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세상을 바꾼 물리학 논쟁, 생각을 바꾼 물리학 혁명

이단으로 몰릴 것을 각오하면서까지 지동설이라는 진리의 등불을 포기하지 않은 코페르니쿠스와 갈릴레이, 근대 과학의 선구자이자 물리학의 대부인 뉴턴, 전기학과 자기학에 다리를 놓은 앙페르, 양자의 세계를 연 플랑크, 20세기 현대 과학의 지평을 연 아이슈타인. 이들의 흥미진진한 사유와 실험들은 물리학이 기발한 사고와 전환이자 놀라운 발견의 과정임을 알게 해준다.

『세계의 비밀을 푸는 물리학 이야기』는 청소년을 위한 교양서인 '루트' 시리즈로, 공식을 제시하기 보다는 많은 학자가 어떠한 고민 속에서 세계의 비밀을 향해 다가갔으며, 그것이 시대의 변화와 세대교체 속에서 어떻게 전복되고 계승되어왔는가를 보여준다. 물리학적 발상 전환, 학자들 간의 흥미진진한 이론 논쟁, 그리고 물리학의 혁명적 순간 등을 명쾌한 설명으로 풀어나가고 있는 점이 돋보인다.

딱딱한 공식 뒤에 숨은 물리의 세계
과학 교과서나 일반 교양서를 통해 접해온 물리학에 대해 우리는 대체로 이런 말을 한다. 어렵다, 재미없다, 복잡한 공식과 법칙 중심……. 그런데 운동에너지와 위치에너지, 에너지 보존 법칙, E=mc² 등 암기의 대상으로 익혀온 용어들을 잠시 잊고 자연계의 원리가 하나씩 밝혀지는 순간들을 살펴보자. 그리고 물리학이 실생활과 어떤 관련을 맺고 있는가를 짚어보자. 그 순간 물리는 흥미진진한 호기심의 세계로 탈바꿈한다.
생각하는 힘을 길러주는 책세상 청소년 시리즈 ‘루트’의 신간《세계의 비밀을 푸는 물리학 이야기》는 청소년들에게 세계의 기본 원리를 밝히는 역동적 학문으로서의 물리학을 보여주고자 한다. 저자는 미국 유학 시절, 공식은 제대로 암기하지 못하면서 기발한 아이디어를 내놓으며 물리를 재미있게 공부하는 학생들을 보며 우리 청소년들에게 물리학의 재미를 일깨워주고 싶은 바람을 품었다고 한다. 그런 취지에 맞게 이 책은 공식보다는 물리학적 발상 전환, 학자들 간의 흥미진진한 이론 논쟁, 그리고 물리학의 혁명적 순간 등을 명쾌한 설명으로 풀어나간다.
많은 물리학자가 어떠한 고민 속에서 세계를 바라보았으며 그것이 시대의 변화와 세대교체 속에서 어떻게 전복되고 계승되었는가를 보여주는 이 책은, 물리학의 세계가 끊임없는 법칙의 전복과 질문, 탐구의 과정을 통해 이루어짐을 보여준다. 나아가 현대 물리학의 화두인 카오스와 프랙털 등의 이론을 일상을 통해 쉽게 전달함으로써 물리학이 현대 사회를 이루는 핵심 원리이자 여전히 풀어야 할 비밀을 많이 가진 진행형의 학문임을 일깨워준다.

우리 곁의 물리학, 세계의 모든 현상을 품다
물리는 보이지 않는 원자의 세계 또는 인간의 지각으로는 가늠할 수 없는 저 먼 우주만 다루는 것이 아니다. 숨 쉬고 밥을 먹고 운동하고 생각하는 우리 몸(에너지, 역학, 만유인력 등), 꽃가루가 날리고 자동차가 움직이고 텔레비전과 휴대전화 등 전파가 오가는 거리 곳곳(엔트로피, 전자기력), 입시 경쟁률이 표시되는 전광판, 게릴라성 폭우와 지진(카오스, 프랙털)에 이르기까지 물리학은 이 세상 모든 것과 연결되어 있다.
특히 20세기는 물리학의 전성기라 평가받는다. 세계 대전 동안 레이더와 원자 폭탄이 개발되고 미국과 구소련이 달 착륙으로 대표되는 우주 정복 경쟁을 벌이면서 물리학은 20세기의 핵심 학문으로 군림했다. 그 뒤 첨단 과학이 발전하고 세계가 한층 복잡해지면서 물리학의 세계 해석은 한계에 다다른 듯했다. 그러나 카오스와 프랙털 이론의 등장으로 물리학은 미래 사회의 핵심 기반으로 자리매김하고 있다. 현재 물리학은 복잡한 현대 사회의 예측하기 힘들고 미시적인 변화와 흐름에 대한 일반 법칙을 도출하기 위해 매진하고 있으며, 경제와 정치, 의학 등은 그러한 물리학의 이론을 저마다의 분야에 응용하는 시도(예컨대 신문 한 면을 빼곡히 채우는 주가 변동이나 선거의 개표 과정, 암세포 증식 등을 카오스나 프랙털 이론으로 설명하려는 시도가 진행되고 있다)를 벌이고 있다.

