강하게 살아남기 위해 물리학을 배운다! 고독한 세계에 머물러 있을 때 나를 지지해준 것은 무엇이었을까? 돌이켜 보니 한 가지 떠오르는 것이 있다. 그것은 열아홉 살 때 ‘한없이 아름다운 것을 보았던’ 경험이다. 가슴 설레는 감동의 순간, 그 아름다움은 결코 잊을 수 없을뿐더러 지금까지 내 인생을 지탱하는 큰 힘이 되었다. 아름다운 것, 그것은 물리학이다. -프롤로그 중에서 ▼ 인생의 ‘흔들리지 않는 축’, 아름다운 물리학 도무지 이해할 수 없는 암호처럼 보이던 수식이 빛나며 다가오는 순간이 있다. 숫자와 글자가 마치 생명을 가진 듯 숨을 쉬며 다가와 모든 내용을 ‘이해했다’는 확신이 드는 순간이다. 이 책의 저자 야마구치 에이이치는 열아홉 살 가을, 스위스의 물리학자 볼프강 파울리가 쓴 《상대성이론》을 읽었을 때의 이야기로 글을 시작한다. 아인슈타인의 중력장 방정식, 우주의 구조를 설명하는 그 한 줄의 방정식을 만나고, 야마구치는 자신과 세상을 갈라놓았던 ‘얇은 막’이 사라지는 것을 느꼈다. ‘어떻게 이토록 아름다운 형태로 방정식이 성립할 수 있을까!’ 그리고 그는 이렇게 아름다운 세계가 존재한다는 걸 안 이상, 더 이상 어떤 어렵고 힘든 일이 있어도 흔들리지 않겠다고 결심한다. 그날 이후 야마구치가 물리학을 생업으로 삼은 것은 당연한 결과다. 아인슈타인의 방정식에서 ‘한없이 아름다운 것’을 본 경험은 그에게 ‘흔들리지 않는 축’이 되었고, 이후 그의 삶 전체를 더욱 견고하게 해주었다. 그러나 거의 모든 물리학 교과서가 물리를 그저 ‘도구’로만 익히도록 가르치고, 대학의 전공과목에서조차 물리학을 교수나 연구원, 기술자가 되기 위한 ‘도구’로 취급한다는 사실에 실망한 그는 물리학의 아름다움을 알기 위해서는 물리의 본질을 알아야 한다고 주장하며 이 책을 쓰게 되었다. 물리학의 수식에서 가장 아름다운 것과 만나 내면에 ‘흔들리지 않는 축’을 갖게 됨으로써, 한 단계 더 높은 차원으로 나아가고 강해질 수 있다고 생각하기 때문이다. 야마구치는 이 책으로, 길을 잃고 헤매는 젊은이들이 스스로 어려움과 맞서고, 자신이 속한 세계에서 날아올라 다른 세계로 향할 수 있도록, ‘흔들리지 않는 축’으로서의 물리학을 보다 많은 사람들이 공유하기를 바란다. ▼ 과학자들의 인생을 통해 이해하는 물리학 이론 20대의 뉴턴과 아인슈타인, 하이젠베르크는 어떻게 그들만의 방정식을 유추해 냈을까? 그렇게 되기까지 그들의 어린 시절 성격이나 생활은 어떤 영향을 끼쳤을까? 그리고 ‘흔들리지 않는 축’은 그들의 정신세계가 성장하는 데 어떤 작용을 했을까? 저자는 물리학의 거장들을, 그들의 이론이 아니라 그들의 시대와 환경을 살펴보며 서서히 접근한다. 그들을 인간적으로 이해함으로써 인류의 가장 아름다운 이야기인 그들이 발견한 물리 법칙을 이해할 수 있기 때문이다. 어떤 환경과 발상에서 물리학의 위대한 법칙이 탄생했는지 살펴보고, 그 후 각각의 물리학을 어떻게 이해하면 좋을지 최소한의 수식을 곁들여 설명한다. 이 과정을 통해 난관을 극복하고 위대한 업적을 이룬 물리학자들의 사고 과정이 인류에게 보물로 남았음을 깨닫게 된다. ▼ 수식에 겁먹지 않고 물리학 법칙 이해하기 문과 계열이었던 사람이라면 특히 고등학교를 졸업하는 순간 수식과 결별한 사람이 많을 것이다. 