알고는 있어야 하지만 너무나 어려웠던 물리의 세계,
부담 없는 다섯 권의 책이면 기본은 잡는다!
《곽영직 교수의 물리 5부작》


세상은 어떻게 돌아가고 있는 거지?

‘위키백과’에서 ‘물리학’이라는 개념을 찾아보면 그에 대한 정의를 “자연에 대한 과학”라고 정리해 놓고 있다. “물리학의 영어에 해당하는 단어인 physics(그리고 인도 유럽어나 라틴 계통의 언어도 비슷한 철자를 가지고 있다)는 그리스어의 \"자연적\"이라는 뜻의 φυσικ?? (physikos)와 \"자연\"이라는 뜻의 φ?σι? (physis)에서 왔다. 한국어의 물리는 만물의 이치를 탐구한다는 뜻의 한자어이다.”

소름끼치도록 어려워하고 머리 아파하기만 했던 (혹은 하고 있는) 물리, 물리학은 실은 이렇듯 지금 우리 존재가 놓여있는 시?공간을 살펴보는, 세상이 어떻게 돌아가고 있는지에 대한 인간종의 끝없는 탐색의 결과다. ‘우리 몸은 둥근 지구에 어떻게 붙어있는 거지?’ ‘수많은 화가들이 집착했던 빛의 정체는 무엇일까?’ ‘물은 어떻게 얼음이 되는 걸까?’ ‘매일 쓰고 있는 전기는 눈으로 확인 할 수 있을까?’ ‘방사능 물질과 함께 있는 상자 속의 고양이의 목숨은 우리가 확인하기 전까지는 알 수 없는 것 아닐까?’

물리는 우리의 삶과 우리가 살고 있는 세계에 대한 기초적인 질문을 던지고 그에 대한 답을 찾아가려는 큰 학문이고, 우리의 세계를 설명하고자 하는 도전적인 지식 영역이기도 하다. 그렇기 때문에 어렵기도 하지만 문과생이건 이과생이건, 10대이건 성인이건 간에 같은 우주 질서 속에서 살고 있는 인간종이라면 물리에 대한 기본적인 이해는 필수적인 교양으로 강조되는 것일 게다.

《곽영직 교수의 물리 5부작》은 우리의 삶과 세계에 대한 물리학의 기초적인 질문들과 대답의 알맹이를 알 수 있는 책으로 기획되었다.


주제별로 찾아 읽는 부담 없는 물리 책 어디 없나?

《곽영직 교수의 물리 5부작》은 물리학에서 가장 기본이 되는 다섯 가지의 이론을 각각의 권으로 묶었다. 뉴턴 역학으로 불리는 고전 역학은 〈힘, 운동량, 에너지의 삼각관계>에, 상대성 이론을 포함하는 빛 물리학은
<빛 물리학>
에, 많은 논쟁을 불러 일으켰던 열역학과 엔트로피의 문제 그리고 통계 물리학의 영역은
<열과 엔트로피>
에, 전자기 영역은
<전기와 자기>
에, 현대 물리학의 가장 기본적인 패러다임인 양자 역학의 문제는
<양자 역학의 세계>
에 담았다.



한 권에 모두 담지 않고 따로 담은 것은 물리학의 기본 영역 중에서도 특히 관심이 가는 영역이나, 어려워서 잘 이해가 되지 않는 부분을 부담 없이 따로 볼 수 있도록 하기 위해서였다. 각 권의 분량 역시 100~200쪽 내외로 구성했고 판형 역시 부담 없는 판형을 택해 우리 세계를 설명할 수 있는 물리학이 던지는 기본적인 질문들의 핵심적인 답과 흐름을 어려움 없이 읽도록 구성했다.



《곽영직 교수의 물리 5부작》은 이런 구성을 통해 물리에 대한 이해가 학업 과정에서 직접적으로 필요한 10대 뿐 아니라, 기본 교양으로 물리학을 이해하고자 했던 일반 독자들의 욕구 역시 충족시킬 수 있도록 했다.





근대과학을 성립해 온 ‘거성’들의 이야기와 열정



어떤 지식 체계이던 간에 지식을 둘러싼 사람과 사회의 이야기는 -물리학처럼 딱딱해 뵈는 것일지라도- 그 지식이 ‘그렇게’ 밝혀지고 ‘그렇게’ 발전해 오는 데에 많은 영향을 준다. 최근 과학사와 과학철학에 많은 인문/자연과학자들이 관심을 갖는 이유도 여기에 있다.



