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스퀘어드 시리즈 제2권『네모 속의 물리학』은 그저 어렵고 난해하게 여겨지던 물리학을 이해하는 데 흥미로운 길잡이가 되어줄 것이다. 이 책의 열 장(章)은 열 개의 주제로 세분된다. 총괄적으로 살펴보자면 물리학의 핵심 분야, 즉 원자 내부의 미세한 입자부터 우주 전체에 작용하는 중력까지 다룬다. 이 책의 저자들은 난해한 방정식을 들여다보지 않고도 물리학의 필수 개념들을 파악하는 게 가능하다고 믿는다. 그것이 바로 이 책에서 의도한 바이기도 하다.

이새의 ‘스퀘어드’ 시리즈
부모에게는 ‘지식’이 되고, 자녀에게는 ‘학습’이 되는 책!

“이 작은 네모(squared) 안에 누구나 알아야 할 핵심 지식이 있다”

우리가 살아가는 세상의 세 가지 원리, 수학·물리학·심리학!
과학 공부는 이제 ‘생활의 공부’가 되어야 한다.

영국 퀀텀 북스(Quantum Books) 사에서 전문가들의 권위 있는 글과 다채로운 컬러 일러스트레이션, 인포그래픽 등을 함께 담아 기존의 복잡한 개념을 보다 명확하고 참신하게 설명한 ‘교양과학 시리즈’다. 이새출판사에서 ‘이새 스퀘어드 시리즈’로 단장해 수학·과학·심리학 세 권을 2016년 12월에 우선 선보인다.
손안에 들어가는 편리한 사이즈로, 한 권의 책을 10개의 장으로 나누고 각 장마다 다시 핵심 개념 10가지를 담았다. 초등학생부터 성인까지, 우리를 둘러싼 주변 세상을 더 과학적으로 또 합리적으로 이해하고 싶은 모든 이에게 재미있으면서도 꼼꼼한 개론을 제공한다. 본문 왼쪽에는 개념을 설명하는 텍스트가, 오른쪽에는 내용 이해를 돕는 삽화나 사진 혹은 인포그래픽이 곁들여진다.

우리가 알고 싶은 네모 속의 물리학(이새 스퀘어드 시리즈 02)

이 세상은 어떤 원리로 움직이는가?
일상세계와 지구 그리고 우주를 관통하는 물리학 원리 100가지!

‘물리학’이라고 하면 그저 어렵게만 여겨지고, “웬만하면 피하고 싶다”, “몰라도 그만이다” 하는 반응이 대부분이다. 그러나 속도, 관성, 힘, 파동, 열전달, 자외선, 전기, 원자력 문제 등 아는 듯하지만 막상 설명하려면 턱 막히는 것, 익숙하지만 잘 모르는 것, 속으로는 궁금한데 입 밖에 내어 물어보기에는 다소 부끄러운 것도 바로 ‘물리학’이다. 기실 ‘물리’는 저 바깥의, ‘나랑 상관없는’ 이야기가 아닌, 우리가 일상 속에서 늘 함께하는 ‘원리’에 다름 아니다. 신간 《우리가 알고 싶은 네모 속의 물리학》은 그 원리 100가지를 통해 난해하게 여겨지던 물리학을 이해하는 데 흥미로운 길잡이가 되어준다.

주지하다시피 물리학은 모든 과학의 기초다. 물리학의 기본 원리는 다른 모든 과학적 사고뿐 아니라 우리가 삶의 편리함을 위해 즐겨 활용하는 기술 대부분에 토대가 되고 있다. 이 책은 운동과학에서 양자물리학에 이르기까지 가장 중요하고 흥미로운 100가지 개념을 다룬다. 물론 가장 높은 수준의 물리학은 이해하기 어려운 것이 사실이다. 하지만 본질상 물리학은 사실 자연 현상을 설명해낼 가장 간단한 방법을 찾는 일이다. 이 책의 저자들은 난해한 방정식을 들여다보지 않고도 물리학의 필수 개념들을 파악하는 게 가능하다고 믿는다. 그것이 바로 이 책에서 의도한 바이기도 하다.

이 책의 열 장(章)은 열 개의 주제로 세분된다. 총괄적으로 살펴보자면 물리학의 핵심 분야, 즉 원자 내부의 미세한 입자부터 우주 전체에 작용하는 중력까지 다룬다. 일반적으로 수학을 토대로 하는 물리학 이론은 알려진 현상을 설명할 뿐 아니라 새로운 현상을 예측하기도 한다. 오늘날의 물리학자들은 3세기 이상에 걸친 이론 연구와 실험 덕분에 원자 안의 입자들의 행태(양자이론)와 블랙홀(일반상대성이론)을 설명하는 법칙들을 깨우쳤다. 뉴턴의 법칙은 우리 ‘일상의 운동’을 설명해주며 열역학은 ‘열’을 설명해준다. 그런가 하면, 전기와 자기와 빛은 제임스 클러크 맥스웰이 발전시킨 어떤 이론을 구성한다. 입자가속기(particle accelerator) 덕분에 우리는 모든 물질이 무엇으로 이루어지는지, 물질 간 상호작용의 원리는 무엇인지를 좀 더 알게 되었다.