그러나 마음 한편에서 상대성이론이 무엇인지, 양자역학과 통계역학은 무엇인지 알고 싶은 마음까지 떨쳐버리지는 못했을 것이다. 지적 호기심이 제로인 사람이 아닌 다음에야 컴퓨터나 스마트폰 등 생활기기를 비롯해 각종 예술작품까지 아우르는 인공지능과 우주과학의 근간이 되는 물리학 법칙에 대한 호기심이 없을 수 없다. 이 책은 바로 그런 사람들에게 ‘물리학을 다시 배울 수 있는’ 기회를 주는 책이다. 어른이 된 후 과학, 특히 상대성이론 등의 현대 물리학을 배우고 싶어 하는 사람들이 물리학에 입문하는 데 도움이 되는 책이다. ■ 책의 내용 1장은 ‘뉴턴과 만유인력의 법칙’이다. 어머니에게 버림받은 뉴턴의 삶을 따라가면서 그가 어떻게 만유인력의 법칙을 발견했는지 당시의 수학 이론만을 사용해 그 과정을 되짚어본다. 2장은 뉴턴이 등장하고 200년 후 혼자만의 힘으로 통계학이라는 엄청난 물리학을 만들어낸 볼츠만에 초점을 맞춘다. 그는 다른 의견을 가진 논객들의 공격에 시달리다 끝내 자살로 생을 마감했다. 3장의 중심인물은 플랑크다. 그는 42세가 된 어느 날, 엄청난 발견을 한다. 그것은 바로 오늘날의 양자역학을 탄생시킨 에너지양자가설이다. 나치정권 말기에 둘째 아들을 잃고 상심했던 그가 어떻게 양자가설을 완성했는지 소개한다. 4장에 드디어 아인슈타인의 상대성이론이 등장한다. 가르침을 준 스승도 없이 그는 과학계를 완전히 뒤집어놓는 3가지 이론을 발견한다. 이 책에서는 그중 하나인 상대성이론을 독자들이 수식을 통해 직접 유추할 수 있도록 이끈다. 독자들은 뒤늦게 자신의 물리적 재능에 눈을 뜨게 될지도 모른다. 5장은 뉴턴의 고전 역학을 뒤집으며 20세기 최고의 ‘지성’으로 떠올랐을 뿐 아니라 컴퓨터와 인터넷, 휴대전화 등의 하이테크 기술을 낳은 ‘양자역학’에 대한 이야기다. 역사학자였던 루이 드 브로이의 논문을 시작으로 아인슈타인을 거쳐 슈뢰딩거와 하이젠베르크가 저마다 양자역학을 발견하기까지 국경을 넘나드는 변화무쌍한 이야기가 담겼다. 마지막으로 6장에서는 앞서 다룬 5개 분야의 물리학자들이 어떻게 ‘지식의 창조’를 이룩했는지, 그 내면을 들여다보면서 ‘과학은 어떻게 창조되는가’라는 본질을, 그림을 통해 설명하면서, 이것을 ‘창발(創發)’과 ‘회유(回遊)’로 집약한다.

프롤로그: 강하게 살아남기 위해 물리학을 배운다 1. 고독에서 탄생한 과학혁명: 만유인력의 법칙 1. 뉴턴‘, 신의 업적’을 발견하다 2. 천재의 영감을 체험하다 2. 철학에서 해방된 과학: 통계역학 1. 하위헌스에서 와트까지: 산업혁명을 일으킨 기술자의 능력 2. 볼츠만: 패러다임 파괴자에게 찾아온 비극 3. 무질서한 세계를 관통하다 3. 우주의 설계도를 발견하다: 에너지양자가설 1. 플랑크: 물리학을 바꾸고 물리학을 지키다 2. 파장이며 입자인 빛이란 무엇인가 4. 잃어버린 아이의 상상력: 상대성이론 1. 아인슈타인: 과학의 틀을 깨버린 유태인 지성 2. 중학생 수준의 수식으로 상대성이론을 이끌어내다 5. 신은 주사위를 던졌다: 양자역학 1. 드 브로이: 콧대 높은 고독과 자유로운 정신 2. 슈뢰딩거: 편력과 경계를 넘나들다 3. 하이젠베르크: 과학적인 명예와 원자폭탄 제조자의 오명 6. 과학은 어떻게 창조되는가 1. 새로운 발견과 창조를 위한 프로세스 2. 과학 혁명가들의‘ 창발’을 검증하다 3. 창발과 회유: 새로운 이노베이션 세계를 향해 에필로그 참고문헌 · 찾아보기

