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물리학을 배우면 과학적 사고방식을 익힐 수 있어요
원자부터 우주까지, 우리가 사는 세상을 더 잘 이해할 수 있도록 도와 주는 물리학

청소년을 위한 인문학 교양서 〈10대에게 권하는 시리즈〉의 9권. 경상국립대학교 물리교육과 이강영 교수가 집필한 청소년의 눈높이에 맞춘 물리학 입문서다. 흔히 ‘물리학’이라고 하면 똑똑하고 명석한 사람들만 공부하는 학문처럼 느끼는 경우가 많지만, 물리학은 우리가 사는 세상의 보편 원리를 탐구하는 학문으로 우리 삶과도 긴밀히 연결되어 있다. 물리학을 공부하면 하늘은 왜 파란지, 왜 우리는 방위를 동서남북으로 나누는지 등의 기본적인 지식부터 우리가 일상적으로 사용하는 컴퓨터와 스마트폰 등은 어떻게 만들어지고 작동하는지도 알 수 있다.
이 책은 막연하고 어렵게 느껴지는 물리학에서는 어떤 것을 연구하는지 살펴보고, 고전물리학부터 현대물리학까지 청소년이 물리학에 대해 알아야 할 기초적인 지식을 소개한다. 이 책을 통해 갈릴레이의 목성 위성 발견이 가지는 의미, 뉴턴의 만유인력의 법칙, 그리고 각종 매체에서 자주 다루어지는 아인슈타인의 상대성 이론과 양자역학에 이르기까지, 물리학의 주요 주제들을 쉽게 이해할 수 있다.

물리학을 배우려면 꼭 수학을 잘해야 할까?
천재처럼 똑똑한 사람만 물리학을 공부하는 걸까?
멀고 어렵게 느껴지는 물리학을 쉽고 친근하게 알려 주는 책

물리학이라고 하면 아인슈타인의 상대성 이론이나 블랙홀, 쿼크, 양자역학 등 난해한 개념을 떠올리면서 어렵고 까다로운 학문이라고 생각하는 경우가 많다. 물리학을 배우려면 난해한 공식이나 이론도 쉽게 이해할 수 있을 정도로 똑똑해야 하고, 어렵고 까다로운 수학도 잘해야 한다는 편견도 흔하다. 하지만 물리학은 우리가 사는 세계가 어떻게 이루어지고 움직이는지를 탐구하며, 세상의 보편 원리를 이해할 수 있게 해주는 학문이다. 물리학은 우리가 사는 세상은 물론이고 현대 사회의 기술 문명 또한 깊이 이해할 수 있도록 도와 준다.
이 책은 우리 주변에서 찾아볼 수 있는 흔한 현상에 담긴 물리학적 원리를 소개하면서, 청소년의 눈높이에 맞추어 물리학을 쉽고 친근하게 소개한다. 컴퓨터, 스마트폰, GPS 등 우리가 현재 누리고 있는 기술 문명의 바탕에는 물리학이 있다. 물리학의 발전이 없었더라면 우리가 사는 문명 사회는 지금과 같은 모습이 될 수 없었을 것이다. 현대의 기술 문명을 만든 물리학의 원리를 차근차근 알아 나가면 현대 사회에 꼭 필요한 과학적 사고방식, 즉 환원적 사고방식을 기르는 데 도움이 된다.
또한 대학의 물리학과에 진학하면 어떤 것들을 배우고, 물리학을 전공하면 장차 어떤 일을 할 수 있는지까지 상세하게 알려 준다. 또한 물리학의 최첨단에서는 어떤 것들을 연구하며, 장차 잠재력을 지닌 물리학 분야도 소개하고 있어, 물리학에 대한 이해를 높여 줄 뿐만 아니라 청소년의 진로 설계에도 큰 도움이 될 것이다.

