사례를 풍부하게 제시한다. 상대성이론으로 오차를 보정되는 GPS, 전자기유도를 이용한 자이로드롭, 광전효과를 응용한 야간투시경과 CCD, 초전도체의 마이스너 효과를 활용한 자기부상열차, 불확정성의 원리를 이용한 X선 레이저, 나노과학이 발견한 새로운 탄소 구조들(풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀) 등 첨단 공학기술은 물론 실생활과 밀접한 기술들을 통해 물리학이 우리 삶에 미치는 지대한 영향을 실감 나게 전달한다.
파편화된 지식을 하나의 지도로 완성하는 지적 경험
단편적인 물리 지식들로 혼란스럽기만 하고 전체 그림에 목말랐던 독자들에게 이 책은 명쾌한 해답을 제시한다. ‘세상은 어떤 법칙에 따라 움직이는가?’라는 근원적인 호기심을 바탕으로 이 책이 설명하는 여러 물리 법칙들을 중심으로 물리학의 발전사, 분야별 쟁점, 과학자들 간의 상호 영향을 파악하다 보면 어느새 물리학의 문턱이 낮아지는 것을 경험할 수 있다. 마지막 책장을 덮는 순간, 독자의 머릿속에는 세상을 움직이는 원리를 꿰뚫는 물리학 전반에 대한 명확한 지도가 선명하게 그려질 것이다.
▶ 지은이 소개
김영태
아주대학교 물리학과 명예교수. 서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 UC 버클리에서 고체물리학 연구로 물리학 박사 학위를 받았다. 이후 미국 국립 로렌스 버클리 연구소 연구원, 아주대 물리학과 교수, 영국 케임브리지 대학교 펠로우, 호주 시드니 대학교 방문 교수를 역임하며 40년 가까이 연구와 교육에 매진해 왔다. 비선형 동역학과 뇌과학, 초전도체 전자기 특성 연구 등에서 탁월한 업적을 인정받아 영국 케임브리지 국제인명센터(IBC)에서 발간하는 ‘탁월한 과학자 2000명(2000 Outstanding Scientists 2008-2009)’에 등재되기도 했다.
복잡한 수식 나열보다는 사물의 이치(物理)를 꿰뚫는 배경과 원인을 설명하는 ‘공식 없는 물리’ 강의로 명성이 높았다. ‘물리는 공학의 어머니’라는 신념 아래, 전공자뿐만 아니라 비전공자들도 물리학의 매력을 발견할 수 있도록 문턱을 낮추는 데 헌신해 왔다.
지은 책으로는 《세상 모든 것의 원리, 물리》, 《현대물리, 불가능에 마침표를 찍다》, 《속 보이는 물리》,《정전이 되면 자이로드롭은 땅에 떨어질까?》, 《아시아를 빛낸 노벨상 수상자》 등이 있다. 옮긴 책으로는 《딥 심플리시티》, 《현대물리학: 시간과 우주의 비밀에 답하다》, 《다세계》, 《우주의 가장 위대한 생각들 1, 2》, 《모든 것은 하나다》 등이 있다.
▶ 본문 속으로
달은 지구가 달에 작용하는 중력과 달의 관성 때문에 지구 주위를 공전합니다. 이와 마찬가지로, 지구는 태양이 지구에 작용하는 중력과 지구의 관성 때문에 태양 주위를 공전합니다. 그런데 지구가 태양에 작용하는 중력은 왜 태양을 지구 주위로 공전하게 할 수 없을까요? … 뉴턴도 마음속으로 같은 질문을 던졌을 것입니다. 이 질문을 통해 뉴턴은 운동에관한제2법칙이라 불리는 ‘힘과 운동에 관한 중요한 원리’를 깨닫습니다. 즉, 물체에 힘이 작용하면 이 물체는 힘을 물체의 질량으로 나눈 가속도를 갖게 된다는 것입니다. … 지구도 무겁지만 태양은 지구에 비해 40만 배나 더 무겁습니다. 따라서 태양과 지구는 같은 크기의 중력으로 서로를 끌어당기지만, 태양의 가속도는 지구 가속도의 40만 분의 1밖에 되지 않습니다. 다시 말해 지구의 가속도에 비하면 태양의 가속도는 무시해도 될 정도, 즉 0에 가깝다고 할 수 있습니다. 따라서 태양은 거의 정지해 있는 반면, 가속도가 큰 지구만이 태양 주위를 공전하는 것입니다. - 43~45쪽
우리는 [물리학 발전의] 두 번째 단계에서 빛이 두 물질의 경계, 즉 공기와 물의 경계인 수면에서 굴절한다는 사실을 발견했습니다. 또 이때 굴절법칙이 적용된다는 것도 알아냈습니다. 이제 우리가 세 번째 단계에서 할 일은 굴절법칙을 설명해줄 자연의 근본 원리를 찾아내는 것입니다. 이 단계는 두 번째 단계보다 훨씬 힘든 과정을 거쳐야 하며 성공 여부도 장담할 수 없습니다. 유명한 프랑스의 변호사이자 아마추어 수학자인 페르마(1601~1665)는 빛의 반사와 굴절을 설명하기 위해 최소시간의원리(페르마의원리)를 발표하였습니다. 여기서 원리란 흔히 법칙보다 수준이 높은 발견을 부를 때 사용합니다. … 빛은 두 지점을 잇는 경로들 중에서 지나는 시간이 가장 짧은 경로를 선택한다는 것이 바로 페르마의 최소 시간의 원리입니다. 이처럼 간단한 원리로 빛의 반사와 굴절은 물론, 모든 빛의 이동을 설명할 수 있다는 사실이 무척 신비롭습니다. - 90~91쪽
