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파인만의 전설적인 물리학 강의록!

물리학자 리처드 파인만의 전설적인 강의를 담은『파인만의 물리학 강의』시리즈. 파인만이 1961년부터 1963년까지 캘리포니아 공과대학에서 진행한 강의를 로버트 레이턴과 매슈 샌즈가 정리하였고, 이것이 1963년에 책으로 출간되었다. 이 책은 지난 40여 년 동안 학생들과 교사들, 그리고 물리학자들에게 영감을 주며 '물리의 숨은 묘미'를 선사하였다.

역학, 복사, 열을 다룬 제1권은 일반 물리학을 파인만 특유의 설명으로 재구성하였고, 제2권은 전자기학과 물성을 다루었다. 이번 제3권은 파인만의 전공 분야라 할 수 있는 양자역학을 다루며, 독창적인 설명으로 양자역학의 핵심을 풀어놓는다. 이 양자역학 강의는 당시 대학원 과정에서만 나오던 주제를 학부생 대상의 개론 수업에서 가르친 첫 시도였다.

초반부에서는 미시세계의 특이한 행동방식을 보여주는 슬릿 실험 장치를 활용하여 양자역학을 개념적으로 이해할 수 있도록 소개한다. 입자에게 가능한 모든 경로를 더해야 한다는 경로합 아이디어를 통해 중요한 특징들을 설명한 후에, 중반부에서 슈뢰딩거 방정식을 보여주고 그 의미를 이야기한다. 후반부에서는 우리의 일상과 밀접한 예를 통해 양자역학의 응용방식을 살펴본다. [양장본]

파인만의 전설적인 강의가 책으로 나온 지 이미 40년 이상이 지나면서 물리적 세계에 대한 우리의 이해에는 많은 변화가 있었지만,『파인만의 물리학 강의』는 그러한 세파를 견뎌 냈다. 물리학자 파인만의 진면목은 바로 이 강의록에서 나온다고 해도 과언이 아니다. 사물의 이치를 꿰뚫는 견고한 사유의 힘과 어느 누구도 흉내 낼 수 없는 독창적인 문제 해결 방식이 바로 이 책에서 마침내 빛을 발한다. 파인만 특유의 물리적 통찰과 교수법 덕분에 처음 출간되었던 당시와 마찬가지로 오늘날에도 위력적이다. 이토록 오랫동안 광범위한 영향을 끼친 물리학 책은 아마 없을 것이다.

『파인만의 물리학 강의』시리즈 중에서도 양자역학을 다루는 Ⅲ권은 특별하다. 파인만은 1965년에 양자전기역학(Quantum Electrodynamics, QED)을 완성한 공로로 줄리언 슈윙거와 도모나가 신이치로와 함께 노벨 물리학상을 받았을 만큼 양자역학은 그의 전공 분야였다. 또한 파인만의 양자역학 강의는 당시 대학원 과정에서만 나오던 주제를 학부생을 대상으로 하는 개론 수업에서 가르친 첫 시도였다.

대학에서의 양자역학 강의는 보통 슈뢰딩거 방정식을 배운 후에 몇 가지 간단한 경우의 해를 구하는 순서로 진행된다. 그 과정에서 계산방법만 배운 채 결과가 갖는 의미를 정확히 파악하지 못하는 학생들을 흔히 보게 된다. 이 책에서 파인만은 반대 순서로 논리를 펼친다. 초반부 강의는 미시세계의 특이한 행동방식을 잘 보여 주는 슬릿 실험 장치를 여러 번 활용하여 양자역학을 먼저 개념적으로 이해할 수 있도록 친절히 안내한다. 입자에게 가능한 모든 경로를 더해야 한다는 경로합(sum over path) 아이디어(이는 파인만이 양자전기역학에 공헌한 주요 업적이기도 하다)를 통해 여러 중요한 특징들을 설명한 다음, 중반부에 가서야 슈뢰딩거 방정식을 보여 주고 그 의미를 탐색한다. 그리고 후반부에는 반도체와 트랜지스터, 초전도 현상 등 우리 생활과 밀접한 예를 통해 양자역학의 응용방식을 살펴본다.