《곽영직 교수의 물리 5부작》은 단지 물리학의 공식만을 던져 놓고 설명하는 책들과는 전혀 다른 구성으로 정리되어 있다. 물론 물리학의 영역은 수학적인 공식과 따로 떨어져서는 설명하기 힘든 영역이지만, 단지 수학적 공식만으로 설명될 수 있는 영역은 아니다. 물리학 역시도 물리적 현상에 대해 관심을 갖고 삶을 바친 수많은 과학자들의 지적 열정과 호기심, 고안들이 서로 깨지고 보완하면서 이어져 온 지식의 영역이다. 《곽영직 교수의 물리 5부작》에는 물리학을 단지 공식으로 설명하려는 책이 아니라 물리에 대한 이해가 읽는 사람에게 균형 있는 교양의 영역이 될 수 있도록 물리학에 얽힌 풍성한 이야기를 함께 읽을 수 있도록 쓰였다.





“볼츠만은 원자나 분자들의 행동을 통계적으로 분석하여 열과 관계된 여러 가지 현상을 이해하는 데 크게 공헌한 과학자였다. 그리고 엔트로피를 새롭게 정의하여 통계물리학이라는 새로운 물리학의 기초를 닦은 사람이었다. 하지만 그는 원자의 존재를 부정하던 학자들에 의해 강한 반발을 받아야 했다. 실제로 측정할 수 없는 것의 존재를 인정하려 하지 않았던 과학자들 중에는 원자의 존재 자체를 부정하는 사람도 있었다. 당시 빈 대학은 그런 생각을 가지고 있던 학자들의 중심지였다. 따라서 원자의 존재를 바탕으로 여러 가지 열 현상을 설명하려던 볼츠만은 많은 어려움을 겪어야 했다. 이런 일로 정신적 어려움을 겪던 볼츠만은 1906년 자살하고 말았다.”

(
<열과 엔트로피>
, pp.121-122)



\"가난한 군인의 아들로 태어나 어렵게 자란 케플러는 뛰어난 수학적 재능을 갖고 있었다. 케플러가 위대한 관측 천문학자인 티코 브라헤를 만난 것은 그 자신은 물론 천문학 발전을 위해서도 커다란 행운이었다. ……브라헤가 죽자 그의 관측 자료는 케플러에게 넘어갔다. 뛰어난 분석 능력을 가지고 있던 케플러에게 이 자료들은 그야말로 귀중한 보물이었다. ……처음 행성 궤도를 알아낼 것이라고 큰소리를 쳤지만, 실제로 그 일을 해내는 데는 8년이라는 오랜 세월이 걸렸다. 케플러가 화성 궤도를 정하는 데 그렇게 오랜 시간을 보내야 했던 것은 좀처럼 깨뜨리기 힘든 벽을 허물어야 했기 때문이었다. 화성을 비롯한 모든 천체는 원운동을 해야 한다는 고정관념이 가장 큰 장애였다.“

(
<힘, 운동량, 에너지의 삼각관계>
, pp.30-32)





물론 물리에서 수학적 설명은 떼어 놓을 수 있는 것은 아니기 때문에 중요한 설명에 대해서는 따로 편집해 선택적으로 볼 수 있도록 편집했다. 하지만 기본적으로는 고전물리학이 현대물리학으로까지 발전해 오면서 빼놓지 않고 봐야할 가장 중요한 역할을 했던 과학자들의 이야기와 그 과학자들의 놀라운 발견과 실험, 공식들을 밝혔다. 이를 통해 물리학의 딱딱한 공식만을 던져놓은 것이 아니라 물리학의 각 영역에 얽힌 풍성하고 흥미로운 이야기를 읽으면서 물리학의 각 영역을 이해할 수 있도록 했다.






각 권 안에 들어 있는 내용




<힘, 운동량, 에너지의 삼각관계>



뉴턴 역학의 세 주인공인 힘, 운동량, 에너지의 삼각관계가 드러나다!