전지의 음극에서 공급된 전자는 전기기기의 회로를 따라 이동해 전지의 양극으로 들어갑니다. 하지만 물리학에서는 전류가 전지의 양극에서 음극으로 흐른다고 규정하고 있습니다. 왜 이런 잘못된 규정이 만들어졌을까요? 그 까닭은 1800년대 초 전류의 방향이 정해지고 나서 한참 후인 1897년에 영국의 톰슨이 전자를 발견하였기 때문입니다. 이처럼 전류의 방향이 잘못 정해진 데는 프랭클린의 영향이 컸습니다. 전하를 유체로 보고 이것이 이동하며 생긴 게 전류라고 믿은 프랭클린은 당연히 유체가 많은 곳(양전하)에서 적은 곳(음전하)으로 흐른다고 생각했습니다. 이 생각은 양전하가 이동하는 방향이 전류의 방향으로 굳어지는 데 결정적인 역할을 했습니다. 전자가 발견된 1800년대 말에 와서야 비로소 전류의 방향을 바로잡을 수 있었지만, 한번 정해진 규정을 바꾸기가 쉽지 않아서 지금까지도 그대로 사용해오고 있습니다. -136~137쪽
맥스웰이 골라낸 4개의 법칙은 오늘날 맥스웰방정식이라고 불립니다. 첫 번째 방정식은 쿨롱이 발견한 전하와 전기력(사실은 전기장) 사이의 관계에 대한 수학식입니다. 두 번째 방정식은 패러데이가 발견한 전자기유도 현상에 관한 수학식으로, 자기장의 시간 변화와 코일에 유도되는 전류 사이의 관계를 설명합니다. 세 번째 방정식은 자석(또는 원형 코일)이 만드는 자기장에 관한 수학식으로 N극과 S극이 항상 함께 존재한다는 것과 관련이 있습니다. 마지막 네 번째 방정식은 외르스테드와 앙페르가 발견한 전류와 자기장 사이의 관계에 대한 수학식입니다. 이 식을 점검하면서 맥스웰은 이전의 물리학자들이 깨닫지 못한 중요한 사실을 발견합니다. 즉 전기장의 시간 변화가 공간에 자기장을 유도한다는 것입니다. 이는 패러데이의 발견과 반대되는 자연의 성질로, 이를 통해서 이제 전기장으로 자기장을 유도할 수 있게 되었습니다. - 171쪽
열역학 제2법칙의 엔트로피(열과 관련)와 통계역학의 엔트로피(확률과 관련)는 같은 것일까요? 겉보기에는 두 엔트로피가 달라 보이지만, 속을 들여다보면 같습니다. 왜 그런지 알아보기 위해 열이 저온에서 고온으로 흐른다고 가정해봅시다. 이때 열역학의 엔트로피를 계산해보면 엔트로피가 감소합니다. 따라서 자연에서는 이런 일이 일어날 수 없지요. 그러나 통계역학을 적용하면 어떨까요? 열이 저온에서 고온으로 흐른다면, 저온의 느린 분자들은 에너지를 빼앗겨 속도가 더욱 느려지고, 고온의 빠른 분자들은 에너지를 얻어 속도가 더욱 빨라집니다. 이렇게 되면 분자들의 속도가 균일해지기는커녕 오히려 속도가 아주 빠른 것과 아주 느린 것만 남게 됩니다. 이제 이런 일이 일어날 확률을 생각해보면, 통계역학의 엔트로피가 어떻게 달라지는지 알 수 있습니다. - 228쪽
아인슈타인은 물체가 운동할 때 시간과 공간이 상대적으로 달라진다는 사실을 발견한 뒤, 이것이 뉴턴의 운동법칙에 어떤 변화를 주는지를 연구하였습니다. 그 결과 물체의 질량 역시 시간과 공간처럼 물체의 운동에 따라 달라진다는 사실을 알아내었지요. 뉴턴의 운동법칙은 물체의 질량이 물체의 운동과 관계없이 일정하다고 가정합니다. 질량이 물체의 고유한 속성이기 때문입니다. 그러나 상대성이론에 따르면, 시간과 공간이 물체의 운동에 따라 달라지기 때문에 물체의 질량 역시 변해야 합니다. … 위 관계식은 물체의 속도가 빠르면 빠를수록, 질량 또한 급격히 커진다는 것을 알려줍니다. 이런 논리에 따라 좀 더 극단적인 상황을 가정해보면, 물체의 속도가 빛 속도와 같아졌을 때 질량은 무한대가 되겠지요. 우리 일상에서는 물체의 속도가 빛 속도보다 훨씬 느리기 때문에, 질량 증가 효과를 거의 느낄 수 없습니다. - 288~289쪽
