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빛에 매혹된 과학자들의 발자취를 따라가다!

빛이라는 키워드로 꿰뚫어보는 물리학의 역사『빛의 물리학』. EBS 다큐프라임《빛의 물리학》을 단행본으로 엮은 책으로, 빛을 키워드로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성 이론과 양자역학을 쉽게 풀어냈다. 역사상 가장 위대한 과학자들이 던졌던 탁월한 질문들과 끈질긴 탐구과정을 생생하게 담아냈다.

갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 코펜하겐 학파 과학자들부터 현대 끈이론 과학자들에 이르기까지, 빛이라는 하나의 키워드를 중심으로 현대 물리학의 역사를 들여다본다. 빛 속에 색이 있는 것인지 탐구했던 뉴턴, 빛처럼 빠른 속도로 날아가면 빛이 어떻게 보일지 궁금했던 아인슈타인 등 빛을 추적했던 물리학자들이 답을 찾아내가는 드라마틱한 순간들을 만나볼 수 있다.

★ 대한민국과학문화상(김시준 PD)!
★ EBS 방송대상 대상!
★ YMCA ‘좋은 방송’ 최우수상
★ 방송통신심의위 ‘이달의 좋은 프로그램’ 수상

“빛의 여정, 물리학의 오디세이로 당신들을 초대한다.” _홍성욱 서울대 교수(과학사)
“교과서에서 볼 수 없는 드라마 같은 이야기를 나는 이 책을 통해 흥미롭게 접할 수 있었다.” _이기진 서강대 교수(물리학)

책소개
빛을 키워드로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성이론과 양자역학을 쉽게 소개한다. 화제의 다큐프로그램 EBS 다큐프라임 〈빛의 물리학〉을 단행본으로 엮은 책이다. 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등 빛의 정체를 파헤친 과학자들의 발자취를 따라가면서, 우주와 물질이 무엇이며 어떤 법칙으로 움직이는지에 대한 현대 물리학의 답변을 보여주고자 한다. 이 책의 가장 큰 장점은 아주 큰 세계를 탐구하는 상대성이론과 아주 작은 세계를 탐구하는 양자역학을 공식 없이 대중의 눈높이에 맞춰 살펴본다는 점이다. 역사상 가장 위대한 과학자들이 던졌던 탁월한 질문들과 끈질긴 탐구 과정을 다양한 이미지와 함께 흥미롭게 담았다.