-- 물리(物理)라는 말은 ‘사물의 이치’라는 뜻입니다. 여기서 사물은 특정한 무엇을 가리키는 게 아니라, 지금 우리 눈에 보이는 모든 것들을 말합니다. 그러니 물리학이 다루는 대상은 엄청나게 많을 수밖에 없습니다. 책상과 의자, 연필, 유리창과 같은 우리 주변의 물건은 물론, 물질을 이루는 원자와 분자, 원자핵과 기본 입자, 그리고 원자로 이루어진 고체, 액체, 기체와 같은 물질들이 모두 물리학이 다루는 대상입니다. 또한 발전소나 휴대폰, TV 등의 전자 제품뿐만 아니라 자동차나 온갖 기계도 모두 물리학을 통해 얻은 지식을 이용하고 있습니다. 나아가 생명체 속에서나 별들 속에서 일어나는 현상도 물리학으로 설명되며 시간과 공간, 우주 전체까지 모두 물리학에서 연구하는 주제들입니다. _p12~13
-- 물질을 원자라는 기본적인 구조를 통해서 이해하는 것처럼, 무언가를 더 기본적인 구조로 바꾸어서 생각하는 방식을 ‘환원적 방법’이라고 합니다. 사실 오늘날의 과학은 거의 모두가 이러한 환원적 사고방식을 바탕으로 합니다. 그중에서도 물리학이 그러한 경향이 가장 강합니다. 그러므로 현대에 물리학을 배운다는 것은 이러한 환원적인 사고방식과 그에 필요한 지식을 배우는 일입니다. _p23
-- LCD란 ‘액정 디스플레이(Liquid Crystal Display)’의 약자입니다. 여기서 액정은 액체로 된 결정이라는 뜻이지요. 결정이란 물질을 이루는 원자나 분자가 규칙적으로 늘어선 것을 말하는데, 액체란 원자나 분자가 제멋대로 움직이는 상태니 ‘액정’이라는 말이 얼핏 들으면 모순처럼 들립니다. 하지만 모순은 아니고, 액정이란 어떤 조건이 되면 (주로 온도가 맞으면) 분자들이 제멋대로 움직이기는 하지만 방향이 일정하게 정렬하는 특수한 성질을 가지는 물질을 말합니다. p189~190

코페르니쿠스의 지동설부터 슈뢰딩거의 고양이까지,
난해해 보이지만 흥미로운 물리학의 세계를 탐험하다

이 책은 고대의 자연철학부터 뉴턴의 만유인력의 법칙으로 대표되는 고전물리학, 그리고 현대물리학에 이르기까지 물리학의 발전 과정을 살펴보고, 각 이론의 핵심 내용을 알기 쉽게 소개한다. 특히 현대물리학의 상대성 이론과 양자역학 등은 물리학에 조금이라도 관심이 있다면 흥미진진하게 빠져들 수밖에 없는 주제다. 저자는 상대성 이론이나 양자역학 등 현대물리학의 이론들이 다소 어려워 보이기는 하지만, ‘신비로운 그 무엇’이라고 생각할 필요는 없다고 격려하면서 청소년들이 물리학의 세계를 흥미진진하게 탐험할 수 있도록 도와준다.
이 책은 물리학의 주요 이론의 골자와 내용을 알기 쉽게 설명해 주어, 평소 물리학 이론에 관심이 있었지만 내용을 이해하는 데 어려움을 겪고 있던 이들에게도 큰 도움이 될 것이다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론, 양자역학 분야에서 빠질 수 없는 슈뢰딩거의 고양이 일화나 빅뱅 이론 등, 신기하고 흥미진진한 내용을 알기 쉽게 소개한다.