블랙홀이란 이름을 처음으로 사용한 휠러는 “블랙홀에는 머리카락이 없다”라고 말해 사람들을 어리둥절하게 만들었습니다. 이 말은 블랙홀의 본질적 특성을 비유적으로 이야기한 것입니다. 사람을 구별하는 한 가지 방법은 사람의 헤어 스타일입니다. 길게 기른 머리, 짧게 깎은 머리, 금발, 흑발, 곱슬머리 등등 사람마다 다양한 헤어 스타일을 가지고 있어 구별이 됩니다. 블랙홀에는 머리카락이 없다는 말은 블랙홀이 되는 별의 원래 특성(정보라고 해도 무방합니다)이 블랙홀이 되면서 모두 사라져 모든 블랙홀은 동일하다는 것을 뜻합니다. 블랙홀은 오직 질량, 전하, 회전 상태만으로 구별이 되는 단순한 천체입니다. 우주에서 가장 복잡하고 극단적인 블랙홀이 놀랍도록 단순하다는 것이 신기하기만 합니다. 블랙홀은 사람으로 치면 머리카락이 없는 대머리인 셈입니다. - 316쪽
파동은 공간에 넓게 퍼지는 특성을 가지고 있습니다. 하지만 파장이 다른 여러 파동들을 더하면(말 그대로 각 파동의 진폭을 숫자 더하듯이 더하면 됩니다), 놀랍게도 특정한 공간에서만 진폭(파동의 크기)을 갖고 다른 공간에서는 진폭이 사라지는, 펄스(매우 짧은 시간 동안에 큰 진폭을 내는 전압이나 전류 또는 파동) 모양의 파속이 만들어집니다(그림1을 보세요). 파속의 진폭은 특정 공간에서만 존재하고, 파속은 특정한 속력으로 진행하기 때문에, 우리 눈에는 파동이 아닌 입자처럼 보입니다. 다시 말해 파속인 물질파의 내부는 파동이나, 외부에서 볼 때는 입자처럼 보이는 것입니다. 따라서 물질파는 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는다고 말할 수 있습니다. - 364~365쪽
전자의 파동함수는 사각형(전자가 움직일 수 있는 공간) 전체에 퍼져 있습니다. 이 사실은 시간이 달라져도 변함이 없지요. 그렇다면 공은 어떨까요? 공은 특정한 시간엔 한곳에 있으나, 매시간마다 움직여 그 위치가 달라집니다. 즉 공은 절대 사각형 울타리 안에서 동시에 두 장소에 있을 수 없습니다. 하지만 전자의 파동함수는 동시에 모든 곳에 퍼져 있지요. 무슨 말인지 이해하기 어렵다고요? … 막스 보른은 슈뢰딩거 방정식이 나오고 얼마 지나지 않아 ‘파동함수 자체는 의미가 없지만, 파동함수의 제곱은 물리적으로 의미가 있음’을 깨닫습니다. 정확히 말해, 그는 특정 위치와 특정한 시간에서의 파동함수의 제곱이 바로 물체를 그 시간에 그 위치에서 발견할 확률이라고 주장했지요. - 403~404쪽
사람들이 반감기에 대해 쉽게 오해하는 부분이 있습니다. 10g의 우라늄-238이 있다고 가정해보지요. 우라늄-238의 반감기가 45억 년이므로, 45억 년 뒤에는 5g, 90억 년 뒤에는 0g이 되어 우라늄-238이 전부 사라진다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 실제로는 90억 년 뒤에 5g의 절반인 2.5g이 남고, 또 135억 년 뒤에는 1.25g이 남아, 우라늄-238이 완전히 사라지기까지 거의 무한대의 시간이 걸리지요. 이처럼 반감기가 긴 방사능원소들은 방사능이 완전히 사라지기까지 정말 오랜 시간이 걸리기 때문에, 우리에게 오랫동안 피해를 줄 수 있습니다. 따라서 이런 방사능원소들이 만들어지지 않도록 신경을 써야 합니다. - 422~423쪽
전기저항은 전자가 고체 내부에서 이동할 때 원자나 전자와의 충돌(정확히는 산란)에 의해 직선으로 나가지 못하고 지그재그로 움직이기 때문에 생깁니다. 그런데 모든 전자가 전자쌍을 이루면 놀랍게도 일사불란하게 이동하여 전기저항이 사라집니다. 이것은 흡사 무대에서 남녀 여러 명이 왈츠에 맞춰 춤을 추는 것과 같습니다. 각자 춤을 추며 움직이다 보면 서로 부딪치지만(전기저항이 생김), 남녀 두 명씩 짝을 이루어 음악에 맞춰 원형으로 이동하면 서로 부딪치지 않고(전기저항이 사라짐) 춤을 출 수 있는 것과 같은 이치입니다. 또한 전자쌍의 형성은 마이스너 효과도 설명해 줍니다. 비유적이긴 하지만 초전도체가 생기는 이유를 이해하시겠나요? - 457~458쪽
▶ 목차
머리말
떨어지는 물체, 무게는 달라도 가속도는 일정하다 - 갈릴레이의 자유낙하 운동 법칙
태양계를 움직이는 세 가지 질서를 밝히다 - 행성 운동애 대한 케플러의 법칙
우주의 모든 물체는 서로를 끌어당긴다 - 뉴턴의 중력법칙
사과에서 달까지 모든 물체는 똑같은 운동법칙을 따른다 - 뉴턴의 운동법칙
자연에는 4가지 기본 힘이 존재한다 - 힘의 물리학
모습을 바꿀 뿐, 에너지의 총합은 영원히 변하지 않는다 - 에너지 보존의 원리
빛의 기초 법칙들을 알아내다 - 빛의 반사법칙과 굴절법칙
