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지난 세기, 새로운 물리학을 찾기 위한 노벨상 수상 과학자들의 이야기 속으로

현대물리학의 거인인 플랑크는 양자라는 입자를 처음 발견했다. 그는 이 입자가 고전 물리학의 입자와는 다르게 불연속적인 에너지가 허용되는 신기한 성질을 지니고 있다고 주장했다. 그는 1900년 양자론 논문으로 갈릴레이와 뉴턴이 완성한 역학 이론을 과감하게 뒤엎었다.
〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉 중의 3권인 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자혁명》은 빛이 광자라는 알갱이로 이루어져 있고, 광자가 가질 수 있는 에너지가 어떤 최소 에너지의 정수배가 된다고 가정하는 것으로 시작한다. 이후 플랑크 논문의 영향으로 기존의 물리이론은 수정되었고, 핵물리학이나 소립자물리학도 양자론을 채택하는 등 고체물리학 역시 양자론의 개념을 받아들이게 된다. 플랑크 논문은 양자 시대를 활짝 연 문으로 이후 뉴턴의 역학은 양자역학으로 수정되었고, 보어가 올바른 원자모형을 만드는 데 큰 영향을 끼쳤다.
《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자혁명》은 플랑크의 양자론에 초점을 맞추었다. 플랑크가 양자론 최초의 논문을 완성한 시점에서 이 논문을 쓰기 위해 공부했던 열역학 이야기를 역사적으로 재미있게 풀었다. 동시에 플랑크가 사람들에게 알려주고 싶어 했던 것을 그의 오리지널 영문 논문으로 자세히 소개했다.
이 책에는 위대한 발견을 한 과학자들의 에피소드와 함께 수식이 등장한다. 어렵다고 느낄 필요 없이 고등학교 수준의 수학 내용만 알면 이해할 수 있도록 친절하게 설명하고 있다. 정교수와 물리군의 일대일 대화를 따라가다 보면 수학이나 과학에 두려움이 있는 독자들도 쉽게 이해할 수 있게 된다.
과학도를 꿈꾸는 학생, 양자론을 좀 더 알고 싶은 사람, 학생들에게 위대한 논문을 소개하려는 과학 선생님, 〈인터스텔라〉를 능가하는 SF 영화를 만들고 싶어 하는 영화 제작자나 웹툰 작가 등 과학에 관심을 가진 사람들에게 이 시리즈가 도움이 될 것이다. 이 시리즈 전20권에는 역대 노벨 물리학상 수상자들이 모두 등장한다.

[노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈](출간 예정 목록)
1권 : 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 특수상대성이론
2권 : 마리 퀴리(1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상) - 방사선과 원소
3권 : 플랑크(1918년 노벨 물리학상) - 양자혁명
4권 : 보어(1922년 노벨 물리학상) - 원자모형
5권 : 하이젠베르크(1932년 노벨 물리학상) - 불확정성원리
6권 : 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 브라운운동
7권 : 왓슨과 크릭(1962년 노벨 생리의학상) - DNA 구조
8권 : 디랙(1933년 노벨 물리학상) - 반입자
9권 : 찬드라세카르(1983년 노벨 물리학상) - 별의 물리학
10권 : 바딘(1972년 노벨 물리학상) - 반도체 물리학
11권 : 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 일반상대성이론
12권 : 유카와 히데키(1949년 노벨 물리학상) - 핵력
13권 : 폴링(1954년 노벨 화학상, 1962년 노벨 평화상) - 화학결합
14권 : 파인먼(1965년 노벨 물리학상) - 양자전기역학
15권 : 피블스(2019년 노벨 물리학상) - 우주팽창과 암흑물질
16권 : 글라우버(2005년 노벨 물리학상) - 양자광학
17권 : 홀데인(2016년 노벨 물리학상) - 양자물질
18권 : 하셀만(2021년 노벨 물리학상) - 기후 물리
19권 : 차일링거(2022년 노벨 물리학상) - 양자정보
20권 : 겔만(1969년 노벨 물리학상) - 쿼크모형

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 시민 과학 시대 필독서
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 세계 최초로 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책
★ 일대일 친절한 과학 수업 ★ 오리지널 논문 영문본 수록