빛이라는 키워드로 꿰뚫어보는 물리학의 역사
위대한 과학자들의 발상의 원천은 ‘빛’이었다!
위대한 과학자들은 하나같이 운명처럼 빛에 빠져들었다. EBS 다큐프라임 〈빛의 물리학〉을 단행본으로 엮은 이 책은 빛을 실마리로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성이론, 양자역학을 공식 없이 가장 쉬운 언어로 풀어낸 책이다. 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 코펜하겐 학파 과학자들, 현대 끈이론 과학자들에게 이르기까지, 빛이라는 하나의 키워드를 중심으로 현대 물리학을 관통해 나간다.
그런데 왜 빛일까? 갈릴레오는 빛의 속도를 처음으로 재려 했던 과학자였고, 뉴턴은 태양 빛의 정체를 밝히려다 시력을 잃을 뻔했으며, 아인슈타인의 상대성이론은 빛에 대한 호기심에서 출발해 별빛에 의해 증명됐다. 양자역학은 빛을 불연속적인 형태로 바라보는 시각에서 출발했다.
우주와 물질의 수수께끼에 대해 현대 물리학이 제시하고 있는 대답들을 이해하기란 쉽지 않다. 더욱이 빛에 매혹된 과학자들이 우리를 안내하는 곳은 기이한 세계다. 절대적인 시간이란 존재하지 않으며, 우리는 모두 서로 다른 시간을 살아간다. 질량을 가진 모든 물체는 주위의 공간을 휘게 만들고, 빛은 그 휘어진 공간 속을 나아간다. 빛은 입자의 성질뿐 아니라 파동의 성질도 갖고 있다. 또 빛은 아주 작은 양의 에너지 덩어리인 양자로 움직인다!
그러나 빛을 좇다보면 자연스럽게 현대 물리학을 떠받치고 있는 상대성이론과 양자역학을 큰 틀에서 만나게 된다. 적어도 상대성이론과 양자역학이 어떤 질문에서부터 등장하였으며, 과학자들이 어떤 과정을 통해 이론을 구체화시켜 나갔는지를 머릿속으로 그릴 수 있게 된다. 가령 아인슈타인이 어떻게 질량을 가진 물체는 주위의 공간을 휘게 만든다는 것을 깨달았는지, 맥스웰은 어떤 과정을 통해 빛이 전자기파라는 것을 알아차렸는지, 보어는 왜 전자가 원자 안에서 불연속적으로 이동한다고 생각했는지 등을 알 수 있다.
빛 속에 색이 있는 것인지 탐구했던 뉴턴, 빛처럼 빠른 속도로 날아가면 빛이 어떻게 보일지 궁금해했던 아인슈타인, 수소 원자가 방출하는 빛의 선 스펙트럼이 무엇을 말해주는지 물고 늘어졌던 보어 등 빛을 추적했던 물리학자들이 답을 찾아내가는 순간들은 드라마틱하게 보이기까지 한다.
상대성이론은 가장 큰 세계와 관련된 이론이고, 양자역학은 가장 작은 세계와 관련된 이론이다. 현대 물리학의 두 기둥인 이들 이론의 문턱은 높기는 하지만, 일단 이 높은 문턱만 넘으면 과학자들이 우주, 물질, 시간에 대해 어떠한 해답을 내놓았는지 대해 어렴풋하게나마 이해할 수 있다. EBS 다큐프라임〈빛의 물리학〉을 만든 제작팀의 목표도 하나였다. 바로 “이 프로그램을 본 대한민국 국민이 상대성이론과 양자역학을 이해하는 것”이었다. 이 책은 방송 프로그램의 내용을 충분히 살리면서도, 독자의 이해를 돕기 위해 시간상 방송에 담아내지 못한 세부적인 부분들을 보충했기 때문에, 방송을 통해 미처 이해하지 못한 부분들을 머릿속으로 정리하는 데 도움이 될 것이다.
또한 독자들은 위대한 과학자들이 던졌던 최초의 질문에서 결정적인 깨달음을 얻는 순간까지, 빛의 이면을 좇으며 보편 법칙을 찾으려고 했던 과학자들의 끈질긴 실험, 통찰력이 깃든 직관, 양보 없는 논쟁 등을 다채로운 이미지와 함께 흥미롭게 읽을 수 있을 것이다.

* EBS 다큐프라임 〈빛의 물리학〉 소개
빛을 키워드 삼아 현대 물리학을 다룬 6부작 다큐멘터리 프로그램. 역사상 가장 위대한 과학자로 꼽히는 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크의 발자취를 따라가면서, 누구나 이해할 수 있을 만큼 쉽게 상대성이론과 양자역학을 소개하고자 기획되었다. 울즈소프에 있는 뉴턴의 생가, 아인슈타인이 몸 담았던 베른의 특허청, 코펜하겐학파의 산실인 닐스보어연구소 등 과학의 본고장을 카메라에 담아 다큐멘터리의 사실감을 높였다는 평가를 받았다. 홍성욱 서울대학교 교수(생명과학부, 과학사 및 과학철학 협동과정 교수), 데이비드 J. 그로스 미국 캘리포니아 대학 산타바버라 카블리이론물리연구소 교수(2004년 노벨 물리학상 수상자), 에드워드 위튼 미국 프린스턴고등연구소 교수 등 방송 내용의 신뢰도를 높이기 위해 다수의 국내외 석학의 도움을 받았다.