빛은 최단 시간 경로를 택한다 - 페르마의 최소 시간의 원리
간섭무늬로 빛이 파동임을 증명하다 - 영의 이중슬릿 실험
비행기 날개 모양이 비행기를 뜨게 하다 - 유체에 대한 베르누이 정리
전하가 전기를 만든다 - 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
전류가 자기를 만든다 - 외르스테드의 실험과 앙페르의 법칙
자기장의 변화가 전기장을 만들어낸다 - 패러데이의 법칙
빛은 전자기 파동이다 - 맥스웰의 전자기학 방정식
뜨거워진 기체가 만드는 힘의 규칙 - 이상기체에 대한 보일-샤를의 법칙
영구기관은 왜 불가능한가? - 열역학 법칙
통계로 열의 정체를 밝히다 - 맥스웰-볼츠만 분포
미스터리한 빛의 언어를 해독하려 하다 - 흑체복사 법칙과 빛의 특성
보이지 않는 광선과 빛의 특성에서 원자의 비밀을 캐려 하다 - 음극선 실험과 전자의 발견
빛은 파동이 아닌 입자다 - 광전효과와 아인슈타인의 이론
실패해서 물리학 역사상 가장 유명해진 실험 - 마이컬슨-몰리 실험
빠르게 움직일수록 시간은 느려지고 길이는 줄어든다 - 특수상대성이론
사라진 질량은 거대한 에너지가 된다 - E=mc2
중력은 거대한 질량이 휘어놓은 시공간의 흔적이다 - 일반상대성이론
별의 질량에 따라 최후가 달라진다 - 찬드라세카르 한계와 블랙홀
시공간의 지름길을 타고 어제와 내일을 만나다 - 시간여행
우주는 대폭발로 탄생했으며 지금도 팽창하고 있다 - 허블-르메트르 법칙과 빅뱅 이론
에너지는 흐르지 않고 덩어리져 존재한다 - 플랑크의 양자가설
딱딱한 물질조차 때로는 파동처럼 움직인다 - 드 브로이의 물질파 가설
텅 빈 공간의 중심에서 단단한 핵을 발견하다 - 러더퍼드의 알파입자 산란 실험
위치와 속도, 둘을 동시에 알 수는 없다 - 하이젠베르크의 불확정성 원리
미시 세계의 모든 가능성을 파동에 담다 - 슈뢰딩거 방정식
변신의 귀재 원자핵의 비밀을 풀다 - 핵붕괴와 핵분열의 원리
우주를 구성하는 기본 조각들의 지도를 그리다 - 소립자에 대한 표준 모형
네 가지 기본 힘을 하나로 통합하다 - 힘에 대한 만물 이론
중력을 거스르는 자석, 저항 없는 에너지가 흐르다 - 마이스너 효과와 초전도 현상
아주 작은 것들의 세계에는 바닥이 없다 - 나노물리학
예측할 수 없는 혼돈에도 법칙은 숨어 있다 - 로렌츠 방정식과 카오스 이론
쌓아올린 신경망 속에서 인공의 직관을 발견하다 - 인공지능의 원리
맺음말
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한 권으로 총정리한
물리의 법칙
김영태 지음
국내도서 > 과학 > 교양과학
국내도서 > 과학 > 물리학 > 쉽게 배우는 물리학 / 재미있는 물리 이야기 / 물리학 일반
512쪽 | 22,000원 | 152*225mm | 2026년 3월 27일 발행 | ISBN 979-11-6689-401-5 03420
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단 한 권으로 끝내기!
김영태 아주대 명예교수가 엄선한 물리학의 정수
《한 권으로 총정리한 물리의 법칙》은 파편화된 물리 지식을 하나의 거대한 흐름으로 꿰어내어, 독자의 머릿속에 '물리학의 전체 지도'를 완성해주는 책이다. 40년간 물리 교육과 연구에 매진해온 김영태 아주대 명예교수가 고전역학부터 상대성이론, 양자역학을 거쳐 최신 인공지능 메커니즘까지 반드시 알아야 할 39가지 핵심 법칙을 엄선해 한 권에 압축했다. 이 책은 난해한 공식의 나열에서 벗어나 각 법칙의 탄생 배경과 이론 간의 상관관계, 그리고 어떻게 현대 공학기술로 이어져 우리 삶을 바꾸었는지를 한 편의 이야기처럼 흥미롭게 추적한다. 물리학의 기초를 다지려는 청소년부터 단편적 지식들을 체계화하려는 성인 독자까지, 물리학의 정수를 이해하고픈 이들에게 가장 쉽고 명쾌한 길잡이가 될 것이다.
뉴턴의 중력법칙부터 최신 인공지능까지,
물리학의 주요 법칙을 한 권에!
《한 권으로 총정리한 물리의 법칙》은 갈릴레이의 낙하 법칙부터 최신 인공지능 메커니즘까지, 과학자들이 발견한 핵심 물리 법칙을 단 한 권에 담았다. 뉴턴과 맥스웰로 대표되는 고전역학은 물론 열역학, 통계역학을 지나 20세기 과학혁명을 이끈 상대성이론과 양자역학, 나아가 현대 입자물리학과 카오스 이론, 인공지능의 원리까지 물리학의 방대한 영역을 폭넓게 아우른다.