리처드 파인만에 대하여
개정판에 붙이는 머리말
특별 머리말
리처드 파인만의 머리말
서문

CHAPTER 1. 양자적 행동
1-1 원자의 역학
1-2 총알 실험
1-3 파동 실험
1-4 전자 실험
1-5 전자 파동의 간섭
1-6 전자를 눈으로 보다
1-7 양자역학의 제1원리
1-8 불확정성 원리

CHAPTER 2. 파동과 입자의 관계
2-1 파동의 확률 진폭
2-2 위치와 운동량의 측정
2-3 결정에 의한 회절
2-4 원자의 크기
2-5 에너지 준위
2-6 철학적 의미

CHAPTER 3. 확률 진폭
3-1 진폭을 연산하는 법
3-2 두 슬릿에 의한 간섭 무늬
3-3 결정에서의 산란
3-4 동일 입자

CHAPTER 4. 동일 입자
4-1 보즈 입자와 페르미 입자
4-2 두 보즈 입자들이 있을 때의 상태
4-3 보즈 입자가 n개 있을 때의 상태
4-4 광자의 방출과 흡수
4-5 흑체 복사
4-6 액체 헬륨
4-7 배타 원리

CHAPTER 5. 스핀 1
5-1 슈테른-게를라흐 장치를 이용해 원자 걸러내기
5-2 여과된 원자를 이용한 실험
5-3 직렬 연결된 슈테른-게를라흐 여과기
5-4 기반 상태
5-5 진폭의 간섭
5-6 양자역학을 사용하는 방법
5-7 다른 기반으로의 변환
5-8 다른 경우들

CHAPTER 6. 스핀 1/2
6-1 진폭의 변환
6-2 회전된 좌표계로의 변환
6-3 z축에 대한 회전
6-4 y축에 대한 180°와 90° 회전
6-5 x축에 대한 회전
6-6 임의의 회전

CHAPTER 7. 진폭의 시간에 따른 변화
7-1 정지한 원자들: 정상 상태
7-2 등속 운동
7-3 퍼텐셜 에너지: 에너지의 보존
7-4 힘: 고전적인 극한
7-5 스핀 1/2짜리 입자의 세차운동

CHAPTER 8. 해밀토니안 행렬
8-1 진폭과 벡터
8-2 상태 벡터 분해하기
8-3 이 세상의 기반 상태는 무엇인가?
8-4 시간에 따라 상태가 변하는 방식
8-5 해밀토니안 행렬
8-6 암모니아 분자

CHAPTER 9. 암모니아 메이저
9-1 암모니아 분자가 갖는 상태들
9-2 정적인 전기장 안에 놓여 있는 분자
9-3 시간에 따라 변하는 전기장 안에서의 전이
9-4 공명 조건에서의 전이
9-5 공명 조건을 만족하지 않는 경우의 전이
9-6 빛의 흡수

CHAPTER 10. 두 상태 계의 다른 예
10-1 수소 분자 이온
10-2 핵력
10-3 수소 분자
10-4 벤젠 분자
10-5 염료
10-6 자기장 안에 있는 스핀 1/2 입자의 해밀토니안
10-7 자기장 안에서 회전하는 전자

CHAPTER 11. 두 상태 계 더 살펴보기
11-1 파울리 스핀 행렬
11-2 연산자로서의 스핀 행렬
11-3 두 상태 방정식의 해
11-4 광자의 편극 상태
11-5 중성 K-중간자
11-6 N 상태 계로의 일반화

CHAPTER 12. 수소의 초미세 갈라짐
12-1 스핀 1/2짜리 입자가 둘 있는 계의 기반 상태들
12-2 수소의 바닥 상태에 대한 해밀토니안
12-3 에너지 준위
12-4 제만 갈라짐
12-5 자기장 안에서의 상태
12-6 스핀 1의 투영 행렬

CHAPTER 13. 결정 격자 안에서의 전파
13-1 1차원 격자 내 전자의 상태들
13-2 에너지가 정해진 상태들
13-3 시간에 따라 변하는 상태들
13-4 3차원 격자 안의 전자
13-5 결정 안의 다른 상태들
13-6 격자 내 결함에 의한 산란
13-7 격자의 결함에 갇힘
13-8 산란 진폭과 속박 상태들

CHAPTER 14. 반도체
14-1 반도체 안의 전자와 양공
14-2 불순물 반도체
14-3 홀 효과
14-4 반도체 접합
14-5 반도체 접합에서의 정류
14-6 트랜지스터

