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새로운 시각으로 세상을 바라보는 과학자 아인슈타인이
상대성이론 외에도 어떤 위대한 업적을 과학사에 남겼는지 보여준다

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 여섯 번째. 이 책은 아인슈타인의 통계역학과 브라운 운동에 관한 오리지널 논문의 해설과 그 역사적 배경을 다루었다. 일반 독자들이 소화할 수 없을 정도로 난해한 부분은 강의에서 배제하면서 고등학교 수준의 수학만으로 두 논문을 이해하게 도움을 주고자 했다.
보통 아인슈타인을 얘기하면 상대성이론을 주로 떠올리지만 그의 박식함은 다양한 물리학에서 나타났다. 이 책은 아인슈타인이 상대성원리 외에도 어떤 위대한 업적을 과학사에 남겼는지를 보여준다.
아인슈타인의 브라운 운동을 이해하기 위해 두 가지 주제에 관한 역사를 먼저 소개했다. 첫 번째는 도박에서 시작된 확률 이론이다. 두 번째는 브라운 운동이 유체 속에서 벌어지는 운동이므로 유체역학의 역사를 살펴보았다.
또한 브라운 운동 연구를 위해 통계역학을 창시한 아인슈타인의 이론과 더불어 같은 시기 독립적으로 통계역학을 완성한 기브스의 이론도 다루었다. 논문 해설 뒤에는 아인슈타인에 이어 브라운 운동을 연구한 학자들과 업적을 소개했으며 말미에는 브라운 운동을 이용해 아보가드로수를 결정하고 노벨 물리학상을 수상한 페랭의 이야기도 곁들였다.
아인슈타인은 브라운 운동 논문으로 박사 학위를 받을 정도로 이 연구를 소중하게 여겼다. 브라운 운동은 최근에도 유체나 유리질 물질을 연구하는 과학자들에게 중요한 연굿거리이다. 브라운 운동을 처음 공부하는 과학도들에게 아인슈타인의 오리지널 논문은 큰 도움을 줄 것이다.

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상 논문 영문본 수록

2028 대입 개편안에는 어떻게 대비해야 할까?
새 시대를 이끌어갈 융합적 사고력&문제해결력 향상 방법이 여기에

2028 대입 개편 확정안이 발표되었다. 이는 2025년부터 고교학점제로 공부하는 학생들에게 적용되는 수능 및 내신 평가방식 개선안이다.
이번 개편안에서 특별히 눈에 띄는 단어가 바로 ‘융합’이다. 수능 과학탐구 영역의 출제 과목인 ‘통합과학’을 예로 들겠다. 이 과목에서는 물리, 화학, 생물, 지구과학 등의 분야가 명확히 구분되지 않는다. 물화생지의 개념을 융합하여 지구사적 관점에서 내용을 전개한다.
실제로 과학사를 살펴보면 학자들의 연구 영역이 명확히 구분되지 않고 다양한 측면에서 연구하고 과학을 발전시켜 왔다. 우리가 잘 아는 마리 퀴리 역시 노벨 물리학상과 노벨 화학상을 둘 다 수상하지 않았던가.
여기에 덧붙여 이 책 〈세상에서 가장 쉬운 과학 수업 브라운 운동〉을 소개한다. 1827년 식물학자 로버트 브라운이 꽃가루를 관찰하면서 브라운 운동을 발견한 이래 많은 생물학자들이 연구에 뛰어들었다. 그러나 죽은 나무의 꽃가루와 미세한 유리 조각도 브라운 운동을 하는 것이 알려지자 이 문제는 생물학자들만의 주제가 아닌 물리학자들의 연구 대상이 되었다. 결국 아인슈타인이 이에 대한 완벽한 이론을 1905년에 물리학으로 완성한다.
학교 교육과정은 융합적 사고를 키우는 방향으로 나아가고 있다. 사회-과학, 음악-수학 등 여러 과목을 연계하여 수업을 하기도 한다. 미래를 이끌어갈 인재는 이러한 융합적 사고가 가능한 사람들이다. 한쪽에 치우치지 않고 기존의 시각에서 벗어나 다양한 방면에서 사고하고 새로운 방식으로 문제를 해결하는 능력이 필요한 시대다. 이 책이 새 시대를 이끌어갈 인재들에게 바람직한 방향을 알려주는 안내자의 역할을 하길 기대한다.