단순 암기를 넘어 맥락으로 풀어낸 쉽고 흥미로운 물리학 입문
이 책은 난해한 공식의 나열에서 벗어나, 과학사의 거대한 흐름 속에서 지식이 확장되고 심화되는 과정을 자연스럽게 보여준다. 예를 들어 ‘빛의 법칙’을 설명할 때, 단순한 관찰 수준의 반사와 굴절 현상에서 시작해 ‘스넬의 법칙’을 거쳐 ‘페르마의 최소 시간의 원리’라는 고차원적 법칙으로 완성되어가는 과정을 자세히 살펴본다. 이를 통해 독자는 과학 이론이 정체된 지식이 아니라 끊임없이 발전해왔음을 알 수 있으며, 법칙을 따로 외우지 않아도 이야기를 따라가며 자연스럽게 그 핵심을 파악할 수 있다.
법칙 간의 유기적 연결을 통한 입체적 이해
이 책은 여러 분야의 법칙을 병렬적으로 나열하지 않고, 각 이론의 탄생 배경과 상호 영향 관계를 유기적으로 연결한다. 빛의 성질을 둘러싼 논쟁이 대표적이다. 뉴턴의 입자설에서 영의 파동설로, 다시 아인슈타인의 광전효과를 거쳐 드 브로이의 물질파 가설에 이르기까지, 입자와 파동의 이중성이 정립되는 드라마틱한 과정을 여러 장에 걸쳐 하나의 이야기처럼 엮어낸다. 독자는 이 과정에서 개별 법칙들이 서로 어떻게 영향을 주고받으며 현대 물리학의 기틀을 마련했는지 깊이 있게 이해할 수 있다.
‘공학의 어머니’ 물리학,
우리 삶을 바꾼 기술들의 뿌리
이 책은 물리 법칙들이 추상적인 이론에 그치지 않고 현대 공학기술에 어떻게 적용되었는지 구체적인 사례를 풍부하게 제시한다. 상대성이론으로 오차를 보정되는 GPS, 전자기유도를 이용한 자이로드롭, 광전효과를 응용한 야간투시경과 CCD, 초전도체의 마이스너 효과를 활용한 자기부상열차, 불확정성의 원리를 이용한 X선 레이저, 나노과학이 발견한 새로운 탄소 구조들(풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀) 등 첨단 공학기술은 물론 실생활과 밀접한 기술들을 통해 물리학이 우리 삶에 미치는 지대한 영향을 실감 나게 전달한다.
파편화된 지식을 하나의 지도로 완성하는 지적 경험
단편적인 물리 지식들로 혼란스럽기만 하고 전체 그림에 목말랐던 독자들에게 이 책은 명쾌한 해답을 제시한다. ‘세상은 어떤 법칙에 따라 움직이는가?’라는 근원적인 호기심을 바탕으로 이 책이 설명하는 여러 물리 법칙들을 중심으로 물리학의 발전사, 분야별 쟁점, 과학자들 간의 상호 영향을 파악하다 보면 어느새 물리학의 문턱이 낮아지는 것을 경험할 수 있다. 마지막 책장을 덮는 순간, 독자의 머릿속에는 세상을 움직이는 원리를 꿰뚫는 물리학 전반에 대한 명확한 지도가 선명하게 그려질 것이다.
▶ 지은이 소개
김영태
아주대학교 물리학과 명예교수. 서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 UC 버클리에서 고체물리학 연구로 물리학 박사 학위를 받았다. 이후 미국 국립 로렌스 버클리 연구소 연구원, 아주대 물리학과 교수, 영국 케임브리지 대학교 펠로우, 호주 시드니 대학교 방문 교수를 역임하며 40년 가까이 연구와 교육에 매진해 왔다. 비선형 동역학과 뇌과학, 초전도체 전자기 특성 연구 등에서 탁월한 업적을 인정받아 영국 케임브리지 국제인명센터(IBC)에서 발간하는 ‘탁월한 과학자 2000명(2000 Outstanding Scientists 2008-2009)’에 등재되기도 했다.
복잡한 수식 나열보다는 사물의 이치(物理)를 꿰뚫는 배경과 원인을 설명하는 ‘공식 없는 물리’ 강의로 명성이 높았다. ‘물리는 공학의 어머니’라는 신념 아래, 전공자뿐만 아니라 비전공자들도 물리학의 매력을 발견할 수 있도록 문턱을 낮추는 데 헌신해 왔다.
지은 책으로는 《세상 모든 것의 원리, 물리》, 《현대물리, 불가능에 마침표를 찍다》, 《속 보이는 물리》,《정전이 되면 자이로드롭은 땅에 떨어질까?》, 《아시아를 빛낸 노벨상 수상자》 등이 있다. 옮긴 책으로는 《딥 심플리시티》, 《현대물리학: 시간과 우주의 비밀에 답하다》, 《다세계》, 《우주의 가장 위대한 생각들 1, 2》, 《모든 것은 하나다》 등이 있다.