추천사
“『빛의 물리학』은 빛을 좇아 물리학의 역사를 재구성한 기록이다. 여기에서 빛의 본질에 대한 논쟁, 입자론과 파동론, 빛과 색깔, 전자기파, 특수상대성이론, 일반상대성이론, 양자물
리학, 초끈이론처럼 물리학의 역사를 이끈 혁명적인 발견과 이론의 역사를 맛볼 수 있을 것
이다. 게다가 『빛의 물리학』은 이론이나 실험만을 보여주는 것이 아니라, 이런 발견들을 이루어낸 물리학자들의 의문과 함께 개성이 뚜렷했던 과학자들의 모습을 생생하게 되살린다. 독자들은 빛의 신비를 탐구하는 물리학자들이 던진 질문 속에서 과학이 진정으로 인간적인 탐구 활동임을 발견할 수 있을 것이다. 이제 여러분들이 빛의 경이로움을 새롭게 발견할 차례다. 빛의 여정, 물리학의 오디세이로 당신들을 초대한다.” - 홍성욱 서울대 교수(과학사)

“가끔 학생들에게 수학을 이용해 물리학을 가르치다 보면 학생들이 왜 자신들이 이토록 어려운 물리학을 배워야 하는지 호소하는 경우가 있다. 그럴 때면 내가 드라마 작가처럼 물리학자들의 드라마틱한 고독, 경쟁, 우정, 갈등, 신사도, 고집, 유머, 사랑, 비극, 배신, 환희를 쉽고 재미나게 이야기해줄 수 있다면 하는 생각을 많이 했다. 사실 물리학의 재미는 수학 공식 속에도 있지만 이 책에서처럼 소설 같은 물리학, 추리소설 같은 물리학, 드라마 같은 물리학, 단막극 같은 물리학, 인간극장이나 다큐멘터리를 보는 것 같은 물리학 속에 더 있지 않나 하는 생각이 든다.” -이기진 서강대 교수(물리학)

장별 주요 내용
1 빛과 시간, 특수상대성이론
열여섯 살 아인슈타인의 머릿속은 빛으로 가득했다. 빛의 속도로 달리면 빛은 어떻게 보일까? 거울을 들고 빛보다 빨리 달리면 거울 속 나는 어떻게 보일까? 소년의 질문은 10년 뒤 시공간에 대한 인류의 이해를 바꿀 혁명적 논문의 초석이 됐다. E=mc2을 포함하는 아인슈타인의 특수상대성이론은 우리를 둘러싼 세계를 어떻게 설명하고 있을까? 1장에서는 아인슈타인이 던졌던 최초의 질문에서 결정적 깨달음의 순간까지 특수상대성이론의 탄생 과정을 추적한다.
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2 빛과 공간, 일반상대성이론
우리는 왜 땅에 붙어 있을까? 모든 물체는 왜 바닥을 향할까? 뉴턴의 만유인력 법칙은 중력을 명쾌하게 설명한다. 하지만 완벽해 보이는 만유인력 법칙에도 치명적 결점이 존재했다. 왜 만물이 서로를 잡아당기는지 설명하지 못한 것이다. 뉴턴은 “나는 가설을 만들지 않는다.”는 말로 이 문제를 피해갔다. 아인슈타인의 일반상대성이론은 ‘중력’에 대한 또 다른 이론이다. 아인슈타인은 뉴턴조차 풀지 못한 중력의 비밀을 알아내는데, 이때 가장 중요한 역할을 했던 것은 바로 별빛이었다. 2장에서는 뉴턴과 아인슈타인이라는 두 천재 과학자의 시대를 뛰어넘는 대결을 보여주면서 중력의 실체에 다가간다.

3 빛의 추적자
시대와 문화권을 막론하고 수많은 학자들은 빛에 매혹됐다. 빛은 정복해야할 미지의 과제였고, 좋은 실험 도구였다. 빛의 탐구 역사는 인류의 역사와 함께한다. 빛을 처음 과학의 영역으로 가져온 사람은 갈릴레오로, 그는 빛의 속도를 재려 했던 최초의 과학자였다. 뉴턴은 아리스토텔레스 이후 수천 년간 지속된 빛과 색의 논란에 종지부를 찍었다. 미스터리한 무지갯빛의 정체를 밝힌 건 프리즘을 이용한 간단한 실험이었다. 빛의 실체를 파악한 건 맥스웰이었다. 기이하게도 전기와 자기 현상이 가장 중요한 단서였다. 맥스웰의 발견으로 과학은 마침내 빛을 만들어낼 수 있게 됐다. 3장에서는 천상의 빛을 땅으로 가져와 직접 창조해내기까지 빛을 탐구했던 위대한 과학자들을 추적한다.