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까?
이제는 우주개발도 민간이 주도하는 시대가 되었다. 실례로 미국의 기업 스페이스X는 세계 최초의 상용 우주선 발사, 민간 우주 비행사의 국제 우주 정거장 도킹 등 혁신적인 업적을 달성했다. 이러한 시대적 흐름에 발맞추어 우리나라도 최근 누리호 제작 ？ 발사 운용 기술의 선진화로 우주산업 육성에 적극적으로 뛰어들고 있다.
왜 인류는 우주에 가고 싶어 하고, 정복하고 싶어 하는 걸까? 알고 싶어 하는 호기심, 개척하고자 하는 탐험가 정신일 것이다. 문명의 발달은 과학과 수학의 발달로 이루어졌다고 해도 과언이 아니다. 이 책은 어려운 과학이 아닌 우리가 일상생활에서 접할 수 있는 현상이 어떻게 이론으로 증명되었는지 물리학 발전에 따라 알기 쉽게 풀어 놓았다. 특히 위대한 과학자들의 오리지널 논문을 직접 눈으로 보며 일대일로 배우는 듯한 생동감은 과학을 더욱 친숙하고 재미있게 배울 수 있게 해 줄 것이다.

천재 과학자들의 오리지널 논문 한번 읽어볼래?
일대일 수업을 듣는 듯한 친밀한 과학 이야기
그동안 일반인이나 과학을 배우는 학생은 물론 그 분야에서 연구하는 과학자들마저 교과서나 이론 서적으로 공부하는 것이 일반적이었다. 그러나 이론의 탄생이 있기까지 과학자들이 얼마나 많은 창의적인 생각과 실험 속에서 새로운 것을 발견하였는지 안다면 더 이상 과학이 암기해야 할 학문으로 끝나지는 않을 것이다.
노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 〈양자혁명〉은 천재 과학자들이 직접 작성한 논문으로 과학이론의 기초부터 탄생까지 과학을 흥미진진하게 배울 수 있도록 돕는다. 특히 이 책의 양자론 첫 번째 논문은 흑체복사 실험의 해석부터 양자라는 입자의 증명까지 역사적 흐름을 한눈에 꿸 수 있다. 물론 이 논문을 이해하기 위해서는 고등학교 수학이 생각난다면 더할 나위 없이 좋겠지만 꼭 그렇지 않더라도 부담 없이 접근할 수 있다. 과감하게 도전한 플랑크처럼 이 책을 잡은 여러분의 과학상식도 더욱 확장되길 바란다.

과학의 역사와 배경지식을 대화체로 재미있게 쌓는다
과학만큼 우리 실생활과 밀접한 게 있을까? 100년 전에 발견한 양자는 반도체, 레이저 등으로 발전하여 나노의 세계를 인간이 이해하도록 열었으며 120년 전 아인슈타인이 밝힌 시간과 공간의 원리인 상대성 이론은 우주가 어떤 모습으로 만들어지고 앞으로 어떻게 진화할 것인지 알게 해 주었다. 또 영화 ‘인터스텔라’와 같은 SF영화는 우주의 신비를 더욱 친근하게 풀어내어 대중의 인기를 한몸에 받기도 했다. 이렇게 알고 보면 과학은 어려운 학문이 아니라 인류의 진화와 발전에 밀접한 관계가 있으면서 재미있게 배울 수 있다. 그런데 아직까지 우리나라에서는 과학이라고 하면 막연히 어렵게만 느끼는 사람들이 많은 거 같아 안타까운 마음이 들 때가 있다.
이 책은 과학자들의 연구 핵심이 담긴 오리지널 논문을 바탕으로 물리군과 정교수가 대화하며 역사적인 물리 이론의 역사적 배경과 탄생까지 그 뒷이야기를 알기 쉽게 설명한다. 이 책의 위대한 과학이론 탄생의 역사적 배경과 에피소드를 읽다 보면 어느새 과학에 대한 관심과 흥미가 높아져 있을 것이다.

시리즈로 만나보는 과학의 즐거움
외국인들과 대화하다 보면 놀라게 되는 것 중에 하나는 그들은 과학을 무척 재미있게 배웠다는 사실이다. 그래서인지 국민의 평균 과학 지식도 상당히 높은 편이고 실제로 노벨과학상도 많이 배출되었다. 그러나 우리나라의 상황을 보면 아직까지 그 문턱은 꽤 높아 보이는 것도 현실인 것 같다.
이 책의 저자는 우리나라에서 노벨과학상 수상자가 배출되지 않은 것에 안타까움을 느끼며 과학이야말로 우리 생활과 밀접하게 연결되어 있기 때문에 누구나 재미있게 배울 수 있다고 말한다. 특히 책에 실린 오리지널 논문을 이해하면서 책의 내용을 따라온다면 앞으로 도래할 양자 시대와 우주여행 시대를 멋지게 맞이할 수 있을 것이라고 강조한다. 이 책은 시리즈로 기획되었다. 한 권 한 권 완성해 나가는 과정을 통해 과학에 관심을 갖고 그 수준도 높아질 수 있으리라 생각한다.