논리적 사고력을 키우는 기본 중의 기본, 독서와 대화
일대일 대화를 통해 더 넓고 더 깊게 사고하기

새로운 대입제도 개편안이 발표되면 학부모들은 학원 설명회로 몰려간다. 변화하는 입시 정책에 이리저리 휘둘리고 그 틈을 노려 사교육 업체는 다시 공포 마케팅을 펼친다.
그럼 이렇게 바뀐 2028 입시 제도에는 어떻게 대응해야 할까?
대학 입학처장들이 공통적으로 내세우는 가장 중요한 방안은 바로 ‘논리력과 사고력 증진’이다. 뜬구름 잡는 것처럼 들릴 수도 있으나 이번 대입제도 개편안의 핵심 또한 이 논리적 사고력의 측정이다. 이러한 능력은 절대 사교육으로 키울 수 없다. 단순 지식암기 위주의 문제풀이 기술을 배우는 것만으로 바뀐 수능과 내신 정책에 대비할 수 없다는 것이다.
논리적 사고력을 키우는 가장 쉬운 방법이 바로 ‘독서’다. 그리고 이를 바탕으로 한 ‘주제가 있는 대화’이다. 한 주제를 깊이 끌고 가는 대화를 통해 지적 호기심이 커지고 지적 역량도 자란다.
이러한 대화를 부모나 친구와 함께할 수 있다면 금상첨화겠지만 현실적으로 쉽지 않다. 이 책 ≪세상에서 가장 쉬운 과학 수업 브라운 운동≫이 그 고민을 말끔히 씻어줄 것이다.
책의 내용은 정교수와 물리군의 대화로 전개된다. 아인슈타인의 브라운 운동 논문 이해를 돕기 위해 과학사적 배경을 소개하고 논문을 재미있게 해설하는 정교수. 그리고 여러 가지 질문을 통해 생각의 범위를 넓혀가는 물리군의 일대일 대화를 엿보면서 독자 또한 이 주제를 가지고 함께 깊이 있게 대화하는 간접 경험을 할 수 있다.
단편적인 지식 습득에서 그치지 않고 더 넓고 깊게 사고하는 능력을 키우는 데 이 책이 좋은 길잡이가 될 것이다.


천재 과학자 아인슈타인의 뛰어난 연구
여전히 과학계에 큰 영향을 미치는 현재진행형 브라운 운동

아인슈타인이라고 하면 가장 먼저 떠올리는 것은 이 시리즈의 첫 번째 책의 주제 ‘특수상대성이론’ 그리고 E=mc² 공식이다. 그러나 ‘천재’라는 명성에 걸맞게 아인슈타인의 업적은 우리에게 잘 알려지지 않은 것들도 많이 있다. 그중 하나가 바로 이 책에서 소개하는 ‘브라운 운동’이다.
이 책을 추천하신 물리 선생님의 말씀대로 전공자조차 대학에서 개념 정도만 들어봤을 정도로 생소하다. 그런데 이 이론이 현재 각광받는 빅데이터와 네트워크 과학의 핵심인 랜덤워크 연구의 기반이 되었다는 사실.
이 책은 식물학자 브라운으로부터 시작된 작은 발견이 아인슈타인에 의해 물리학으로 완벽하게 묘사되기까지 과정을 상세히 다룬다. 이론의 바탕이 되는 확률과 유체역학의 역사부터 통계역학 이론도 다룸으로 브라운 운동 논문 이해를 돕는다. 더불어 아인슈타인이 이론을 확립한 후 브라운 운동을 계속해서 연구해 나간 많은 학자들의 연구도 소개한다.
아인슈타인의 브라운 운동은 백여 년 전에 완성되어 생명을 다한 이론이 아니라 현재진행형이다. 지금도 많은 과학자가 이 이론을 바탕으로 새로운 연구 결과를 선보이고 있다.
과학도를 꿈꾸는 학생들, 미래 과학계를 선도할 이들에게 이 책은 든든한 디딤돌이 되리라 믿는다.

민보경(동국대부속여고 교장)
고등학교 교육과정에 아인슈타인의 광전 효과와 상대성이론이 있지만 브라운 운동은 처음 들어 보는 학생도 있을 것입니다. 물리를 가르쳤던 저도 대학에서 용어와 개념 정도만 공부하고, 기타 과학 서적에서 브라운 운동이 적용되는 예에 대해서만 접했을 뿐입니다. 아인슈타인의 논문 내용과 수학적인 해석을 조금이나마 이해해 본 것은 이 책이 처음이었습니다. 기존의 시각에서 벗어나 새로운 시각으로 세상을 바라보는 아인슈타인을 존경해 오던 제가 또 한 번 아인슈타인의 브라운 운동이라는 아름다운 이론으로 사랑에 빠진 것 같습니다. 확률 이론과 유체역학에 대한 여러 내용과 과정을 따라 읽다 보면 브라운 운동을 이해하게 되고, 이해하는 만큼 사랑하게 된다는 진리를 경험한 귀한 시간이었습니다.

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
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
브라운 운동의 이론을 확립한 아인슈타인 _파리시 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남│확률의 역사
확률 개념의 탄생 _도박 게임에서 승률을 높이려면?
이항계수와 파스칼의 삼각형 _경우의 수 헤아리기
베르누이의 이항분포 _성공 또는 실패
연속확률분포 _확률변수가 연속적으로 변하는 경우
드무아브르와 가우스의 정규분포 _특별한 연속확률분포