힘과 운동 사이의 관계를 새롭게 밝혀낸 뉴턴 역학은 300여 년 전인 1687년에 발표되었다. 힘, 운동량, 에너지의 관계에서 가장 핵심적인 역할을 하는 것은 힘이다. 힘을 가운데 두고 운동량과 에너지의 관계가 만들어지기 때문이다. 운동량의 시간적 변화율이 힘이다. 즉, 시간이 지남에 따라 운동량이 얼마나 빠르게 변해 가는지를 결정하는 것이 힘이다. 반면 에너지의 공간적 변화율도 힘이다. 즉, 거리에 따라 에너지가 어떻게 변해 가는지를 결정하는 것이 힘이다. 따라서 운동량과 에너지는 힘을 사이에 두고서, 운동량은 시간을 매개로 연결되어 있고 에너지는 공간을 매개로 연결되어 있다. 이 세 양은 역학의 기본 골격을 형성하고 있고, 모든 자연 과학의 기초를 이루고 있다. 이 책에서는 힘, 운동량, 에너지의 삼각관계를 따져 보면서 뉴턴이 제시한 역학에 대해 살펴본다.




<빛 물리학>



빛의 정체를 찾아가는 빛 물리학 이야기!



우리는 자연에 대한 정보 대부분을 시각을 통해 얻는다. 따라서 빛은 자연의 정보를 인간에게 전해 주는 전달자다. 인간은 오래 전부터 이 빛에 큰 관심이 있었다. 그 중에서 가장 중요한 주제는 빛의 정체와 속도에 관한 문제다. 그러나 이 두 문제 모두 인간의 감각으로 다루는 데는 어려움이 있었다. 빛은 인간이 그 정체를 알아내기에는 너무 작았으며, 빛의 속도는 인간이 측정하기에는 너무 빨랐다. 결국 많은 사람들이 관심을 기울였음에도 불구하고 긴 시간 동안 우리는 빛을 제대로 이해하지 못했다.

그러나 17세기가 시작되면서부터 사정이 달라지기 시작했다. 망원경과 현미경이 발명되어 사용되기 시작하면서 그동안 경험적으로 알고 있던 빛의 반사와 굴절에 대해 과학적으로 연구하고 분석하기 시작했다. 망원경을 발명한 리퍼세이, 그 망원경으로 하늘을 관찰한 갈릴레오, 광학을 완성한 뉴턴, 현미경을 이용해 코르크에서 세포막을 발견한 후크, 현미경으로 미생물을 관찰한 레벤후크까지. 과학자들은 새로운 도구를 이용해 하늘·인간·생물·사물들에서 새로운 사실을 발견했다. 이 책에서는 빛을 어떻게 이해했는지 그리고 그 이해에 도달하기 위해 어떤 실험을 했는지 역사적으로 확인하고 있으며, 빛을 이용해 어떤 도구들을 만들어 사용하고 있는지를 설명하고 있다.




<전기와 자기>



전기와 자기, 그리고 전기와 자기를 밝히려 했던 과학자들의 이야기!



우리 주위에서는 전기나 자기와 관계된 현상들을 쉽게 관측할 수 있지만, 전기나 자기를 일으키는 전자·양성자 같은 입자들은 아주 작아서 직접 관찰할 수 없다. 따라서 오랫동안 과학자들은 관측된 사실을 여러 방법으로 설명했다. 그들의 설명 방법 중에는 틀린 경우도 많았다. 그러한 긴 역사적 고찰과 실험을 통해 우리는 지금 전기와 자기에 대해 많은 것을 알고 있다. 이 책에서는 우리가 알고 있는 전기와 자기에 대한 지식을 바탕으로 오래 전의 과학자들이 전기와 자기를 이해하기 위해 노력했던 일들의 의미를 살펴본다. 그리고 21세기에 살고 있는 우리가 전기와 자기를 어떻게 사용하고 있는지 그 모습들도 다루고 있다.

자연에 존재하는 근본적인 힘은 네 가지다. 질량 사이에 작용하는 중력, 전하 사이에 작용하는 전자기력, 원자보다 작은 입자들 사이에 작용하는 두 가지 핵력 이렇게 네 가지다. 이중 전자기력은 우리 주변에 일어나는 대부분의 자연 현상을 지배하고 있다. 그러나 전기학과 자기학이 하나로 통합되어 전자기학이 된 것은 아직 200년도 되지 않았지만, 이 짧은 기간에 지난 수천년 동안의 변화보다도 더 급격한 발전을 이루었으며 이것은 전자기를 잘 이해하고 응용했기 때문이다. 이 책은 전자기학에 대해 거의 아무 것도 모르던 17세기부터 전자기학의 모든 것이 밝혀지는 20세기까지 과학자들이 어떤 생각을 가지고 어떤 실험을 했으며 어떻게 새로운 사실들을 밝혀냈는지를 다루고 있다.




