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노벨상 수상자 파인만이 알려주는 물리학 팁

파인만의 물리학 팁을 담은『파인만의 물리학 길라잡이』. 이 책은 파인만의 물리학 강의록에 딸린 부록으로 파인만이 문제 풀이에 대해 강의한 세 번의 강의와 관성 유도에 관한 한 번의 강의, 그리고 파인만의 동료인 로버트 레이턴과 로쿠스 포크트가 마련한 연습 문제와 해답으로 구성되어 있다.

또한 학생들이 어려워하는 문제의 풀이법과 힌트, 파인만의 물리학 강의에 대한 탄생비화도 함께 수록해 흥미롭게 읽을 수 있도록 했다.

새로운 강의록, 『파인만의 물리학 길라잡이』

리처드 파인만은 양자전기역학으로 20세기 초반의 물리학을 한 단계 진보시킨 뛰어난 물리학자로도 유명하지만, 실제로 그의 진가가 유감없이 발휘된 곳은 다름 아닌 그가 몸담았던 칼텍(캘리포니아 공과대학교)의 강단이었다. 칼텍의 1, 2학년 학부생을 상대로 펼친 기초물리학과 전자기학 그리고 쉬운 단계의 양자역학 강의는 훗날 ‘물리학계의 전설’로 남을 정도였다. 파인만의 가장 큰 장점은 무엇보다도 “어려운 내용을 쉽게 풀어내는” 흔치 않은 재능을 타고났다는 점이었다. 더군다나, 물리학의 전문가가 아닌 일반 학부생을 대상으로 하는 강의였기 때문에, 파인만의 설명은 간결하면서도 조리 있고, 유머러스하면서도 핵심을 놓치지 않는 알짜배기 강의로 소문이 났다.
리처드 파인만의 독특한 강의 스타일은 “이론 물리학자와 서커스 광대, 현란한 몸짓과 음향 효과의 절묘한 결합”(뉴욕 타임스)이라는 평가를 받으며 큰 인기를 끌었다. 빠르고 날카로운 말투와 유머 감각을 무기로 물리학의 이 분야에서 저 분야로 종횡무진 움직이며 펼쳐 보인 파인만의 정열적이고 환상적인 강의는 단 한 번 본 사람에게도 평생 잊지 못할 깊은 인상을 주었다고 한다.
『파인만의 물리학 길라잡이』는 강의록에 딸린 부록으로, 파인만의 이 전설적인 강의를 책으로 옮긴 『파인만의 물리학 강의』에서 누락되었다가 이제야 마침내 빛을 보게 된 네 개의 강의와 연습 문제를 엮어 새롭게 출간되는 파인만 강의록 제4권이다. 『파인만의 물리학 길라잡이』가 드디어 국내에 출간됨으로써, 독자들은 파인만의 전설적인 물리학 강의를 온전하고 완성된 모습으로 누릴 수 있게 되었다. 파인만 특유의 위트 넘치는 언변과 영감 어린 설명은 이 책에서도 그 진가를 유감없이 발휘하고 있다. 마치 파인만의 육성을 듣는 듯한 기분으로 한 문장 한 문장 읽어가다 보면 어느새 물리가 얼마나 재미있는 학문인지 깨닫게 될 것이다. 특히 이 책은 칼텍의 열등생들을 위한 파인만의 (자신의 전문 분야를 정하고 그 분야에서만큼은 최고이고자 노력하면 된다는) 충고가 흥미롭고, 물리학의 기본 법칙과 물리학 팁(tip)을 더욱 쉽고 명쾌하게 짚어 내는가 하면 실제로 시행착오를 거치며 문제를 해결해 나가는 과정이 자세히 나와 있어, 청소년과 일반 독자들이 파인만의 강의를 보다 쉽게 만날 수 있는 기회가 될 것이다.