결과가 아닌 과정의 물리학
만유인력, 에너지 전환과 보존 법칙, 상대론과 카오스 등 물리학의 굵직한 기본 이론은 그 자체로 어려운 이야기는 아니다. 다만 구체적으로 들어갈수록 복잡한 용어와 어려운 공식이 나와 사람들을 물리학에서 점점 멀어지게 한다. 그러나 이는 물리학 이해의 과정이 잘못된 탓이다. 역사를 공부할 때 고대사를 모른 채 중세로 들어가면 자꾸 막히는 부분이 생기듯, 물리학 역시 그 기원부터 시작해야 한다.
이 책은 교과서식의 공식과 법칙 정리가 아닌 많은 물리학자가 어떤 고민을 하고 어떤 과정 속에서 세계 만물의 기본을 밝히는 법칙을 발견했는가를 이야기한다. 특히 뉴턴 역학과 아인슈타인의 상대론은 중세와 근대, 다시 근대와 현대 물리학의 전환이 되는 이론이다. 뉴턴은 고대 그리스의 철학적 전통에서 벗어나지 못하던 17세기 물리학을 수학적으로 정리함으로써 근대 과학의 시대를 열고, 철학적 우주관을 수학 법칙에 따른 기계론적 우주관으로 전환했다. 그리고 20세기, 아인슈타인은 뉴턴 역학에서 공간을 뛰어넘는 절대적 우월성을 가진 시간 개념을 상대적인 것으로 해석함으로써 4차원 시공간 세계를 열었다.
이 책의 제2장과 제6장은 이러한 두 대가의 방대한 학문 세계를 쉽게 전달하기 위해 그것을 둘러싼 당대 학자들의 반응과 시대 상황 등을 소개하고, 드라마나 가상 우주여행 등의 에피소드를 통해 딱딱한 공식을 일상적 이야기로 풀어낸다.
이 외에도 엔트로피 개념과 열역학 원리(제3장), 오늘날의 무선 데이터 통신이 가능하게 한 전자기학이 탄생한 과정(제4장), 20세기 초 당대 대표 학자들을 뜨거운 논쟁 속으로 몰아넣은 양자론(제5장), 그리고 세계를 설명하는 진정한 비밀의 열쇠 카오스(제7장) 등 이 책은 물리학의 주요 전환점을 알기 쉽게 설명함으로써 전체적인 물리학 조망도를 그릴 수 있게 한다.

혼돈 속의 질서 카오스-현대 사회를 파악할 기본 원리
20세기 중반, 물리학계는 카오스 이론을 만나게 된다. 뉴턴에서 아인슈타인까지 물리학자들은 아주 복잡해 보이는 자연 현상이라도 그 원리는 매우 단순하리라 믿었으며 그것은 물리학 연구의 전제와도 같았다. 도저히 설명할 수 없는 무질서, 기존의 공식으로 설명할 수 없는 현상은 연구 대상에서 제외하거나 중요하게 여겨지지 않았다. 그러나 그러한 무질서 속에 바로 놀라운 법칙과 질서가 숨어 있었다. 즉 세계 자체가 복잡하며 간단한 공식을 일률적으로 대입해 예측할 수 있는 대상이 아니라는 사고의 혁명적 전환이 일어난 것이다.
이러한 전환을 가져온 카오스 이론은 회오리바람, 태풍, 지진, 물체의 진동, 나뭇잎의 낙하 운동 등의 자연 현상뿐만 아니라 증권 시장의 주식 가격 변화나 직장인의 직업병, 두통 등 실생활에서 얼마든지 찾아볼 수 있다. 이는 현재 선진국을 중심으로 활발히 개척 중인 분야로, 이 연구가 얼마나 발전하느냐에 따라 인류의 미래는 혼돈 속에서 질서를 구축하는 마법을 보여줄지도 모를 일이다. 지금도 카오스 이론은 경제학, 사회학, 물리학, 화학, 생물학 등 여러 분야에 응용되고 있다. 겉으로는 무질서해 보이지만 그 속에 존재하는 규칙성을 찾아내는 물리학의 작업은 복잡한 현대 사회를 파악할 기본 원리인 것이다.