<열과 엔트로피>



생명체는 마이너스 엔트로피다!



열을 다루는 물리학에서 가장 논쟁적인 주제는 열역학 제2법칙인 엔트로피 증가의 법칙이다. 만약 우주의 총 엔트로피가 최대가 된 다음에는 어떻게 될까? 우리는 어떤 값이 우주 엔트로피의 최대값인지 알 수 없다. 그러나 우주의 총 엔트로피가 최대가 된 후에는 우주에 어떤 변화도 일어나지 말아야 한다. 엔트로피가 최대값에 도달한 다음에 일어나는 변화는 엔트로피를 감소시킬 수밖에 없기 때문이다. 이렇게 아무 일도 일어나지 않는 상태를 열적인 죽음 상태라고 부른다. 순수하게 엔트로피 측면에서 본다면 우주는 엔트로피 값이 최대가 되는 열적 죽음 상태를 향해 간다고 볼 수 있다.

엔트로피를 이용해 생명체를 설명했던 사람은 양자물리학을 정립하는데 큰 공헌을 한 슈뢰딩거였다. 그는 《생명이란 무엇인가》라는 책에서 “생명체는 마이너스 엔트로피를 먹고 산다”라고 말했다. 이것은 생명체가 성장하면서 주위의 엔트로피를 증가시키는 대신 자신의 엔트로피를 감소시키는 것을 의미한다. 이 책에서는 열 물리학이 성립되는 과정을 역사적으로 따라가면서 열역학 제1법칙과 제2법칙을 다루고 있으며, 특히 물리학 밖에서도 많은 논쟁을 일으킨 ‘엔트로피’에 대해 자세히 설명하고 있다.




<양자 역학의 세계>



나노과학을 이해하고 싶다면 먼저 양자물리학을 알자!



20세기 물리학의 위대한 성과로 꼽히는 양자물리학. 그 안에 무언가 신비롭고 이해하기 어려운 것이 있다고 생각했다면 이 책을 읽어라. 이 책은 양자물리학의 시작을 알리는 1900년 플랑크의 에너지 양자화가설부터, 양자물리학을 정립시킨 1927년의 코펜하겐 해석, 최근 입자물리학의 핵심 주제인 쿼크에 이르기까지 양자물리학과 관련된 핵심 키워드들을 짚어가면서 차근차근 풀어내고 있다. 복잡하고 이상한 기호로 된 슈뢰딩거 방정식을 풀지 않아도, 이 간략한 책 한 권이면 양자물리학에 대해 큰 그림을 그릴 수 있을 것이다.

컴퓨터는 우리가 원하는 많은 정보를 전달해 준다. 먼 나라의 어느 도서관에 있는 사진을 불러다 보여주기도 하고, 오래전 노래를 들려주기도 한다. 그런가 하면 오늘 할 일들을 일러주기도 하고 여행할 곳의 지도를 미리 보여주기도 한다. 컴퓨터 속에서 이런 일을 하는 것은 전자들이다. 자판을 두드릴 때마다 많은 전자들이 전 세계를 다니면서 원하는 정보를 모아다가 화면에 보여준다. 전자들은 어떻게 우리가 시키는 일을 이렇게 잘하게 되었을까? 그것은 우리가 전자들이 어떻게 행동하는지를 알아내고, 그 지식을 바탕으로 전자들이 거역할 수 없는 지시를 내리기 때문이다. 그리고 전자들의 행동을 기술하는 역학이 바로 양자물리학이다.

<빛 물리학>

1. 반사와 굴절 그리고 광학기계
빛에 대한 고대의 관심 / 망원경과 현미경의 발견 / 반사법칙과 굴절법칙의 발견 / 거울과 렌즈가 만드는 상 / 안경

2. 빛의 입자설과 파동설의 논쟁
초기의 파동 이론 / 뉴턴의 색채이론과 미립자설 / 빛의 파동이론 / 빛의 전자기파 / 빛과 매질 / 광양자설 / 빛의 이중성

3. 빛의 속도는 얼마인가?
빛의 속도는 유한한가? / 뢰머의 공전 주기를 이용한 광속 측정 / 브래들리의 광행차를 이용한 광속 측정 / 피조의 톱니바퀴를 이용한 광속 측정 / 푸코의 회전하는 거울을 이용한 광속 측정 / 마이컬슨의 광속 측정 / 빛과 현대 물리학

