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▶ 이 책은 물리학을 다룬 이론서입니다.

아름다운 물리학과 우아한 방정식의 만남
물리학자의 시선으로 복잡한 세계를 꿰뚫어보다

물리학 방정식을 사용한다는 것은 세계의 ‘어떤 부분’을 ‘어떤 관점’으로 바라볼지를 선택하는 일이다. 그래서 훌륭한 방정식은 ‘어떤 세계’에 대해 우리가 무엇을 알고 있는지를 요약해준다. 방정식은 복잡한 세계를 간결하고 명료하게 정의한 하나의 공통 언어로서, 우리는 이 방정식이라는 프리즘을 통해 세계를 더 다양하고 풍성하게 해석하고 이해할 수 있다.
하나하나의 방정식은 저마다 빛, 물질, 열 등과 관련한 어떤 현상이나 세계에 대한 견해를 드러낸다. 빛의 반사 법칙과 굴절 법칙 등 한 분야의 지식을 응축하고 있는 방정식부터 뉴턴의 운동 법칙, 일반 상대성 이론, 양자역학 등 우주를 범주로 삼는 방정식까지, 이 책은 역사적인 진전이나 과학적 혁명에 관한 이야기를 담은 15가지 물리학 방정식을 소개한다.
2012년 유럽입자물리연구소(CERN)에서 신의 입자라 불리는 ‘힉스 보손’의 존재를 실험으로 확증했다. 이 역사적인 실험에 참여한 브뤼노 망술리에는 학문의 이론적 탐구에 그치지 않고 최일선 현장에서 연구와 실험으로 분투한 연구자의 시선으로 이 책을 썼다. 실험의 과정과 결과 발표의 순간, 성과에 대한 소회까지 역사적 순간을 지나온 저자가 생생한 경험을 쉽고 재미있게 들려준다.

물리학 방정식으로 세계를 바라보다
세상을 이해하기 위해 하나의 방정식을 사용한다는 것은 세계의 ‘어떤 부분’을 ‘어떤 관점’으로 바라볼지를 선택하는 일이다. 방정식은 복잡한 세계를 간결하고 명료하게 정의한 하나의 공통 언어로서, 그것이 서로 합의될 때 어떤 실험이나 증명 없이도 새로운 언어로 소통이 가능해진다. 또 한편으로 우리는 이 방정식이라는 프리즘을 통해 세계를 더 다양하고 풍성하게 해석하고 이해할 수도 있다.
이 책에서는 이러한 의미에서 중요한 물리학 방정식 15가지를 선별하여 소개한다. 빛의 반사 법칙은 ‘본다’라는 개념을 다시 생각하게 하고, 만유인력의 법칙은 모든 천체의 운동을 예측할 수 있게 하고, 맥스웰 방정식은 라디오부터 자외선에 이르기까지 전자기파에 대한 이해를 돕는다. 디랙 방정식은 압축적인 언어로 표기된 만큼 마치 시와 같은 감동을 주고, 표준모형을 통해서는 ‘표준이 아닐 수 있는 것’에 대해 더 잘 논의하기 위해 ‘표준’인 것에 동의하는 겸허함과 개방성을 배울 수 있다. 이처럼 한 분야의 지식을 응축하고 있는 방정식부터 우주를 범주로 삼는 방정식까지, 방정식을 통해서 세계를 보는 관점이 확장된다.

더 아름답고 우아한 세계가 우리 앞에 있다
세계의 많은 부분이 물리법칙과 방정식의 모습을 띠고 있다. 예를 들어 우리가 무지개를 볼 때, 자연과 어우러져 매혹적인 천연의 색을 만들어내는 풍경의 아름다움에 감탄하는 것과 동시에 시선 너머로는 빛의 전파와 빛의 물리적 성질 등 우리가 알고 있는 물리법칙이 소리 없이 펼쳐진다. 마치 뮤지션이 어떤 곡을 듣고 나서 그 곡에 어떤 음계와 화성, 리듬이 사용되었는지 자연스럽게 떠올리면서 더욱 섬세한 감각으로 그 곡을 연주할 수 있는 것처럼, 방정식을 알면 세계에 대한 이해도 풍성해진다. 그런 의미에서 방정식을 이해하는 것은 우리가 살아가는 세계의 세밀한 아름다움을 더 잘 느낄 수 있게 해준다.
이 책에서 저자는 방정식이 가진 또 다른 아름다움에 관해서도 이야기한다. 물리학자들은 압축적인 언어로 표현된 부호의 형태와 배치에서 미적인 아름다움을 느끼기도 하고, 방정식이 담고 있는 역사적인 진전이나 과학적 혁명에 관한 이야기에서 아름다움을 발견하기도 한다. 이러한 방정식의 아름다움을 온전히 발견하고 누릴 수 있을 때 우리가 느끼는 감동과 경이로움은 훨씬 크다.