▶ 본문 속으로
달은 지구가 달에 작용하는 중력과 달의 관성 때문에 지구 주위를 공전합니다. 이와 마찬가지로, 지구는 태양이 지구에 작용하는 중력과 지구의 관성 때문에 태양 주위를 공전합니다. 그런데 지구가 태양에 작용하는 중력은 왜 태양을 지구 주위로 공전하게 할 수 없을까요? … 뉴턴도 마음속으로 같은 질문을 던졌을 것입니다. 이 질문을 통해 뉴턴은 운동에관한제2법칙이라 불리는 ‘힘과 운동에 관한 중요한 원리’를 깨닫습니다. 즉, 물체에 힘이 작용하면 이 물체는 힘을 물체의 질량으로 나눈 가속도를 갖게 된다는 것입니다. … 지구도 무겁지만 태양은 지구에 비해 40만 배나 더 무겁습니다. 따라서 태양과 지구는 같은 크기의 중력으로 서로를 끌어당기지만, 태양의 가속도는 지구 가속도의 40만 분의 1밖에 되지 않습니다. 다시 말해 지구의 가속도에 비하면 태양의 가속도는 무시해도 될 정도, 즉 0에 가깝다고 할 수 있습니다. 따라서 태양은 거의 정지해 있는 반면, 가속도가 큰 지구만이 태양 주위를 공전하는 것입니다. - 43~45쪽
우리는 [물리학 발전의] 두 번째 단계에서 빛이 두 물질의 경계, 즉 공기와 물의 경계인 수면에서 굴절한다는 사실을 발견했습니다. 또 이때 굴절법칙이 적용된다는 것도 알아냈습니다. 이제 우리가 세 번째 단계에서 할 일은 굴절법칙을 설명해줄 자연의 근본 원리를 찾아내는 것입니다. 이 단계는 두 번째 단계보다 훨씬 힘든 과정을 거쳐야 하며 성공 여부도 장담할 수 없습니다. 유명한 프랑스의 변호사이자 아마추어 수학자인 페르마(1601~1665)는 빛의 반사와 굴절을 설명하기 위해 최소시간의원리(페르마의원리)를 발표하였습니다. 여기서 원리란 흔히 법칙보다 수준이 높은 발견을 부를 때 사용합니다. … 빛은 두 지점을 잇는 경로들 중에서 지나는 시간이 가장 짧은 경로를 선택한다는 것이 바로 페르마의 최소 시간의 원리입니다. 이처럼 간단한 원리로 빛의 반사와 굴절은 물론, 모든 빛의 이동을 설명할 수 있다는 사실이 무척 신비롭습니다. - 90~91쪽
전지의 음극에서 공급된 전자는 전기기기의 회로를 따라 이동해 전지의 양극으로 들어갑니다. 하지만 물리학에서는 전류가 전지의 양극에서 음극으로 흐른다고 규정하고 있습니다. 왜 이런 잘못된 규정이 만들어졌을까요? 그 까닭은 1800년대 초 전류의 방향이 정해지고 나서 한참 후인 1897년에 영국의 톰슨이 전자를 발견하였기 때문입니다. 이처럼 전류의 방향이 잘못 정해진 데는 프랭클린의 영향이 컸습니다. 전하를 유체로 보고 이것이 이동하며 생긴 게 전류라고 믿은 프랭클린은 당연히 유체가 많은 곳(양전하)에서 적은 곳(음전하)으로 흐른다고 생각했습니다. 이 생각은 양전하가 이동하는 방향이 전류의 방향으로 굳어지는 데 결정적인 역할을 했습니다. 전자가 발견된 1800년대 말에 와서야 비로소 전류의 방향을 바로잡을 수 있었지만, 한번 정해진 규정을 바꾸기가 쉽지 않아서 지금까지도 그대로 사용해오고 있습니다. -136~137쪽
맥스웰이 골라낸 4개의 법칙은 오늘날 맥스웰방정식이라고 불립니다. 첫 번째 방정식은 쿨롱이 발견한 전하와 전기력(사실은 전기장) 사이의 관계에 대한 수학식입니다. 두 번째 방정식은 패러데이가 발견한 전자기유도 현상에 관한 수학식으로, 자기장의 시간 변화와 코일에 유도되는 전류 사이의 관계를 설명합니다. 세 번째 방정식은 자석(또는 원형 코일)이 만드는 자기장에 관한 수학식으로 N극과 S극이 항상 함께 존재한다는 것과 관련이 있습니다. 마지막 네 번째 방정식은 외르스테드와 앙페르가 발견한 전류와 자기장 사이의 관계에 대한 수학식입니다. 이 식을 점검하면서 맥스웰은 이전의 물리학자들이 깨닫지 못한 중요한 사실을 발견합니다. 즉 전기장의 시간 변화가 공간에 자기장을 유도한다는 것입니다. 이는 패러데이의 발견과 반대되는 자연의 성질로, 이를 통해서 이제 전기장으로 자기장을 유도할 수 있게 되었습니다. - 171쪽