이 책을 쓰는 데 참고한 책들
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<전기와 자기>

1. 정전기
전전기의 발견 / 물질의 구조와 마찰전기 / 정전기 / 정전기 없애기 / 정전기 이용하기 / 정전 유도와 분극

2. 전류의 발견
마찰을 이용한 기전기 / 전류의 발견 / 전류와 전자

3. 라이덴병의 발명
라이덴병의 발명 / 축전기 / 공중 전기와 피뢰침

4. 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
쿨롱의 법칙 / 옴의 법칙 / 물질의 전기저항 / 초전도체 / 전류가 하는 일 / 편리한 전기 에너지

5. 전지
볼타전지의 발병 / 여러 가지 형태의 볼타전지 / 편리하게 사용되는 여러 가지 전지

6. 전류의 자기 작용
전류의 자기 작용 / 앙페르의 법칙 / 전자석과 영구자석 / 지구 자기장 / 천체와 자기장

7. 전자기유도 현상의 발견
전자기유도 현상의 발견 / 발전기 / 전류가 받는 힘 / 교류와 변압기

8. 맥스웰 방정식과 전자기파
맥스웰의 생애 / 맥스웰 방정식 / 맥스웰 방정식과 전자기파 / 전자기파와 전자의 발견/ 빛과 전자기파

9. 전자의 발견과 전자공학
전자의 발견 / 전자의 크기 / 반도체 / 전가기학과 인류 문명

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<열과 엔트로피>

1. 물질과 열
물질의 상태 변화 / 기체의 상태 방정식 / 온도계 및 열량계 / 비열과 열용량 / 열의 전달 - 대류, 복사, 전도

2. 열과 열기관
열기관의 발달 / 와트의 증기기관 / 증기기관차의 발달 / 증기선의 발달

3. 열소설과 열기관
열소설 / 카르노와 코르노 기관

4. 열역학 제1법칙의 성립
열과 에너지의 관계를 밝혀내다 / 열역학 제1법칙 - 에너지의 보존법칙

5. 열역학 제2법칙
열역학 제1법칙으로 설명할 수 없는 문제들 / 클라우지우스와 열역학 제2법칙

6. 엔트로피와 열역학 제2법칙
엔트로피 증가 법칙

7. 엔트로피의 새로운 해석
온도의 분자운동론적 해석 / 엔트로피의 통계적 해석


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<힘, 운동량, 에너지의 삼각관계>

1. 힘과 운동의 관계가 밝혀지기까지
힘과 운동량 그리고 에너지 / 힘이란 무엇일까? / 고대 역학에서의 힘과 운동 / 움직이고 있는 지구 / 갈릴레오와 망원경 / 케플러와 생성 운동 법칙

2. 드러난 힘과 운동의 관계
관성의 법칙 / 가속도의 법칙 / 작용과 반작용의 법칙 그리고 관성력

3. 어떤 힘들이 있을까?
자연과 힘 / 중력 / 중력과 인공위성 / 땅속으로 들어가면 중력은 어떻게 될까? / 전자기력 / 마찰력 / 베르누이의 원리와 양력 / 부력 / 핵력 / 자연의 근본적인 힘과 힘들의 통일

4. 힘과 운동량
운동량은 왜 필요한가? / 운동량과 힘 / 운동량 보존의 법칙 / 반발력 / 우주 탐사선은 생성을 이용해 가속된다 / 상대성 이론과 운동량 보존 법칙

5. 힘과 에너지
에너지란 무엇인가? / 운동 에너지 / 위치 에너지 / 탄성 에너지 / 열역학 보존의 법칙 / 일의 원리 / 힘, 운동량, 에너지의 삼각관계

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<양자물리학의 세계>

1. 양자화된 물리량
연속적인 세상과 불연속적인 세상 / 흑체복사와 에너지의 양자화 / 원자모형의 등장 / 보어의 원자모형

2. 입자와 파동
광전효과와 광양자 / 콤프턴의 실험 / 드브로이와 물질파 이론

3. 양자물리학의 성립
슈뢰딩거와 파동역학 / 코펜하겐 해석 / 슈뢰딩거의 고양이 / 불확정성의 원리

4. 양자역학적 원자모형
원자모형과 양자수 / 원자 스펙트럼과 레이저

5. 원자핵의 구조
원자핵의 구성 / 방사성 동위원소와 원자력 / 방사성원소와 연대측정

6. 입자의 세계
새로 발견되는 입자들 / 렙톤과 쿼크 / 자연에 존재하는 힘

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