-- 현대물리학에서 가장 중요한 생각을 한 가지만 들어 보라고 하면 무엇을 들 수 있을까요? 여러 중요한 개념이 있지만, 가장 중요한 키워드를 하나 꼽으라고 하면 저는 ‘원자’를 들겠습니다. 20세기 후반의 대표적인 이론물리학자인 미국의 리처드 파인먼(Richard Feynman, 1918~1988)은 한술 더 떠서 원자는 인류 문명을 통틀어 가장 핵심적인 개념이라고까지 이야기합니다. 물리학자가 하는 이야기니 팔이 안으로 굽는 건 감안한다 해도, 원자라는 개념이 왜 그리도 중요한 것일까요? 그리고 원자라는 개념이 현대물리학의 발전에 어떤 영향을 미쳤기에 그렇게 이야기하는 것일까요? _p102~103
-- 양자역학을 이용해서 원자 수준에서 물질을 이해하게 되면, 이전과는 차원이 다른 일을 할 수 있게 됩니다. 우리가 알고 있는 물질의 성질은 거의 다 원자 수준에서 생겨나기 때문입니다. 이 지식을 이용해서 오늘날의 기술 문명이 건설되었지요. 우리 주변에서 양자역학의 결과를 가장 잘 실감할 수 있는 예는 아마도 반도체일 것입니다. 반도체를 통해서 전자공학이 엄청난 발전을 이루었고, 그 결과 통신과 컴퓨터 분야가 탄생했습니다. 이제 현대사회는 컴퓨터가 없는 상태를 상상할 수 없게 되었지요. 약 30년 전까지만 해도 컴퓨터는 특정한 분야에서 특수한 목적으로만 이용하는 기계였는데, 이제 PC처럼 일상적인 기계가 되었을 뿐 아니라, 휴대전화는 물론이고 모든 가전제품, 자동차 등 우리가 사용하는 모든 기기의 일부가 되었습니다. _p122~123

프롤로그

CHAPTER 01 물리학이란 무엇인가요
물리학은 보편적인 원리를 탐구해요
물리학을 공부하면 무슨 일을 할 수 있나요
물리학을 공부하려면 꼭 수학을 잘해야 하나요
물리학과에서는 무엇을 공부하나요
생각 더하기_물리학자가 물리학이 아닌 분야에서 노벨상을 받기도 하나요?

CHAPTER 02 물리학은 어떻게 시작되었나요
자연철학자: 옛사람들은 세상을 어떻게 보았을까요?
과학혁명: 물리학은 어떻게 본격적인 학문이 되었을까요?
전기와 자기: 자석과 번개가 지닌 힘을 어떻게 연구했을까요?
생각 더하기_왕과 같은 장례식을 치른 과학자가 있다고요?

CHAPTER 03 현대물리학은 어떻게 발전했나요
상대성 이론: 아인슈타인은 무엇을 설명하려 했던 걸까요?
원자: 물질은 무엇으로 이루어져 있을까요?
양자역학: 원자를 어떻게 설명할까요?
입자물리학: 물질은 궁극적으로 무엇일까요?
일반 상대성 이론: 우주를 어떻게 이해해야 할까요?
생각 더하기_슈뢰딩거의 고양이가 도대체 무엇인가요?

CHAPTER 04 물리학은 우리 생활에 어떻게 이용되나요
물리학으로 우리가 사는 지구를 이해할 수 있어
우리는 빛을 통해 세상을 볼 수 있어요
에너지는 물리학에서 가장 중요하고 기초적인 개념이에요
물리학이 아니었다면 컴퓨터도 만들어지지 못했을 거예요
생각 더하기_노벨 물리학상을 두 번 받은 사람이 있다고요?

CHAPTER 05 물리학은 앞으로 어떻게 발전할까요
우주와 물질을 이해하기 위한 천체물리학과 우주론
물질의 근본적인 구조를 이해하기 위한 모든 것의 이론
양자역학을 이용해 정보를 처리하는 양자 정보학
새로운 기술을 만드는 응집물질물리학
생각 더하기_중성미자를 가지고 어떻게 실험하나요?

천문학은 단지 지성을 갈고 닦기 위해서 발달한 학문이 아닙니다. 사실 천문학은 실용적인 목적으로 발달했습니다. 달력을 만들어 농사에 이용하고, 어업이나 항해에 참고하기 위해서지요. 농사를 짓기 위해서는 계절을 느끼는 것을 넘어서 그 규칙을 제대로 알고 있어야 합니다. 그래야 언제 씨를 뿌리고 열매를 보관해야 하는지 알 수 있을 테니까요. 어부는 언제 밀물이 들어오고 썰물이 나가는지 알아야 하고요. 잘 알려져 있다시피 밀물과 썰물은 달의 움직임과 깊은 관련이 있습니다. 또한 지상에서와 달리 바다에 나가면 방향과 시간을 파악하기가 어렵습니다. 그래서 항해하는 사람들에게 별은 방향을 알려 주는 귀중한 지표였지요. 이런 이유로 천문학은 지금 우리가 과학이라고 부르는 분야 중에서 가장 먼저 발전했습니다. 그래서 동서양을 막론하고 고대 사회에는 국가의 중요한 위치에 천문학자가 있었습니다. _p48