두 번째 만남│유체역학의 역사
아르키메데스의 원리 _부력의 발견
파스칼의 원리 _한곳에서 모든 곳으로
다빈치의 도전 _사람도 새처럼 하늘을 날 수는 없을까
베르누이 원리 _비행기가 위로 뜨는 이유
오일러와 유체의 연속방정식 _편미분의 이해
작은 입자의 운동에 대한 기록 _최초의 과학 시
브라운 운동의 발견 _미세 입자의 불규칙적인 움직임
그레이엄의 법칙 _기체의 확산 속도와 분자량의 관계
스토크스의 법칙 _공 모양의 입자가 유체 속에서 받는 저항력
피크의 확산 방정식 _농도 차이에 의해 일어나는 확산
맥스웰의 기체 분자 운동론 _이상기체의 운동
판트호프의 삼투압 이론 _초대 노벨 화학상 수상자

세 번째 만남│아인슈타인의 통계역학
라그랑주 곱수 _방법은 달라도 답은 같아!
헬름홀츠 에너지 _열역학의 기본 법칙
스털링 공식 _n!의 근삿값 구하기
분배함수 _볼츠만의 논문에서
역학을 이용해 통계역학을 다룬 아인슈타인 _고전역학으로 열 현상을 설명하다
기브스의 통계역학 _기브스 엔트로피

네 번째 만남│브라운 운동 논문 속으로
아인슈타인 이전의 연구들 _열 현상 VS 분자들의 충돌 현상
논문 속으로 Ⅰ _삼투 현상과 비슷하다
논문 속으로 Ⅱ _확산 현상을 이용한 설명
논문 속으로 Ⅲ _확산 방정식과의 연관성

다섯 번째 만남│브라운 운동을 연구한 과학자들
스몰루호프스키의 랜덤워크 _술 취한 사람의 맘대로 걷기
랜덤워크에서 확산 운동으로 _결국 같은 결과
랑주뱅과 마리 퀴리 _두 물리학자의 스캔들
미분방정식 _미분이 들어 있는 방정식
랑주뱅 방정식 _뉴턴의 운동방정식으로 설명하다
페랭의 아보가드로수 결정 _엄청나게 큰 수를 헤아리다

만남에 덧붙여
Kinetic Theory of Thermal Equilibrium and of the Second Law of Thermodynamics _아인슈타인 통계 논문 영문본
Investigations on the Theory of the Brownian Movement _아인슈타인 브라운 운동 논문 영문본
On the Theory of Brownian Motion _랑주뱅 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

아르키메데스는 이 문제를 더욱 파고들었어. 물속에서는 무거운 돌멩이를 쉽게 들 수 있는데 이는 물속에서 물체의 무게가 줄어드는 효과가 생기기 때문이야. 즉, 물속에서는 물체의 무게와 반대 방향인 위쪽으로 작용하는 힘이 있는데 이것을 물체의 부력이라고 부른다네.
_83쪽

그러던 어느 날 들판에 누워 하늘을 보는데 매 한 마리가 날고 있는 게 눈에 들어왔다. 매는 날개를 크게 벌린 채 움직이지 않고 오랫동안 하늘을 빙빙 돌았다. 다빈치는 거기서 힌트를 얻어 날개를 고정한 채 공기의 힘으로 하늘을 나는 기계를 발명했다.
_93쪽

1738년 다니엘은 유체에 대한 베르누이 법칙이 담긴 책 《유체역학》을 출간했다. 그러자 아버지 요한은 이 책의 내용을 표절해 출간 연도를 조작하여 유체역학에 대한 책을 내면서, 자신이 유체역학의 창시자라고 주장하기도 했다.
_95쪽

이날 오빌의 뒤를 이어 비행한 윌버는 59초 동안 255미터를 날았다. 드디어 공기보다 무거운 비행기를 타고 인간의 뜻대로 조종하는 것이 가능함을 증명해 보인 대사건이었다.
_104쪽

“햇빛이 건물 안으로 들어와 그늘진 곳에 빛을 비출 때 어떤 일이 일어나는지 관찰하십시오. 당신은 수많은 작은 입자들이 다양한 방식으로 섞이는 것을 보게 될 겁니다. 작은 입자들의 춤은 우리 시야에서 숨겨진 물질의 근본적인 움직임을 실제로 드러냅니다. 작은 입자들의 움직임은 스스로 움직이는 원자에서 비롯됩니다.” -루크레티우스
_111쪽

처음에 식물학자들은 브라운 운동이 식물의 수꽃 생식세포의 운동이라고 생각했다네. 하지만 죽은 지 수백 년이 지난 나무에서 채집된 꽃가루도 브라운 운동을 하는 것이 알려지자 그러한 주장은 사라졌어. 브라운은 미세한 유리 조각도 꽃가루처럼 브라운 운동을 한다는 것을 실험에서 발견했어. 이 문제는 더 이상 생물학자들만의 주제가 아니라 물리학자들의 연구 대상이 되었지.
_115쪽

아인슈타인은 부유 입자의 랜덤 운동을 가지고 브라운 운동을 확산 현상으로 묘사했다. 스몰루호프스키는 이 문제를 곱씹어 보았다. 그는 술에 취한 사람이 방향감각을 잃어 이리저리 걷듯이 입자들의 운동을 아무렇게나 움직이는 것으로 묘사한다면 브라운 운동을 설명할 수 있을 거로 생각했다. 이러한 운동을 랜덤워크 운동이라고 부른다.
_205쪽