■무언가를 배우는 최상의 방법!
학부생을 상대로는 강의하지 않았던 파인만이 굳이 칼텍의 1, 2학년생을 위한 기초물리학 강의를 시작한 데는 나름대로의 이유가 있었다. 즉, 대학에 오기 전까지만 해도 똑똑하기로 소문났던 학생들이, 정작 대학에 들어와 재미없고 딱딱한 물리학 수업을 받다 보면 어느새 “바보”가 되고 마는 것이었다. 이에 리처드 파인만은 학교 측의 요청을 받고 “학생들을 구제하기 위해” 팔을 걷어붙이고 전설적인 물리학 강의를 시작하게 되었다. 문제는 “어떻게 해서 학생들의 관심을 물리학으로 끌어 모으느냐”는 것이었고, 리처드 파인만이 택한 해결책은 “물리학이 얼마나 재미있는지 보여 주겠다!”는 것이었다.
파인만은 이 강의(책)에서 ‘무언가를 배우는’ 최상의 방법에 대해 이야기했다. 그것은 바로 강의 따위는 잊어버리고 여유 있게 빈둥거리며 “특별한 길을 파지 않아도 재미있을 법한 문제”를 찾아보고, 일단 만만한 문제가 발견되면 도마 위에 올려놓고 온갖 괴상한 짓을 다 해 보라는 것이다. 교수가 숙제로 내준 문제는 두통의 근원일 뿐이지만, 본인 스스로 찾은 문제는 놀이의 대상이 된다. 그리고 놀이에 몰입하다 보면 엄청나게 많은 내용을 쉽고 빠르게 배울 수 있다고 했다. “과학은 즐거운 장난”이라고 열변했던 파인만은 놀잇감으로 전락한 주제를 재미를 느끼며 연구하는 것이야말로 최고의 학습 방법이라고 여긴 것이다.


■‘물리학자’와 ‘물리학 사전’, 둘 중 어느 쪽이 되기를 원하는가?
이제 조금 더 구체적인 파인만식 물리학 학습법에 접근해 보자. 파인만은 학생들에게 물리학 공식을 달달 외우는 식으로 공부하다 보면 결국 막다른 길에 이르게 될 것이라고 충고한다. 물리학은 실로 ‘방대한’ 학문이어서 수백만 개의 공식이 사방에 널려 있는데, 이 많은 것들을 무슨 수로 외우겠냐는 것이다. 암기한 공식을 써 먹음으로써 당장 눈앞의 문제를 해결하는 데는 도움이 되겠지만, 물리학 공식으로 만든 ‘물리학 지도’ 중 일부가 우리 머릿속에서 지워졌을 때는 어떻게 해야 할까?(앞의 그림 참고)
‘물리학 지도’ 중 일부가 지워졌을 때 이 근처의 물리학은 복구가 불가능한가? 아니다. 파인만은 자연의 상호 관계는 매우 치밀하고 우아하기 때문에, 순수한 논리만으로 손실된 부분을 복구하는 것이 가능함을 알려 준다. 이 과정은 일종의 ‘삼각측량법’과 비슷하다.


잃어버린 부분이 그리 많지 않다면, 기억에서 영원히 지워진 내용도 얼마든지 복구될 수 있다. 머릿속에 너무 많은 정보가 들어가면 그들 중 일부는 어쩔 수 없이 지워지기 마련이다. 그러나 머릿속에 아직 상당량의 정보가 남아 있는 한, 누락된 정보는 언제든지 복구될 수 있다. 그러므로 가장 중요한 것은 암기력이 아니라, 이미 알고 있는 내용들을 서로 ‘연결시키는’ 기술이다. …(중략)…
천하무적의 암기력도 다 소용없다! 물리학의 효용성은 이미 알고 있는 정보의 저장 능력이 아니라, 새로운 것을 알아내거나 창출하는 능력으로 평가 받기 때문이다. 그리고 새로운 물리학은 ‘아무도 간파하지 못했던 새로운 상호 관계’를 발견함으로써 탄생한다.
이 방법을 습득하려면 공식 암기를 그만두고 자연의 구성 요소들 사이의 상호 관계를 이해하는 데 전념해야 한다. 처음에는 암기보다 훨씬 어렵겠지만, 물리학으로 성공하길 원한다면 이 방법밖에 없다. ‘물리학자’와 ‘물리학 사전’, 둘 중 어느 쪽이 되기를 원하는가?
- 본문 90～92페이지에서 인용

머리말
입문
감사의 글
『파인만의 물리학 강의』의 탄생비화_매슈 샌즈의 회고


제1장 준비운동_리뷰강의 A
1-1 리뷰강의를 시작하면서
1-2 칼텍의 열등생들을 위한 충고
1-3 물리학에 필요한 수학
1-4 미분
1-5 적분
1-6 벡터
1-7 벡터의 미분
1-8 선적분
1-9 간단한 예제
1-10 삼각측량법


제2장 법칙과 직관_리뷰강의 B
2-1 물리학의 법칙들
2-2 비상대론적 근사법
2-3 힘에 의해 야기된 운동
2-4 힘과 위치 에너지(퍼텐셜 에너지)
2-5 연습 문제를 통한 물리학 공부
2-6 물리학을 물리적으로 이해하기
2-7 기계장치의 설계
2-8 지구에서의 탈출 속도

별도의 해법
A 기하학을 이용하여 M의 가속도 구하기
B 삼각함수를 이용하여 M의 가속도 구하기
C 토크와 각운동량을 이용하여 M에 작용하는 힘 계산하기