저자들은 묻는다. “물리학은 무엇에 필요한가?” 많은 수학 방정식이, 광선이 어떻게 유리를 통과해 굴절되는가 또는 열이 어떻게 금속을 통해 전달되는가를 말해주는 것은 왜 그토록 중요한가? 답은 간단하다. 세상이 어떻게 움직이는지를 이해하면 그 이해를 기반으로 활용 도구를 얻게 될 것이며, 가장 복잡한 블루스카이 연구(blue-sky research), 즉 지금 당장 눈에 보이는 어떤 성과를 내지는 못하지만 미래를 위해 필수적인 연구 분야에서도 놀랍도록 실용적인 발전을 궁극적으로 이룰 수 있도록 해주기 때문이다. 실제로 여러 세대에 걸쳐 물리학자들이 이루어낸 발전이 없었다면 오늘날 우리의 삶은 상상하기 어려울 정도로 초라했을 것이라는 게 저자들의 이야기다. 이는 과학 강국을 꿈꾸는 대한민국의 오늘을 사는 우리가 너나없이 이러한 물리학 지식에 관심을 가져야 하는 이유가 될 수 있다.

들어가며

1장. 역학과 운동
1.1 속력, 속도, 가속도 1.2 관성, 질량, 무게 1.3 운동량과 충돌 1.4 뉴턴의 운동법칙 1.5 궤도와 각운동량 1.6 일, 에너지, 힘 1.7 간단한 기계들 1.8 변형, 변형률, 응력 1.9 기체의 법칙 1.10 유체

2장. 파동
2.1 파동의 성질 2.2 화음과 공명 2.3 굴절과 반사 2.4 회절과 간섭 2.5 편광 2.6 광학기기 2.7 간섭법 2.8 음파와 음향 2.9 도플러 효과 2.10 변조

3장. 열역학
3.1 열전달 3.2 열용량 3.3 잠열 3.4 온도 측정 3.5 절대영도 3.6 열기관과 열펌프 3.7 엔트로피와 엔탈피 3.8 열역학의 법칙 3.9 맥스웰의 도깨비 3.10 열역학적 죽음과 ‘시간의 화살’

4장. 전자파 방사선
4.1 빛의 본질 4.2 가시광선 4.3 적외선 4.4 마이크로파와 전파 4.5 자외선 4.6 X선과 감마선 4.7 레이저와 홀로그래피 4.8 흑체와 열복사 4.9 산란효과 4.10 체렌코프 복사

5장. 물질의 구조
5.1 물질의 상태 5.2 화학 원소 5.3 전자, 양성자와 중성자 5.4 원자 구조 5.5 이온화 5.6 발광 및 흡수 스펙트럼 5.7 화학적 결합 5.8 화학반응 5.9 반데르발스 힘과 또 다른 힘들 5.10 질량분석

6장. 전기와 자기
6.1 정전기와 전류 6.2 전압, 전지, 회로 6.3 자기 작용(인력) 6.4 힘, 자기장, 유도 6.5 모터와 발전기 6.6 전자석과 변압기 6.7 교류 6.8 광전자증배관과 음극선관 6.9 반도체 6.10 디지털 전자제품

7장. 핵물리학
7.1 방사능 7.2 핵분열과 핵융합 7.3 원자핵 결합에너지 7.4 붕괴 계열 7.5 핵분열에너지 7.6 가이거 계수기 7.7 핵융합에너지 7.8 방사능 연대측정 7.9 반물질 7.10 중성미자

8장. 양자현실
8.1 파동-입자 이중성 8.2 슈뢰딩거의 파동방정식 8.3 불확정성과 측정 8.4 코펜하겐 해석 8.5 슈뢰딩거의 고양이 8.6 또 다른 양자 해석들 8.7 양자수 8.8 회전 8.9 양자얽힘과 순간이동 8.10 양자물질

9장. 입자물리학
9.1 쿼크와 렙톤 9.2 기본 힘 9.3 입자가속기 9.4 전자기력 9.5 강한 핵력 9.6 약한 핵력 9.7 대통일이론 9.8 대칭 9.9 끈이론과 더 높은 차원들 9.10 힉스보손

10장. 상대성이론
10.1 뉴턴의 실패 10.2 특수상대성이론 10.3 시간지연 10.4 길이수축 10.5 E = mc 2 10.6 시공간 10.7 일반상대성이론 10.8 중력렌즈효과 10.9 특이성과 블랙홀 10.10 타임머신