CHAPTER 15. 독립 입자 근사
15-1 스핀 파
15-2 두 스핀의 파동
15-3 독립적인 입자들
15-4 벤젠 분자
15-5 유기 화학을 더 살펴보기
15-6 근사의 다른 용도

CHAPTER 16. 확률 진폭의 위치에 따른 변화
16-1 선 위에서의 확률 진폭
16-2 파동함수
16-3 운동량이 정해진 상태
16-4 좌표계에서 상태의 규격화
16-5 슈뢰딩거 방정식
16-6 양자화된 에너지 준위

CHAPTER 17. 대칭과 보존 법칙
17-1 대칭
17-2 대칭과 보존
17-3 보존법칙
17-4 편극된 빛
17-5 Λ 입자의 붕괴
17-6 회전 행렬의 요약

CHAPTER 18. 각운동량
18-1 전기 쌍극자 복사
18-2 빛의 산란
18-3 포지트로늄의 소멸
18-4 임의의 스핀에 대한 회전 행렬
18-5 핵 스핀의 측정
18-6 각운동량의 합성

CHAPTER 19. 수소 원자와 주기율표
19-1 수소 원자에 대한 슈뢰딩거 방정식
19-2 구형 대칭인 해
19-3 각분포가 있는 상태
19-4 수소에 대한 일반 해
19-5 수소 파동함수
19-6 주기율표

CHAPTER 20. 연산자
20-1 연산과 연산자
20-2 평균 에너지
20-3 원자의 평균 에너지
20-4 위치 연산자
20-5 운동량 연산자
20-6 각운동량
20-7 평균값의 시간에 따른 변화

CHAPTER 21. 고전적인 상황에서의 슈뢰딩거 방정식: 초전도에 관한 세미나
21-1 자기장이 있을 때의 슈뢰딩거 방정식
21-2 확률의 연속방정식
21-3 두 종류의 운동량
21-4 파동함수의 해석
21-5 초전도
21-6 마이스너 효과
21-7 플럭스의 양자화
21-8 초전도 현상의 동역학
21-9 조셉슨 접합

파인만의 후기

부록
CHAPTER 34. 물질의 자성
34-1 반자성과상자성
34-2 자기 모멘트와 각운동량
34-3 원자 자석의 세차 운동
34-4 반자성
34-5 라모어의 정리
34-6 고전역학으로 반자성이나 상자성을 설명할 수 없는 이유
34-7 양자역학에서의 각운동량
34-8 원자의 자기 에너지

CHAPTER 35. 상자성과 자기 공명
35-1 양자화된 자기 상태
35-2 슈테른-게를라흐의 실험
35-3 라비의 분자 빔 방법
35-4 덩어리 물질의 상자성
35-5 단열 소자 냉각
35-6 핵자기 공명

일반인들은 과학적 상상력의 의미를 잘 이해하지 못한다. 그들은 다음과 같은 질문을 던지면서 과학자의 상상력을 테스트하려고 한다. “여기 어떤 특정 상황에 처해 있는 한 사람의 모습이 그림으로 제시되어 있다. 이 그림을 보고, 잠시 후에 어떤 일이 일어날지 상상해 보라.” 그런데 내가 “이것만으로는 상상할 수 없다”고 대답하면, 그들은 우리의 상상력이 빈약하다고 생각할 것이다. 그들은 과학적 상상력이 “기존의 물리 법칙들과 상충되지 않는 범위 내에서만 허용된다”는 사실을 간과하고 있는 것이다. 전기장이나 전자기파는 마음대로 상상력을 발휘하여 만들어 낼 수 있는 개념이 아니다. 그 상상은 이미 알려져 있는 다른 물리 법칙과 모순되지 않아야 한다. 이미 확립된 자연의 법칙에 위배되는 것이라면, “과학적으로 상상해 보라”고 아무리 다그쳐도 소용없다. 물리학자들의 상상은 흔히 말하는 상상과 그 성질이 전혀 다르다. 그들은 들어 본 적도 없고, 본 적도 없는 것들을 상상해야 한다. 뿐만 아니라, 과학적 상상은 매우 엄격한 검증을 거쳐야 한다. 상상의 세계가 제아무리 멋지고 그럴듯하다 해도, 이미 알려져 있는 자연의 법칙에 부합되지 않으면 아무런 소용이 없다. 그 많은 법칙들과 조화를 이루면서 새로운 무언가를 창조한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니다.

- 과학적 상상력을 설명하는 본문 중에서