제3장 문제 및 해답_리뷰강의 C
3-1 위성의 운동
3-2 원자핵의 발견
3-3 로켓 방정식
3-4 수치적분법
3-5 화학 로켓
3-6 이온 추진 로켓
3-7 광자 추진 로켓
3-8 정전기적 양성자 빔 편향장치
3-9 파이 중간자의 질량


제4장 역학적 효과와 응용_리뷰강의 D
4-1 자이로스코프
4-2 방향 자이로
4-3 인공 수평의
4-4 선박용 수평 유지장치
4-5 회전 나침반
4-6 개량된 자이로스코프
4-7 가속도계
4-8 내비게이션 장비
4-9 지구 자전의 효과
4-10 회전하는 원판
4-11 지구의 장동
4-12 천문학적 각운동량
4-13 양자역학적 각운동량
4-14 강의가 끝난 후


제5장 연습 문제
5-1 정적 에너지 보존
5-2 케플러의 법칙과 중력
5-3 동역학
5-4 뉴턴의 법칙
5-5 운동량의 보존
5-6 벡터
5-7 비상대론적 3차원 충돌
5-8 힘
5-9 퍼텐셜과 장
5-10 단위와 차원
5-11 상대론적 에너지와 운동량
5-12 2차원 회전과 질량 중심
5-13 각운동량과 관성 모멘트
5-14 3차원 회전
연습 문제 해답

찾아보기
사진 출처

히말라야 고지대의 인도­중국 국경 근처에서 라마스와미 발라수브라마니안(Ramaswamy Balasubramanian)은 쌍안경을 통해 티베트에 주둔 중인 중국 민중해방군의 동태를 살피고 있었다. 물론 민중해방군도 망원경으로 이쪽을 주시하고 있었다. 인도와 중국이 국경 문제로 외교적 마찰을 빚다가 1962년에 서로 포격을 주고받은 후로, 이곳은 단 하루도 긴장이 풀릴 날이 없었다. 적으로부터 감시당하고 있음을 눈치 챈 민중해방군은 『모택동의 어록(Quotations from Chairman Mao)』(흔히 ‘모택동의 붉은 책’으로 알려져 있음)의 복사본을 잔뜩 실은 비행기를 상공에 띄워 인도군에게 무차별로 살포하였다.
발라수브라마니안은 난리통에 어쩔 수 없이 징집되긴 했지만, 전선에서도 틈틈이 짬을 내 물리학을 공부했을 정도로 열렬한 학구파였다. 어느 날, 민중해방군의 치졸한 전술에 염증을 느낀 그는 감시용 탑에 올라가 그에 적절한 응답을 보여 주기로 결심했다. 잠시 후, ‘모택동 어록 살포용’ 비행기가 또 한차례 다가오자 그를 비롯한 인도병사들은 일제히 ‘빨간 책’을 높이 쳐들고 비행기를 향해 신나게 흔들었다. 그 책은 『모택동의 어록』이 아니라, 바로 그 유명한 『파인만의 물리학 강의(The Feynman Lectures on Physics)』 1, 2, 3권이었다!
어느 날 나는 발라수브라마니안으로부터 한 통의 편지를 받았다. 사실 그 편지는 파인만 교수에게 감명을 받았던 사람들이 지난 몇 년 동안 내게 보내온 수백 통의 편지들 중 하나에 불과했지만, 막상 봉투를 열어 보니 매우 의미심장한 내용이 담겨 있었다. 그는 ‘파인만의 빨간 책 사건’을 회고하면서 이렇게 적었던 것이다. “그 일이 있은 후로 이제 20년이 흘렀습니다. 그런데 그 두 권의 ‘빨간 책’ 중 아직도 사람들에게 읽히는 책은 과연 무엇일까요?”
그렇다. 『파인만의 물리학 강의』는 초판이 출간된 후로 무려 40여 년의 세월이 흘렀지만, 전 세계의 사람들은 아직도 그의 책을 읽으며 무한한 영감을 떠올리고 있다. 지금 이 순간에도 티베트에서 파인만의 책을 읽는 사람이 분명히 있을 것이다. …(중략)…
이제, 물리학에 관심이 있는 전 세계의 독자들은 더욱 정확하게 개정된 『파인만의 물리학 강의』를 본 참고서(『파인만의 물리학 길라잡이(Feynman's Tips on Physics)』를 뜻함)와 함께 읽을 수 있게 되었다. 지금까지 그래왔듯이, 앞으로도 파인만의 강의록은 맨해튼의 중심가에서 티베트의 오지에 이르기까지, 전 세계의 학생들에게 번뜩이는 영감을 불어넣으며 물리학의 필독서로 영원히 남을 것이다.

- 랠프 레이턴의 머리말 중에서