신의 입자 ‘힉스 보손’을 발견하다
신의 입자라 불리는 ‘힉스 보손’은 1964년 영국의 이론 물리학자 피터 힉스의 가설을 통해 세상에 처음 알려졌는데, 2012년 유럽입자물리연구소(CERN) 거대강입자가속기(LHC)에서 그 존재를 실험적으로 확증했다. 가상의 입자가 현실로 존재하는 것을 확인한 현대 물리학의 위대한 성공의 순간이자, 새로운 탐구를 위한 역사적 출발점이 되는 사건이었다.
브뤼노 망술리에는 유럽입자물리연구소에서 물리학자 3,000여명이 소속된 대규모 공동작업 그룹인 ATLAS 실험 팀 소속으로 ‘힉스 보손’ 발견 실험에 참여했다. 그 실험의 과정과 발표의 순간, 놀라운 성과에 대한 소회까지 이 책의 마지막에 생생하게 기록했다. 이 책은 학문의 이론적 탐구에 그치지 않고 최일선 현장에서 연구와 실험으로 분투하는 오롯한 연구자의 시선을 담고 있다. 물리학 방정식의 세계를 여행 중인 이들, 특히 물리학을 공부하는 학생들에게는 새로운 통찰과 흥미를 선물해줄 것이다.

프롤로그: 방정식들로 이루어진 세상

제1장 빛의 반사 법칙
제2장 스넬의 법칙과 최소 작용의 원리
제3장 역학의 기본 법칙(뉴턴의 운동 제2법칙)
제4장 만유인력의 법칙
제5장 이상기체 법칙
제6장 훅의 법칙
제7장 나비에-스토크스 방정식
제8장 맥스웰 방정식
제9장 질량-에너지 등가 원리
제10장 슈뢰딩거 방정식
제11장 하이젠베르크의 불확정성 원리
제12장 일반 상대성 이론(아인슈타인 방정식)
제13장 디랙 방정식
제14장 파인먼 다이어그램
제15장 표준모형

에필로그: 표준모형의 한계 그리고 미래의 물리학

반사 법칙을 알기 전에는 별 의구심 없이 물체와 그 물체가 물에 비친 모습을 ‘본다’. 그러나 반사 법칙을 알고 나서는 눈앞에 보이는 것의 일부인, 물체가 물에 비친 모습을 ‘설명할 수 있으며’, 이것이 나머지 부분인 반사된 물체와 긴밀하게 연결되어 있음을 깨닫는다. 그리고 이 관계를 이해하기 위해서는 다름 아닌 ‘본다’라는 개념 자체를 다시 생각해볼 필요가 있다!
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이상기체 방정식은 조금도 섹시하지 않고, 변화량도 없으며, 아름다운 지수나 승수도 없는 공식이다. 그렇지만 믿을 수 없을 정도로 효과적이다. 사실은 소가 뒷걸음질 치다 쥐 잡은 격이라 해도 좋을 정도다. 왜냐하면 일반적으로 기체 대부분이 상온에서 거의 이상적이기 때문이다! 우리에게, 그리고 세상을 이해하려고 하는 우리의 욕망에 비추어 봤을 때 다행스럽게도 자연은 대부분의 물체를 고체, 액체, 기체라는 세 가지 형태로 제공하지 여섯 가지나 열두 가지 형태로 제공하지는 않는다.
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연구자 중 대부분이 아인슈타인이나 디랙이 될 수는 없지만, 그렇게까지 중요하지 않은 수준에서도 세상을 바라보는 본인 고유의 모델, 일관성을 가진 자신만의 작은 건축물을 갖는 것이 중요하며, 그래야만 자신이 만든 모델을 본인의 연구 결과나 다른 사람의 연구 결과와 대조할 수 있다. 다시 한번 말하지만, 자신이 무엇을 아는지를 안다는 것은 자신이 무엇을 모르는지 아는 것과 같다.