집에 있는 냉장고에 자석 한두 개쯤은 붙어 있을 것입니다. 장식용 자석도 있을 테고 중국집이나 피자집 배달 전화번호가 적힌 광고용 자석도 있겠지요. 이제 이 자석에 클립을 붙여 봅시다. 클립은 떨어지지 않고 자석에 붙어 있을 것입니다. 우리는 이 상황을 별로 이상하게 생각하지 않습니다. 자석에 클립이 붙는 건 당연한 일이니까요.
하지만 이 현상을 가만히 생각해 봅시다. 이 상황은 클립을 땅에 떨어지게 하는 중력보다 자석의 자기력이 더 강하다는 뜻입니다. 중력이 더 강하다면 클립은 땅에 떨어졌을 것입니다. 여기서 중력이란 지구의 중력이고, 자기력은 냉장고 자석의 힘입니다. 그러므로 이 거대한 지구 전체가 당기는 중력보다 피자집에서 나눠 준 작은 냉장고 자석의 자기력이 더 강한 것입니다. 즉, 본질적으로는 중력이 자기력에 비해 아주 작은 힘이라는 걸 알 수 있지요. _p71

사실 아인슈타인의 상대성 이론은 두 가지입니다. 하나는 아인슈타인이 대학을 졸업하고 특허청 심사관으로 일하던 1905년에 발표한 특수 상대성 이론이고, 다른 하나는 베를린 대학교 교수였던 1915년에 발표한 일반 상대성 이론입니다. 불과 10년 사이에 무슨 일이 일어났기에 아인슈타인은 특허청의 심사관에서 일약 독일의 중심 대학인 베를린 대학교의 교수가 된 것일까요? _p89

물리학에 관심이 많은 사람이라면 양자역학에 대해서 여러 가지 신비한 이야기를 들었을지 모르겠습니다. 슈뢰딩거의 고양이라든가, 입자와 파동의 이중성 같은 무슨 주문 같은 이야기들 말이지요. 그런데 그런 내용은 대학에서 양자역학을 배우면 무슨 소리인지 다 알 수 있습니다. 그러니까 양자역학이 특별한 지식이긴 하지만, 신비한 그 무엇이라고 너무 부풀릴 필요는 없습니다. 물론 지금 인간이 양자역학을 완벽하게 이해하고 있는 것은 아니며, 양자역학의 ‘진정한’ 의미에 대해서는 여전히 탐구 중입니다. 현재는 적어도 원자나 원자핵 그리고 기본 입자에 대해서 꽤 잘 설명할 수 있을 정도로는 양자역학을 알고 있다고 말할 수 있습니다. _p119

양자역학 분야에서 가장 유명한 동물은 아마 고양이일 것입니다. ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 말을 한 번쯤은 들어 봤을 거예요. 슈뢰딩거는 양자역학을 만든 과학자 중 한 사람입니다. 이 이야기는 슈뢰딩거가 아인슈타인과 양자역학의 의미에 대해 이야기하면서 나온 일종의 사고실험인데, 양자역학의 여러 미묘한 점을 매우 실감 나게 표현하고 있어서 엄청나게 유명해졌습니다. (…) 상자 속에 고양이가 들어 있습니다. 한편에는 방사성 원소가 있습니다. 방사성 원소는 시간이 지남에 따라 방사성 붕괴가 일어나 방사선을 방출하는 원소입니다.여기에 방사성 원소에서 방사선이 나오면 상자 속으로 독가스를 넣는 장치를 연결해 놓았습니다. 그러면 방사성 원소가 붕괴하면 독가스가 나와서 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이는 살아 있겠지요. 그러니까 고양이가 살고 죽는 일이 방사성 원소가 붕괴하느냐 아니냐의 문제가 됩니다. _p141