정재용(KAIST 기술경영학부 교수 및 공학한림원 정회원)
지난 70년간 우리나라의 과학기술은 괄목할 만한 성장을 이루었습니다. 과학기술 활동의 성과 지표로 대표되는 논문과 특허 통계가 이를 방증하고 있습니다. 그러나 과학기술 위상이 높아졌음에도 불구하고 노벨상 수상의 불모지와 기초과학 약체국으로 평가받고 있는 것이 우리나라의 현실입니다. 이러한 한계를 뛰어넘기 위해 정부도 연구개발 투자증대, 과학기술 인력양성과 같은 다양한 정책을 발표했습니다. 이 과정에서 무엇보다 과학기술자 스스로가 창의적인 문제 설정을 할 수 있는 역량을 기르는 것이 첫 단추일 것입니다.
이 책은 21세기 인류 발전에 핵심기술로 주목받고 있는 양자기술을 중심으로 초기 양자혁명에 참여한 과학자들의 문제 정의, 해결 방식 등을 풀어준 책입니다. 멋진 과학자의 삶을 꿈꾸는 젊은 과학도들에게 지적 여정의 자양분으로서 그 소임을 다하는 책이라고 생각합니다.

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)
저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등의 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다.
이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

추천사_008
과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까
물리학적 사고 성장사의 경험을 한번에 정리한 책
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
세상을 뒤바꾼 역학이론의 탄생 _펜지어스 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남│양자론의 아버지, 플랑크
눈에 보이지 않은 힘을 탐구한 헬몬트 _공기가 여러 가지 기체라고?
의심 많은 화학자 보일 _기체의 압력과 부피의 관계를 밝히다
샤를의 법칙 _처음으로 기구를 타고 하늘을 날다
공기의 성분을 발견한 과학자들 _눈에 보이지 않는 기체의 발견
돌턴의 원자 이야기 _기체 분자설
분자설의 주인공 아보가드로 _모든 기체의 분자의 수는?

두 번째 만남│열역학의 영웅들
기체운동론의 선구자 줄 _신혼여행에서도 이어진 실험
열역학 제1법칙의 탄생 _무더운 날 냉커피가 점점 뜨거워지는 이유는?
엔트로피와 열역학 제2법칙 _열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다
열역학 제1법칙과 제2법칙의 연결 _편미분의 이용
조합의 수 _경우의 수를 헤아리는 4가지 방법
통계역학의 개척자 볼츠만 _엔트로피를 확률과 통계에서 찾다
볼츠만 인자의 탄생 _에너지가 무한대로 가면 0이 된다

세 번째 만남│흑체복사의 영웅들
일곱 개의 빛 _우리 눈에 보이는 빛의 원리
프라운호퍼, 분광학의 문을 열다 _스펙트럼 흡수선의 발견
키르히호프의 법칙 _빛의 흡수와 방출의 비는 일정하다
슈테판, 열복사의 신비를 풀다 _지구가 뜨거워지는 이유
전쟁으로 탄생한 빈의 공식 _물체의 색은 어떻게 결정될까?
빈, 보라 공식을 찾다 _파장이 짧은 빛
레일리-진즈의 빨강공식 _실험적 그래프를 수식으로 풀다
플랑크의 양자혁명 _완벽한 이론으로 불완전함을 이기다

네 번째 만남│플랑크의 논문 속으로
팩토리얼과 적분의 연결 _부분적분의 활용
스털링 근사식 _매우 큰 N으로 공식을 세우다
오일러가 푼 제타함수와 소수 관계 _무한급수의 합에 도전하다
플랑크의 기묘한 가설 _새로운 알갱이의 탄생
양자 시대의 서막 _플랑크상수를 파헤치다

다섯 번째 만남│광자의 존재를 알아낸 과학자들
아인슈타인, 플랑크 논문을 완성하다 _광전효과를 설명하다
콤프턴 효과 _양자의 존재를 밝힌 강력한 한 방

만남에 덧붙여
On an Improvement of Wien’s Equation for the Spectrum _플랭크 1 논문 영문본
On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum _플랭크 2 논문 영문본
On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectrum _플랭크 3 논문 영문본
A QUANTUM THEORY OF THE SCATTERING OF X-RAYS BY LIGHT ELEMENTS _콤프턴 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다