열역학 제2법칙의 엔트로피(열과 관련)와 통계역학의 엔트로피(확률과 관련)는 같은 것일까요? 겉보기에는 두 엔트로피가 달라 보이지만, 속을 들여다보면 같습니다. 왜 그런지 알아보기 위해 열이 저온에서 고온으로 흐른다고 가정해봅시다. 이때 열역학의 엔트로피를 계산해보면 엔트로피가 감소합니다. 따라서 자연에서는 이런 일이 일어날 수 없지요. 그러나 통계역학을 적용하면 어떨까요? 열이 저온에서 고온으로 흐른다면, 저온의 느린 분자들은 에너지를 빼앗겨 속도가 더욱 느려지고, 고온의 빠른 분자들은 에너지를 얻어 속도가 더욱 빨라집니다. 이렇게 되면 분자들의 속도가 균일해지기는커녕 오히려 속도가 아주 빠른 것과 아주 느린 것만 남게 됩니다. 이제 이런 일이 일어날 확률을 생각해보면, 통계역학의 엔트로피가 어떻게 달라지는지 알 수 있습니다. - 228쪽
아인슈타인은 물체가 운동할 때 시간과 공간이 상대적으로 달라진다는 사실을 발견한 뒤, 이것이 뉴턴의 운동법칙에 어떤 변화를 주는지를 연구하였습니다. 그 결과 물체의 질량 역시 시간과 공간처럼 물체의 운동에 따라 달라진다는 사실을 알아내었지요. 뉴턴의 운동법칙은 물체의 질량이 물체의 운동과 관계없이 일정하다고 가정합니다. 질량이 물체의 고유한 속성이기 때문입니다. 그러나 상대성이론에 따르면, 시간과 공간이 물체의 운동에 따라 달라지기 때문에 물체의 질량 역시 변해야 합니다. … 위 관계식은 물체의 속도가 빠르면 빠를수록, 질량 또한 급격히 커진다는 것을 알려줍니다. 이런 논리에 따라 좀 더 극단적인 상황을 가정해보면, 물체의 속도가 빛 속도와 같아졌을 때 질량은 무한대가 되겠지요. 우리 일상에서는 물체의 속도가 빛 속도보다 훨씬 느리기 때문에, 질량 증가 효과를 거의 느낄 수 없습니다. - 288~289쪽
블랙홀이란 이름을 처음으로 사용한 휠러는 “블랙홀에는 머리카락이 없다”라고 말해 사람들을 어리둥절하게 만들었습니다. 이 말은 블랙홀의 본질적 특성을 비유적으로 이야기한 것입니다. 사람을 구별하는 한 가지 방법은 사람의 헤어 스타일입니다. 길게 기른 머리, 짧게 깎은 머리, 금발, 흑발, 곱슬머리 등등 사람마다 다양한 헤어 스타일을 가지고 있어 구별이 됩니다. 블랙홀에는 머리카락이 없다는 말은 블랙홀이 되는 별의 원래 특성(정보라고 해도 무방합니다)이 블랙홀이 되면서 모두 사라져 모든 블랙홀은 동일하다는 것을 뜻합니다. 블랙홀은 오직 질량, 전하, 회전 상태만으로 구별이 되는 단순한 천체입니다. 우주에서 가장 복잡하고 극단적인 블랙홀이 놀랍도록 단순하다는 것이 신기하기만 합니다. 블랙홀은 사람으로 치면 머리카락이 없는 대머리인 셈입니다. - 316쪽
파동은 공간에 넓게 퍼지는 특성을 가지고 있습니다. 하지만 파장이 다른 여러 파동들을 더하면(말 그대로 각 파동의 진폭을 숫자 더하듯이 더하면 됩니다), 놀랍게도 특정한 공간에서만 진폭(파동의 크기)을 갖고 다른 공간에서는 진폭이 사라지는, 펄스(매우 짧은 시간 동안에 큰 진폭을 내는 전압이나 전류 또는 파동) 모양의 파속이 만들어집니다(그림1을 보세요). 파속의 진폭은 특정 공간에서만 존재하고, 파속은 특정한 속력으로 진행하기 때문에, 우리 눈에는 파동이 아닌 입자처럼 보입니다. 다시 말해 파속인 물질파의 내부는 파동이나, 외부에서 볼 때는 입자처럼 보이는 것입니다. 따라서 물질파는 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는다고 말할 수 있습니다. - 364~365쪽
전자의 파동함수는 사각형(전자가 움직일 수 있는 공간) 전체에 퍼져 있습니다. 이 사실은 시간이 달라져도 변함이 없지요. 그렇다면 공은 어떨까요? 공은 특정한 시간엔 한곳에 있으나, 매시간마다 움직여 그 위치가 달라집니다. 즉 공은 절대 사각형 울타리 안에서 동시에 두 장소에 있을 수 없습니다. 하지만 전자의 파동함수는 동시에 모든 곳에 퍼져 있지요. 무슨 말인지 이해하기 어렵다고요? … 막스 보른은 슈뢰딩거 방정식이 나오고 얼마 지나지 않아 ‘파동함수 자체는 의미가 없지만, 파동함수의 제곱은 물리적으로 의미가 있음’을 깨닫습니다. 정확히 말해, 그는 특정 위치와 특정한 시간에서의 파동함수의 제곱이 바로 물체를 그 시간에 그 위치에서 발견할 확률이라고 주장했지요. - 403~404쪽