위성의 시간은 각각의 위성이 갖추고 있는 원자시계에 의해 정확히 유지됩니다. 그런데 위성이 매우 빠른 속도로 움직이고 있으므로 특수 상대성 이론에 따르면 지상에 있는 사람에 비해서 시간이 느리게 흐릅니다. 한편 위성은 매우 높은 고도에 있으므로 중력의 영향을 적게 받기 때문에 일반 상대성 이론에 따르면 지상에 비해서 시간이 빠르게 흐릅니다. 이런 효과가 우리 일상에서는 감지하기 어려울 만큼 작지만 정밀한 GPS 장치에서는 눈에 띄는 차이를 만들기 때문에, 위치의 정확도를 높이기 위해서는 두 가지 효과를 모두 고려해야 합니다. 그래서 우리가 사용하는 GPS 수신기는 위성으로부터 받은 데이터를 가지고 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 효과를 모두 계산해서 위성 각각의 정확한 시간을 계산하고, 이부터 우리의 위치를 정확히 알려 줍니다. _p154~155

수심이 어느 정도를 넘어서면 더 이상 빛이 도달하지 못합니다. 그래서 깊은 바닷속은 완전히 캄캄하지요. 아주 맑은 바다라 하더라도 100미터를 넘어가면 빛은 거의 완전히 흡수됩니다. (…)
이 사실은 우리가 깊은 바닷속을 탐험하는 데 매우 중요한 문제를 야기합니다. 왜냐하면 우리가 잠수함을 타고 바닷속으로 들어갈 때, 어느 깊이를 넘으면 더 이상 무선 통신을 할 수 없다는 뜻이기 때문입니다. 레이더 역시 전자기파를 이용하므로 전혀 사용할 수 없습니다. 즉, 잠수함이 일단 물 속으로 깊이 들어가면 어마어마하게 발전한 현대의 과학 기술로도 잠수함과 연락을 할 수도, 어디에 있는지 위치를 알아낼 수도 없습니다. 놀랍지 않나요? 우리는 달에 가더라도, 심지어 화성에 가더라도 지구와 통신을 주고받을 수 있는데 말이죠(물론 시간은 좀 걸립니다). _p160

가장 독특한 실험은 남극에서 벌어지는 아이스큐브(IceCube)라는 이름의 실험입니다. 이 실험은 우주에서 날아오는 중성미자를 관측하기 위한 실험인데, 특이한 점은 남극 대륙의 거대한 얼음 자체를 실험 매질로 쓰고 있다는 점입니다. 앞에서 중성미자는 물질과 상호작용을 거의 하지 않는다고 했지요. 따라서 중성미자를 관측하려면 많은 양의 물질을 매질로 이용해서 관측해야 합니다. 아이스큐브는 남극의 얼음에 약 2킬로미터 깊이의 구멍을 여러 개 뚫어서 그 안에 광센서를 일정한 간격으로 넣어 놓았습니다. 그래서 우주에서 날아온 중성미자가 얼음을 이루는 물 분자 속의 전자나 원자핵과 반응할 때 나오는 미세한 빛을 검출해서 중성미자를 관측하지요. 수 킬로미터에 이르는 남극의 얼음을 통째로 실험에 이용하다니, 물리학자들의 상상력이 놀랍지 않으신가요? _p216~217

초전도란 물질의 전기저항이 0이 되는 현상입니다. 그게 뭐 그리 대단한 일인가 할지 모르겠습니다. 이해하기 쉽게 말하자면, 전기저항이 0이 되는 현상은 우리의 일상에서 마찰이 0이 되는 현상과 비슷합니다. 마찰이 0이 되면 전혀 다른 세상이 됩니다. 그네를 탈 때 한 번만 밀어 주면 계속 왔다갔다 하고, 롤러코스터는 한번 움직이면 영원히 레일을 오르내릴 것입니다. 재미있을 것 같지만 사실 굉장히 곤란하기도 합니다. 마찰이 없다면 물건을 집어들 수도 없고, 걸을 수도 없으며, 바퀴가 돌아도 자동차가 앞으로 가지 않습니다. 조금만 기울어진 곳의 물건들은 죄 아래로 미끄러질 것이고요. _p225