4 빛과 원자
세상은 무엇으로 이뤄졌을까? 인류는 오랫동안 답을 찾아왔다. 1803년, 과학계는 마침내 ‘원자’라는 결론에 다다랐다. 질문의 답은 끝난 듯 보였다. 그러나 그것은 시작에 불과했다. 100년도 채 안 돼 더는 쪼개지지 않을 것 같던 가장 작은 알갱이에서 무언가가 나왔다. 원자의 문을 연 사람은 영국의 물리학자 톰슨. 그가 발견한 것은 전자였다. 톰슨의 발견은 물리학계에 새로운 활력을 불어넣었다. 원자 내부는 어떻게 생겼을까? 원자 안에는 전자만 있을까? 전자는 얼마나 작을까? 전자는 어떻게 움직일까? 과학자들의 직관과 흥미로운 실험을 통해 조금씩 실체를 드러내는 가장 작은 세계를 만나게 된다.

5 빛과 양자
1927년 10월 24일, 벨기에 수도 브뤼셀에서 역사적인 물리학 학회가 열렸다. 참석자 29명 중 17명이 노벨상 수상자가 된 ‘솔베이 회의’. 하지만 이 학회가 더 유명한 이유는 다른 데 있었다. 현대 물리학을 대표하는 두 거장의 지적 정면승부가 솔베이 회의에서 이뤄졌다. 상대성이론의 창시자인 아인슈타인과 양자역학의 대가인 보어의 싸움이었다. 이때의 싸움은 단지 물리학적 대립이 아닌 세상을 바라보는 철학적 관점의 문제였다. 1920년대 물리학계를 뜨겁게 달군 것은 양자역학이었다. 원자같이 아주 작은 세계를 탁월하게 설명해내는 유용한 이론이었지만, 우주가 ‘우연(확률)’과 ‘예측 불가능성’이 우주를 지배한다는 독특한 시각 때문에 물리학자들 사이에서 뜨거운 논쟁이 일었다. 5장에서는 현대 물리학의 핵심인 양자역학의 주요내용과 발전 과정을 심도 있게 알아본다.

6 빛과 끈
물리학자들은 공통된 꿈을 갖고 있다. 단 하나의 궁극의 이론을 찾는 것이다. 뉴턴은 사과가 떨어지는 것과 달이 지구를 도는 이유가 하나임을 찾아냈다. 맥스웰은 전자기 현상과 빛이 본질적으로 같음을 밝혀냈다. 아인슈타인은 시간과 공간을 합쳤다. 그러나 순조로워 보이던 물리학의 꿈은 양자역학의 등장과 함께 길을 잃었다. 큰 세계를 움직이는 법칙과 작은 세계를 움직이는 법칙은 좀처럼 합쳐지지 않았다. 두 이론을 합치는 것을 가능하게 한 이론은 바로 ‘끈이론’이었다. 끈이론은 만물의 최소 단위가 입자가 아니라 작고 진동하는 끈이라고 주장한다. 정말 세상 모든 것은 끈으로 이뤄졌을까? 끈은 실제로 존재할까? 과연 끈이론은 물리학자들의 꿈을 이룰 수 있을까? 6장에서는 물리학의 지상과제인 단 하나의 이론을 찾아 가는 과정을 따라가보고, 물리학의 현주소와 남은 과제들을 점검한다.

감수의 말 _홍성욱 서울대학교 교수(과학사) _4
추천의 말 _이기진 서강대학교 교수(물리학) _11
머리말 _13

1 빛과 시간, 특수상대성이론 _18
갈릴레오 갈릴레이의 상대성 원리 | 입자와 파동, 그리고 에테르 | 과연 에테르가 있을까? | 빛과 진동 | 아인슈타인과 상대성 | 특수상대성이론의 의미 | 뮤온의 시간

2 빛과 공간, 일반상대성이론 _64
하늘의 달과 땅의 사과는 왜 다른가 | 관성의 법칙과 중력 | 만유인력의 법칙 | 중력과 가속도 | 가속이라는 골치 아픈 문제 | 메카는 어느 쪽에 있는가 | 휘어진 공간 | 에딩턴과 휘어져 들어오는 별빛

