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물리학이란 무엇인지에 대한 모든 답을 담았다

다양한 물리학 분야와 응용 물리학 분야, 물리학 관련 직업과 물리학의 기본 용어 및 개념, 역사, 2000여 년 동안 직간접적으로 세상을 바꾼 수많은 물리학자와 발명들까지 교과서 속 물리학부터 교과서 밖 물리학의 세계를 모두 소개했다!

고층 건물은 왜 바람에 흔들리지 않을까?
누전 차단기는 어떻게 작동할까?
우주의 최후는 어떻게 될까?

물리에는 수많은 질문이 있다. 우주에 대한 기본적인 것부터 미래를 준비하는 수많은 질문일 수도 있고, 일부는 일상생활과 관계있는 것이며, 어떤 것은 호기심 때문에 생기는 질문이다. 그리고 대부분의 질문은 답을 가지고 있다. 과거에는 그 답이 매우 어려웠던 것도 있고, 미래에는 답이 달라질 것도 있다.[한 권으로 끝내는 물리]는 독자들이 이런 질문들을 통해 답을 찾고 또 다른 질문을 생각해내 호기심을 충족하거나 새로운 발견을 하는데 도움이 되기를 바라며 준비된 책이다.그래서 물리학에서 다루어지는 복잡한 개념들을 우리에게 익숙한 일상의 언어로 설명하여 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 하려고 노력했다.

한 권으로 끝내는 물리]에는 물리의 이론만이 아닌 그 이상의 내용이 들어 있다. 물리학은 2000년 이상 많은 사람들에 의해 발전되어왔다. 그들은 다양한 배경 지식과 넓은 범위의 문화 전통을 가지고 있다. 어떤 이들은 단 한 분야의 발전에만 공헌했고, 다양한 분야에서 여러 해 동안 중요한 진전을 이루는 데 핵심 역할을 한 이들도 있다. 그중 아인슈타인, 뉴턴, 갈릴레이, 프랭클린, 퀴리, 파인먼과 같이 우리에게 잘 알려진 사람도 있고 알하젠, 괴퍼트, 마이어, 코넬, 히비사이드와 같이 자주 들을 수 없었던 이름도 있을 것이다. 이 책에는 노벨 물리학상 수상자들의 명단도 들어 있다.
[한 권으로 끝내는 물리]는 처음부터 끝까지 차례로 읽을 필요는 없는 책이다. 차례를 살펴보고 흥미 있는 주제를 찾아 읽으면 된다. 항상 궁금했던 질문을 찾아 읽어도 된다.
만약 익숙하지 않은 과학 용어가 있으면 책 뒤에 있는 용어 설명을 참고하면 된다. 이 책은 수식을 이용해 나타내기보다는 개념 설명을 훨씬 더 많이 하고 있지만 때로는 물리량을 나타내기 위해 기호를 사용하기도 했다. 그런 기호가 익숙하지 않은 사람들을 위해 책 뒤에 용어 설명과 함께 기호의 의미도 찾아볼 수 있도록 수록해놓았다.
이제 여러분이 평소 궁금해했던 물리의 세계를 만나보자.

머리말
감사의 글

1 기본적인 사항
응용 물리학 분야
측정
물리학 관련 직업들
유명한 물리학자들
노벨상

2 운동과 운동의 원인
힘과 뉴턴의 운동 법칙

3 운동량과 에너지
운동량
에너지

4 정역학
무게 중심
정역학
교량과 다른 '정적인' 구조물들

5 유체
물의 압력
혈압
대기압
가라앉기와 뜨기: 부력
유체 역학: 수력학과 기체 역학
공기 역학
음속 장벽
초음속 비행

6 열역학
열에너지
온도와 온도의 측정
절대 도
물질의 상태
열
열역학

7 파동
물결파
전자기파
전자기파를 이용한 통신
전자기파에 정보 싣기
마이크로파
중첩의 원리
공명
임피던스
도플러 효과
레이더
차세대 기상 도플러 레이더
전파 천문학

8 소리
소리
소리의 속도
듣기
초음파와 초저음파
소리의 세기
음향학
음악 음향학
소음 공해

9 빛
빛의 속도
편광
불투명, 투명, 반투명한 물질들
그림자
반사
거울
굴절
렌즈
광섬유
회절과 간섭
색깔
무지개
시각
카메라
망원경

10 전기
라이덴병과 축전지
밴더그래프 정전 발생기
번개
안전 조치
전류
저항
초전도체
옴의 법칙
전력과 전기력의 사용
회로
교류, 직류
직렬, 병렬 회로
전기 콘센트

11 자기력
전자기
전자석을 이용한 기술
우주에서의 자기장

12 세상은 무엇으로 만들어졌는가?