그러나 세계를 바꿀 뉴턴의 법칙은 갑자기 그의 머리에서 떠오른 것이 아니다. “내가 다른 사람보다 멀리 내다볼 수 있었던 것은 거인의 어깨 위에 서 있었기 때문이다”라는 뉴턴의 말처럼, 그의 업적은 이전부터 존재했던 오랜 역사적 과정이 있었기에 가능했다. 다시 말해 시대와 사회가 어우러진 결과물이 뉴턴에 이해 세상에 모습을 드러낸 것이다. -20쪽 맨 처음 파팽의 아이디어는 세이버리에 의해 뉴커먼에게 전해지고 실용화되었다. 그것을 본 와트가 뉴커먼의 증기기관을 개선해 많은 사람들이 쉽게 자동기계를 이용할 수 있도록 만들었다. 와트의 증기기관이 영국 전역에 보급되면서 방직기와 기차, 배를 움직였다. 비로소 산업혁명이 시작된 것이다. 여기서 주목해야 할 것은 증기기관이 기술자의 손에서 탄생했다는 점이다. 위그노 출신의 직능사 파팽, 대장장이였던 뉴커먼, 그리고 와트라는 대학 소속 기술자. 이들이 바로 증기기관이라는 시스템을 개발한 주인공들이다. 학자들이 열과 어떤 현상을 연구하고 응용해 발명한 것이 결코 아니다. 실용적인 기술이 먼저 갖추어진 후 ‘열역학’이라는 과학이 탄생한 것이다. -61쪽 에너지양자가설은 모든 양(量)은 끊어지지 않고 연속적으로 변화한다고 여겼던 고전 물리학의 틀을 과감하게 벗어던진 비약적인 이론이었다. 뿐만 아니라 플랑크 본인조차 지나치게 과도기적인 가설이라고 믿을 만큼 패러다임을 파괴한 이론이기도 했다. 고전 물리학을 신봉했고 태어나면서부터 보수적이었던, 물리학의 혁명 따위는 안중에도 없던 플랑크는 진리를 구하기 위해 ‘자포자기’하면서까지 ‘불안한 미래를 향한 모험’을 감행했고, 덕분에 결과적으로 ‘혁명’의 선구자 역할을 수행하게 되었다. -90쪽 젊은 날의 뉴턴이 이 세상의 사물로는 도저히 생각해 낼 수 없는 창조성을 발휘한 데 반해 아인슈타인의 그것은 ‘자연스럽다’는 표현이 더 어울린다. 그의 능력은 오히려 압도적인 상상력에 가깝다. 풍부한 상상력으로 상대성이론에 자연스럽게 도달한 것이다. 그는 ‘공상은 지식보다 중요하다. 지식에는 한계가 있지만 공상은 세계를 모두 품을 수 있다’고 강조했다. -117쪽 “그때 갑자기 거대한 빛이 내 머릿속을 가득 채웠다.” 1923년, 드 브로이가 자신이 ‘황당한 생각’에 사로잡혔던 순간에 했던 말이다. 여기서 ‘황당한 생각’은 본래 ‘파동’이라고 생각해 왔던 빛이 광자라는 ‘입자’로 이루어졌다면 본래 ‘입자’라고 여겨지던 전자와 모든 물질을 구성하는 입자가 사실은 ‘파동’일 수도 있다라는 가설이다. 그는 이것을 ‘물질파(物質波)’라 부르기로 하고, 물질파의 특징을 나타내는 수식을 도출했다. 이것은 그가 대학에서 역사학을 전공해 ‘물리학의 스승을 갖지 못한’ 덕분에 가능했던 패러다임의 파괴였다. -142-143쪽 체스나 장기 시합을 했을 때 컴퓨터를 이길 수 없는 이유는 추론하는 과정이 ‘연역’과 ‘귀납’의 반복으로 성립되기 때문이다. ‘연역’으로 풀도록 구성된 수학능력시험의 수학문제를 컴퓨터에게 낸다면 아마 몇 분도 되지 않아서 만점을 받을지도 모른다. 그러나 아무리 컴퓨터 기술이 발달해도 ‘창발’만은 인간을 앞서지 못할 것이다. ‘창발’은 분명한 ‘지식의 창조’이며, 세상에 없는 것을 존재하게 하거나 아무도 모르는 것을 발견하는 인간만의 고유 영역이기 때문이다. -186-187쪽