3 빛의 추적자 _116
갈릴레오의 빛 | 빛의 속도를 재는 과학자 | 뉴턴의 빛 | 패러데이의 빛 | 전자기 현상의 비밀 | 빛은 전자기파다

4 빛과 원자 _174
세상을 구성하는 기본 입자 | 전자의 발견 | 원자 속의 작은 핵 | 원자의 문 앞에서 | 보어의 양자와 궤도

5 빛과 양자 _228
전자 궤도를 버린 하이젠베르크 | 슈뢰딩거의 파동방정식 | 전자는 확률적으로 존재한다 | 관측한다는 것의 의미 | 슈뢰딩거의 고양이는 과연 죽었을까, 살았을까 | 하이젠베르크와 불확정성의 원리 | 다시, 1927년 솔베이 회의

6 빛과 끈_276
궁극의 이론을 찾아서 | 4가지 기본 힘 | 양자역학과 중력의 충돌 | 우주가 만들어진 최초의 시점 | 끈이론의 등장 | 끈이론은 만물이론이 될 수 있을까? | 위기에 봉착한 끈이론 | 11차원과 M-이론 | 다중우주는 존재할까?

차례
감사의 말 _322
참고문헌 _324

“아인슈타인에게 동시에 일어난 사건이란 처음부터 존재하지 않는다. 시간이 모든 사람에게 다르게 흘러가기 때문이다. 절대적인 시간이란 원래부터 없었던 것이다.”(p. 59)

"가속도의 힘이 존재하는 공간, 즉 중력이 존재하는 공간은 모든 물체를 휘게 한다. 다른 말로 하자면, 질량이 있는 곳에서 공간은 휘어진다. 태양 주변도 마찬가지다. 태양 뒤에서 오는 별빛은 직진하고 있지만 휘어진 공간을 따라 오게 된다. 에딩턴이 지구에서 볼 수 없었던 별 사진을 찍은 것도 별빛이 휘어졌기 때문이었다. 중력은 잡아당기는 힘이 아니라 공간이 휘어지기 때문에 생기는 것이다. 아인슈타인의 답이었다."(p. 110)

"맥스웰이 계산한 전자기파의 속도는 대략 310,740,000m/s였다. 초속 31만 킬로미터라니, 익숙한 숫자이지 않는가! 그렇다, 바로 빛의 속도다. 당시 측정됐던 빛의 속도는 초속 31만 킬로미터였다. 맥스웰이 계산한 전자기파의 속도와 빛의 속도가 비슷한 값이었던 것이다. 이것은 무슨 뜻일까? 빛과 전자기파가 같은 것이었다. 우리 눈에 보이는 빛은 온전한 모습이 아니고 전자기파의 일부다. 이것이 맥스웰이 내린 결론이었다." (pp. 168~169)

"아주 작은 양자의 세계에서는 에너지가 불연속적으로 흐르고 있다. 믿기지 않지만 말이다. 하지만 우리가 사는 세상은, 우리가 경험하는 세상은 그렇게 보이지 않는다. 연속적이고 흐름은 건너뛰지 않는다. 그러나 이 고정관념은 마침내 깨지게 된다."(p. 212)

"이것이 바로 하이젠베르크의 ‘불확정성의 원리’다. 위치를 정확히 재려고 하면 전자의 운동량이 불확실해지고, 전자의 운동량을 보려고 하면 어디에 있는지 위치가 정확히 파악되지 않는다. 즉 위치와 운동량을 동시에 정확하게 잴 수가 없다."(p. 269)

"한 차원 높은 11차원에서 보니 문제가 아주 단순했다. 5개가 아니라 하나였던 것이다. 2차원 위에 있는 개미는 자신이 어디의 일부에 있는지 모르지만 우리는 개미가 어디 있는지 안다. 11차원의 관점에서 10차원을 내려다보는 것도 이와 마찬가지였다. 다섯 개의 끈이론들은 한 이론이 갖고 있는 5개의 단면에 불과했다. 이로써 끈이론은 아주 다른 이론이 되어버렸다. 우주의 모든 물질이 거대한 막 구조에 연결되어 있다는 놀라운 결론! 이렇게 M-이론이 등장했다."(p. 315)