용어 설명
찾아보기

두 개의 물질이 서로 닿았을 때 어느 것이 더 뜨거운지 그리고 어떤 방향으로 에너지가 흐를지 어떻게 알 수 있을까? 이것이 온도라는 개념이 개입되는 지점이다. 왜냐하면 온도는 어떤 물질을 구성하는 원자와 분자들의 평균운동에너지를 측정하기 때문이다.
‘온도’가 유용한 것이 되려면 고정점들에 의해 정의된 어떤 종류의 척도 같은 여타의 것과 비교될 필요가 있다. 통상적으로 이 고정점들은 물의 끓는점과 어는점이다. 고정점들은 특정한 값으로 주어지며 그 척도는 도(度, degree)라 불리는 눈금들로 나뉜다. 친숙한 온도눈금(temperature scales)에는 화씨(Fahrenheit)가 있는데, 화씨에서 물의 어는점이 32°F이고 끓는점은 212°F이다. 그 둘 사이의 차이인 180도가 어색한 수로 여겨지면서 고정점들 간의 차이가 100도인
섭씨(Celsius)가 도입되었다.
_ 68쪽, [3.4 온도 측정]에서

유한한 온도를 가진 모든 물체는 항상 전자파 방사선을 방출한다. 방사선은 파장이 발산되고 그 세기는 물체의 표면온도에 달려 있다. (...)
19세기 중반, 물리학자들은 흑체(black body)라는 개념을 고안해 뜨거운 물체로부터 나오는 방사선의 확산을 예측하는 도구로 활용했다. 그것은 완전하고 빛을 모두 흡수하며 표면의 반사가 없는 이론상 이상적인 물체였다. 과학자들은 표면온도와 방출되는 파장 사이의 관계를 나타내기 위해 ‘흑체’를 이용했다. 간단해 보이는 이 개념 모델은 별부터 백열등의 필라멘트까지 다양한 물체의 행태에 놀랍도록 정확히 부합한다. 표면온도와 파장 사이의 관계는 별들의 색깔로 그들의 표면온도를 연구하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어 베텔게우스(Betelgeuse) 별은 붉은색으로 보이며 3,500K의 표면온도를 갖고 있다. 흰색으로 나타나는 리겔(Rigel) 별은 1만 1,000K의 표면온도를 갖고 있다.
_ 100쪽, [4.8 흑체와 열복사]에서

전류는 보통 어떤 값도 가질 수 있으며, 그 값들 사이에서 파상적(wave-like)으로 또는 아날로그 방식으로 연속적으로 변한다. 전류로 이산된 디지털 값을 만들어냄으로써 오늘날 같은 세상이 가능해졌다.
컴퓨터에서 정보는 신호의 유무에 따라 단순히 온/오프(on/off) 펄스들, 즉 1과 0으로 구성된다. 이 이진수 체계(binary system)가 데이터를 처리하는 강력한 방법을 제공한다. 예를 들어 두 개의 이진수, 즉 비트(bit)는 네 개의 상태를 나타낼 수 있으며(00, 01, 10, 11), 여덟 개의 비트[바이트(byte)]는 256개의 서로 다른 값을 나타낼 수 있고, 32비트는 42억 개 이상의 다른 값을 나타낼 수 있다.
이진수의 흐름은 단순한 수(數)부터 상세한 지시까지 무엇이든 나타낼 수 있다. 현명하게 설계하면 다양한 과제를 수행하고자 형태를 변환시키는 논리 게이트 시스템을 만들 수 있다. (...)
_ 152쪽, [6.10 디지털 전자제품]에서

힉스보손(Higgs boson)은 1964년 피터 힉스(Peter Higgs)가 물리학 최대의 퍼즐 중 하나인 ‘질량은 무엇이며 어디서 오는 것인가’를 해결하는 데 따르는 부가 효과로 제안했다.
속성으로서 질량의 존재는 1980년대 약한 핵력을 운반하는 W보손과 Z보손의 발견 이후 연구의 초점이 되었다. 힘을 수반하는 광자와 글루온과는 달리 이들 입자는 질량이 없지 않았고, 오히려 엄청나게 무거웠다. 양성자보다 100배 큰 질량을 가져, 구리 원자의 핵보다 질량이 크다.
표준모델은 이러한 불일치를 설명할 수 없었지만, 한 가지 해법이 나왔다. 1960년대 영국의 물리학자 힉스는 입자들에 질량을 발생시키는 수학적 구조를 개발했다. 그것은 우주로 퍼지는 장(field)을 포함한다. 입자들이 그 장과 상호작용을 하면 질량을 얻는다. 각기 다른 입자는 각기 다른 상호작용을 하며, 이는 왜 어떤 입자들은 질량을 갖지 않은 채로 있는지를 설명한다.
_ 224쪽, [9.10 힉스보손]에서