들어가는 말-물리는 단순하다

제1장 혁명은 은밀하게-천체 운동의 중심이 바뀌다

1. 천동설 대 지동설
고대 그리스 시대의 천동설과 지동설

2. 세상의 새 중심을 생각한 코페르니쿠스
위대하지만 초라한(?) 지동설의 탄생
성직자의 길로 들어서다
또 다른 길을 가면서 - 하늘 보기와 그 중심을 찾아서

3. 브라헤-최고의 맨눈 천체 관측자
브라헤의 새 우주 체계

4. 케플러-수학으로 지동설을 보다
행성은 어떻게 운동하나
스승과 제자의 합주곡

5. 갈릴레이-망원경으로 지동설을 보다
망원경 개발 - 보이는 대로 말하리라

과학자의 자세-뢴트겐과 노벨


제2장 런던에는 죽음의 그림자가, 과학에는 대발견의 씨앗이

1. 재앙 속에 움튼 새싹
검은 죽음의 그림자를 피해
떨어지는 사과에서 돌고 있는 달을 깨닫다
통일의 원조

2. 하늘과 땅을 하나로 엮은 만유인력
드디어 우주의 기본이 드러나다

3. 힘의 법칙
갈릴레이, 아리스토텔레스 물리학에 정면으로 도전하다
관성의 법칙에서 시작된 뉴턴의 역학 체계

4. 빛의 굴절과 분산, 스펙트럼을 발견하다
유리 기둥에서 발견한 빛의 성질

에디슨에게 넘겨준 발명왕 자리-테슬라


제3장 에너지-숨겨진 실체를 드러내다

1. 열소인가 운동인가
비비면 사라지는 열소?
열과 온도의 차이는 무엇일까?
운동에너지+위치에너지=열에너지?

2. 에너지 총량은 변하지 않는다, 다만 모습이 바뀔 뿐
일과 역학적 에너지
에너제 보존 법칙의 발견과 확립
변신의 귀재, 에너지

3. 엔트로피-무질서의 대왕
무질서에서 법칙을 끌어내다
상태 수와 엔트로피

4. 열역학의 세계-자연계의 에너지 흐름을 설명하다
열역학의 법칙들

고온 초전도체-실용화의 꿈


제4장 전자기학-자연에서 대칭을 보다

1. 전기와 자기에서 전자기로-고전 물리학의 세계가 완성되다
전기가 흐르는데, 지침이 흔들흔들

2. 마당으로 평쳐진 세계-전자기학
원격작용 - 마당에 죽다
전기마당-자기마당, 전자기 에너지

3. 전자기력-실체를 드러낸 두 번째 기본 힘
전기력을 재다 - 우주의 두 번째 기본 힘이 드러나다

4. 전자기파-새로운 시대가 열린다
맥스웰 - 전자기파를 예견하다
헤르츠 - 전자기파를 만들다
파동은 매질이 필요해 - 에테르
빛은 알갱인가 파동인가

우주의 기본 힘을 하나로


제5장 양자론-이상한 미시 세계를 열다

1. 에너지 양자화
정체 내비침 - 흑체 복사
빛은 파동? 알갱이? - 빛의 이중성
슈뢰딩거 방정식 - 파동 역학
하이젠베르크 방정식 - 행렬 역학

2. 방향의 양자화
슈테른과 게를라흐의 실험 - 공간의 양자화

3. 보어-양자 역학의 설계자이자 전도사
수소 원자를 보다
고전 체계와 양자 체계를 잇다
양자 세계를 알리다
아인슈타인과 논쟁하다

4. 불확정성의 시대
두 마리 토끼를 동시에 잡을 수는 없다 - 불확정성 원리
상보성 원리
배타 원리

5. 양자의 세계-예측할 수 없는 이상한 일
결정론과 확률론
세계를 어디까지 측정할 수 있을까
굴 뚫기 - 터널링

우주의 기본 알갱이, 쿼크


제6장 아인슈타인의 상대론-시공의 세계를 열다

1. 에테르, 허상이 깨지다
에테르 - 신비함에서 허상으로

2. 1905년-아인슈타인, 혜성같이 나타나다
1905년의 세 가지 큰 일
물러나지 않는 뉴턴 역학의 힘

3. 특수 상대론-신세계와 신사고
특수 상대론 효과 1 - 최 반장과 길 반장
특수 상대론 효과 2 - 영이와 철수의 자와 시계
특수 상대론 효과 3 - 핵분열 및 융합 에너지
특수 상대론 효과 4 - 로렌츠와 민코프스키

4. 일반 상대론-공간이 휘다
일반 상대론 효과 1 - 빛이 휘다
일반 상대론 효과 2 - 수성의 세차 운동을 설명하다

플라마스-제4의 물질


제7장 카오스는 우주의 제왕인가

1. 복잡한 세계, 복잡계
1+1=10? - 선형과 비선형
뉴턴 체계, 그 완성과 한계
복잡한 세계 - 복잡계

2. 카오스-질서를 낳은 무질서
카오스 - 불규칙함
카오스 이론 - 예측할 수 없음
카오스의 가장자리 - 질서와 무질서의 경계

3. 프랙털-새로운 기하학의 세계
프랙털 - 자기 닮음
프랙털 - 부분은 전체
프랙털 - 그 환상적 세계

4. 창발과 자기 조직화-진화의 뿌리
삶의 일부인 카오스와 프랙털

대칭성, 자연의 아름다운 성질


나가는 말-결과가 아닌 과정의 물리학
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