13 원자의 중심부

14 답이 없는 질문들
양성자, 중성자 그리고 전자 넘어
얽힘, 순간 이동 그리고 양자 컴퓨터
우주의 구조와 종말

기호
용어 설명
참고 서적
찾아 보기
이미지 저작권

왜 녹음한 소리를 들으면 다른 사람의 목소리처럼 들릴가?
자신이 듣는 자신의 목소리는 자신만이 들을 수 있는 고유한 소리다. 말을 할 때 우리는 공기를 통해 귀로 전달된 소리 이외에 몸을 통해 전달된 소리도 듣는다. 소리를 내기 위해서는 성대를 진동시켜야 한다. 성대가 진동할 때는 성대 주위에 있는 조직도 진동하게 된다. 여기에는 근육, 뼈, 연골이 포함된다. 조직을 통해 전달되는 소리는 조금 다른 속도로 전달되기 때문에 머리뼈를 통해 내이로 전달된 소리와 약간 다른 소리가 된다. 따라서 녹음한 목소리를 들으면 다른 사람의 목소리처럼 들린다. 녹음한 목소리는 몸을 통해 전달되지 않고 공기를 통해서만 전달되기 때문이다.

비행기가 벼락을 맞으면 비행기에는 어떤 일이 발생할까?
비행기 조종사들은 뇌우를 피하려고 노력하지만 비행기가 벼락에 맞는다 해도 비행기 안에 타고 있는 승객들은 완벽히 안전하게 보호된다. 비행기가 전하를 막아주는 거대한 패러데이의 상자 역할을 하기 때문이다. 하지만 벼락은 비행기 운항에 사용되는 민감한 전기 장치들을 망가뜨리거나 파괴할 수 있다.
1980년대에 NASA에서 전투기들이 뇌우 속을 비행하게 하면서 벼락에 비행기가 어떻게 반응하는지를 알아보는 실험을 했었다. 이를 통해 과학자들은 전투기가 구름 내의 전기장을 증가시키기 때문에 벼락을 더 많이 만들어내고, 따라서 전투기의 금속 몸체가 더 자주 벼락에 노출된다는 것을 알아냈다.

베타 붕괴에 중성자, 양성자, 전자, 중성미자가 관여한다. 쿼크를 이용하여 베타 붕괴를 어떻게 설명할 수 있을까?
베타 붕괴베타 붕괴는 두 단계로 이루어진다. 첫 단계는 d 쿼크d 쿼크가 W 보존W 보존을 방출하고 u 쿼크u 쿼크로 변한다. 그 후 거의 동시에 W 보존은 전자전자와 반중성미자반중성미자()로 변한다. 물리학자들은 베타 붕괴의 두 단계 과정을 412쪽과 같은 그림으로 나타낸다.
원자핵에서 베타 붕괴가 일어나면 중성자의 수는 하나 줄어들고, 양성자 수는 하나 증가하며 그 과정에서 전자와 반중성미자가 방출된다. 이것을 쿼크와 렙톤의 용어를 이용하여 설명하면 중성자 속에 있는 d 쿼크 하나가 양성자 속에 있는 u 쿼크로 변하는 것이며, 이 과정에서 렙톤(전자)과 반렙톤(반중성미자)이 방출된다고 할 수 있다. d 쿼크가 u 쿼크로 변하는 것은 향기의 변화이며, 베타 붕괴에서만 발생할 수 있다. 역베타 붕괴에서는 양성자 내에 있는 u 쿼크가 d 쿼크로 변하며 렙톤(중성미자)과 반렙톤(양전자)이 방출된다.

입자 물리에서 해결되지 않은 문제는 무엇인가?
질량의 근원은 무엇일까? 힉스 입자힉스 입자는 존재하는가? 어떻게 해야 쿼크의 질량을 기반으로 물리적 입자들의 질량을 완벽하게 설명할 수 있을까? 쿼크와 렙톤에 3세대 이후의 다른 세대가 있을까? 중성미자의 질량은 얼마나 될까? 중성미자는 자신의 반입자가 될 수 있을까? 어떻게 중력적 상호작용이 입자 물리 이론과 통합될 수 있을까? 초대칭성과 끈 이론이 표준 모델을 대체할 수 있을까? 당신이 이 문제들과 다른 문제들에 대한 답을 찾을 수 있을지도 모른다.

암흑 에너지란 무엇일까?
우주가 존재하기 시작한 후 처음 100억 년 동안은 일반 물질과 암흑 물질의 중력이 우주의 팽창을 감속시켰다. 하지만 약 50억 년 전부터 우주의 속도가 점점 빠른 속도로 팽창하기 시작했다. 초신성을 이용한 연구를 통해 우주의 팽창이 가속되고 있다는 것을 알게 되었는데, 이러한 우주 가속 팽창의 원인은 암흑 에너지 때문이라고 알려졌지만 암흑 에너지의 성질은 전혀 알려져 있지 않다. 이는 중력을 통해서만 작용하며 매우 희박하다.
한 가지 가능성은 아인슈타인의 일반상대성이론에 우주 상수를 추가하여 수정해야 한다는 것이다. 아인슈타인 스스로 이런 상수에 대해 생각했지만, 이를 자신의 가장 큰 실수라 생각하고 폐기했다. 이 상수가 가진 문제점은 입자 물리학이 예측하는 이 상수의 값은 1(적절한 단위로)이지만, 우주의 팽창을 설명하기 위해 필요한 상수의 값은 10이라는 점이다. 이러한 큰 차이는 설명할 방법이 없다.
(/ 본문 중에서)