사람들이 반감기에 대해 쉽게 오해하는 부분이 있습니다. 10g의 우라늄-238이 있다고 가정해보지요. 우라늄-238의 반감기가 45억 년이므로, 45억 년 뒤에는 5g, 90억 년 뒤에는 0g이 되어 우라늄-238이 전부 사라진다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 실제로는 90억 년 뒤에 5g의 절반인 2.5g이 남고, 또 135억 년 뒤에는 1.25g이 남아, 우라늄-238이 완전히 사라지기까지 거의 무한대의 시간이 걸리지요. 이처럼 반감기가 긴 방사능원소들은 방사능이 완전히 사라지기까지 정말 오랜 시간이 걸리기 때문에, 우리에게 오랫동안 피해를 줄 수 있습니다. 따라서 이런 방사능원소들이 만들어지지 않도록 신경을 써야 합니다. - 422~423쪽
전기저항은 전자가 고체 내부에서 이동할 때 원자나 전자와의 충돌(정확히는 산란)에 의해 직선으로 나가지 못하고 지그재그로 움직이기 때문에 생깁니다. 그런데 모든 전자가 전자쌍을 이루면 놀랍게도 일사불란하게 이동하여 전기저항이 사라집니다. 이것은 흡사 무대에서 남녀 여러 명이 왈츠에 맞춰 춤을 추는 것과 같습니다. 각자 춤을 추며 움직이다 보면 서로 부딪치지만(전기저항이 생김), 남녀 두 명씩 짝을 이루어 음악에 맞춰 원형으로 이동하면 서로 부딪치지 않고(전기저항이 사라짐) 춤을 출 수 있는 것과 같은 이치입니다. 또한 전자쌍의 형성은 마이스너 효과도 설명해 줍니다. 비유적이긴 하지만 초전도체가 생기는 이유를 이해하시겠나요? - 457~458쪽
▶ 목차
머리말
떨어지는 물체, 무게는 달라도 가속도는 일정하다 - 갈릴레이의 자유낙하 운동 법칙
태양계를 움직이는 세 가지 질서를 밝히다 - 행성 운동애 대한 케플러의 법칙
우주의 모든 물체는 서로를 끌어당긴다 - 뉴턴의 중력법칙
사과에서 달까지 모든 물체는 똑같은 운동법칙을 따른다 - 뉴턴의 운동법칙
자연에는 4가지 기본 힘이 존재한다 - 힘의 물리학
모습을 바꿀 뿐, 에너지의 총합은 영원히 변하지 않는다 - 에너지 보존의 원리
빛의 기초 법칙들을 알아내다 - 빛의 반사법칙과 굴절법칙
빛은 최단 시간 경로를 택한다 - 페르마의 최소 시간의 원리
간섭무늬로 빛이 파동임을 증명하다 - 영의 이중슬릿 실험
비행기 날개 모양이 비행기를 뜨게 하다 - 유체에 대한 베르누이 정리
전하가 전기를 만든다 - 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
전류가 자기를 만든다 - 외르스테드의 실험과 앙페르의 법칙
자기장의 변화가 전기장을 만들어낸다 - 패러데이의 법칙
빛은 전자기 파동이다 - 맥스웰의 전자기학 방정식
뜨거워진 기체가 만드는 힘의 규칙 - 이상기체에 대한 보일-샤를의 법칙
영구기관은 왜 불가능한가? - 열역학 법칙
통계로 열의 정체를 밝히다 - 맥스웰-볼츠만 분포
미스터리한 빛의 언어를 해독하려 하다 - 흑체복사 법칙과 빛의 특성
보이지 않는 광선과 빛의 특성에서 원자의 비밀을 캐려 하다 - 음극선 실험과 전자의 발견
빛은 파동이 아닌 입자다 - 광전효과와 아인슈타인의 이론
실패해서 물리학 역사상 가장 유명해진 실험 - 마이컬슨-몰리 실험
빠르게 움직일수록 시간은 느려지고 길이는 줄어든다 - 특수상대성이론
사라진 질량은 거대한 에너지가 된다 - E=mc2
중력은 거대한 질량이 휘어놓은 시공간의 흔적이다 - 일반상대성이론
별의 질량에 따라 최후가 달라진다 - 찬드라세카르 한계와 블랙홀
시공간의 지름길을 타고 어제와 내일을 만나다 - 시간여행
우주는 대폭발로 탄생했으며 지금도 팽창하고 있다 - 허블-르메트르 법칙과 빅뱅 이론
에너지는 흐르지 않고 덩어리져 존재한다 - 플랑크의 양자가설
딱딱한 물질조차 때로는 파동처럼 움직인다 - 드 브로이의 물질파 가설
텅 빈 공간의 중심에서 단단한 핵을 발견하다 - 러더퍼드의 알파입자 산란 실험
위치와 속도, 둘을 동시에 알 수는 없다 - 하이젠베르크의 불확정성 원리
미시 세계의 모든 가능성을 파동에 담다 - 슈뢰딩거 방정식
변신의 귀재 원자핵의 비밀을 풀다 - 핵붕괴와 핵분열의 원리
우주를 구성하는 기본 조각들의 지도를 그리다 - 소립자에 대한 표준 모형
네 가지 기본 힘을 하나로 통합하다 - 힘에 대한 만물 이론
중력을 거스르는 자석, 저항 없는 에너지가 흐르다 - 마이스너 효과와 초전도 현상
아주 작은 것들의 세계에는 바닥이 없다 - 나노물리학
예측할 수 없는 혼돈에도 법칙은 숨어 있다 - 로렌츠 방정식과 카오스 이론
쌓아올린 신경망 속에서 인공의 직관을 발견하다 - 인공지능의 원리
맺음말
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