물리학에 대한 이해를 넘어 생명의 본질과 삶의 의미까지
사유하는 최고의 물리학 개론서!
물리학의 본질에 손닿는 바로 그 순간, 상상이 상식이 되는 과학의 세계로 빠져든다!


『최무영 교수의 물리학 강의』로 잘 알려진 서울대 물리천문학부 최무영 교수가 과학을 전공하지 않은 일반인들에게 들려주는 편안하면서도 깊이 있는 물리학 이야기. 물리학에 대한 ‘오해와 진실’로 짚어 보는 과학의 의미와 물리학의 본질, 물리학을 통해 밝혀진 우주와 물질에 관한 사실들, 나아가 혼돈과 복잡계로 대표되는 최신 물리학까지 담긴 이 책은 물리학을 제대로 이해할 수 있는 최고의 물리학 개론서이다. 한국 과학상을 수상하고 국제 학술지에 230편에 이르는 연구논문을 발표한 정상급 물리학자이자, 예술과 문화 전반에 관한 폭넓은 이해와 민감한 사회 문제도 회피하지 않는 신념을 보여 온 최무영 교수의 통찰이 더해진 ‘이야기’들은 물리학에 대한 이해를 넘어 생명의 본질과 삶의 의미까지 사유하게 한다.

흔히 과학은 오랫동안 수련을 받은 전문가, 곧 과학자만의 전유물로서 안타깝게도 일반인은 이해할 수도 없고 상관도 없는 분야로 여겨지는 경향이 있습니다. 하지만 무엇보다도 과학의 올바른 활용을 위해서 과학은 사회 전체의 공유물이 되어야 하며, 과학에 대한 관심과 이해는 사회 구성원으로서 필수적인 소양이라 할 수 있습니다. 이는 단순히 과학 지식이 아니라 진정한 합리주의로서의 과학적 사고를 뜻하는 것이며, 최근 우리 사회를 볼 때 더욱 절실하게 느껴집니다. _머리말에서

참 좋은데, 이 책 참 좋은데 더 많은 사람들이 끝까지 읽게 할 수 없을까?
“한국 최고의 물리학 바이블!”, “과학의 의미, 나아가 삶의 의미를 깨닫게 해 주는 참다운 과학책!”, “자연과학과 인문학으로 분절된 두 문화 사이에 훌륭한 다리를 놓았다.” 2008년 출간된 『최무영 교수의 물리학 강의』는 이 같은 찬사를 받으며 아시아태평양이론물리센터가 뽑은 ‘과학고전 50’에 선정되었다. 하지만 이러한 찬사에도 불구하고 이 책을 끝까지 읽은 사람은 많지 않았고, 다 읽었어도 제대로 이해한 사람은 더 적었다. 애초에 비전공자를 대상으로 한 강의 내용을 묶어 낸 일반인 대상의 교양서였지만 독자들이 느끼는 체감 난이도는 결코 교양서 수준이 아니었던 것이다. ‘이 좋은 책을 더 많은 사람들이 공감하며 끝까지 읽게 할 수 없을까?’ 기획자와 저자의 고민은 여기서 시작되었다.

7차례의 공식 인터뷰와 보충 인터뷰, 수차례의 이메일 질의응답으로 탄생한 진짜 일반인을 위한 교양서
저자는 과학자와 일반 독자 사이의 간극을 좁히기 위해 인터뷰를 활용했다. 과학저술가이자 기획자가 일반인의 눈높이로 질문하고 대화한 내용을 바탕으로 원고를 집필한 것이다. 1년 여 동안 7차례에 걸친 공식 인터뷰와 추가 질문을 위한 보충 인터뷰, 이메일을 통한 수차례의 질의응답과 원고 수정으로 마침내 완성된 『최무영 교수의 물리학 이야기』. 이 책은 우리시대 과학 고전을 선보였던 저자의 깊이 있는 통찰과 사색이 그대로 녹아들어 있으면서도, 일반인의 관심을 반영하고 수식을 거의 쓰지 않는 등 서술의 난이도를 조절하였기에 물리학을 전공하지 않은 일반인은 물론 청소년들까지도 큰 어려움 없이 읽을 수 있다. 정상급 과학자가 논문이나 전문서가 아니라 일반인들이 ‘편안하게’ 읽을 수 있는 교양서를 위해 이처럼 많은 시간과 노력을 투여하기란 쉽지 않은 일이다. “과학의 올바른 활용을 위해서라도 과학은 사회 전체의 공유물이 되어야 하며, 과학에 대한 관심과 이해는 사회 구성원으로서 필수적인 소양”이라는 저자의 신념과 지식인으로서의 책임 의식이 아니었다면 이런 책을 만날 수 없었을 것이다.

물리학 용어로 되살린 정확하고 아름다운 토박이말
최무영 교수는 우리말 우리글에 대한 인식의 변화를 촉구하는 뜻에서 물리학 용어를 한자나 영어가 아닌 토박이말로 쓴다. 전작인 물리학 강의를 통해 처음 토박이말 용어를 접한 독자들의 반응은 찬반이 팽팽했다. 교양서나 언론에서 흔히 사용되는 한자어(알고 보면 일본식 한자어가 대부분이다)나 영어 표현을 이미 알고 있던 독자들은 낯선 토박이말이 내용 이해를 방해한다고 지적했다. 하지만 물리학 용어나 개념에 익숙하지 않은 일반 독자들에게는 토박이말이나 한자어나 영어나 낯설긴 마찬가지이다. 아니, 오히려 선입견을 버리고 보면 ‘임계값’보다는 ‘고빗값’이 ‘창발’보다는 ‘떠오름’이 ‘적외선’보다는 ‘넘빨강살’이 더 쉽게 느껴진다. 실제로 복잡계의 핵심 요소인 ‘frustration’은 ‘쩔쩔맴’이라는 토박이말로 통용된다. 그럼에도 불구하고, 더 많은 사람들이 편안하게 읽었으면 하는 뜻에서 책 말미에 ‘물리학 용어 비교표’를 부록으로 실었다. 저자가 고심하여 고른 토박이말과 흔히 쓰이고 있는 ‘다른 표현’(교과서와 2016년 수정된 한국물리학회 용어집 참고)을 나란히 비교한 용어 비교표는 정확하고 아름답기까지 한 토박이말 용어에 익숙해지는 구실도 할 것이다.

물리학에 대한 오해와 진실에서 21세기 물리학까지, 총 3부로 구성된 최고의 개론서
1부. 물리학, 오해와 진실 _내가 아는 그 물리학 맞아?
물질, 생명, 경제, 사회까지 물리학의 대상이라고? 상상력이 물리학의 원동력이라니! 대통령이 과학을 공부해야 하는 까닭 등 1부에서는 물리학에 대해 흔히 지니고 있는 오해를 짚어 보면서 과학의 의미와 성격, 물리학의 특징, 물리학의 연구 방법을 살펴보고, 보편원리를 추구하는 물리학의 본질을 들여다본다.
2부. 물리학자들은 무엇을 질문하고 무엇을 알아냈을까? _물리학이 밝혀낸 것과 아직 모르는 것에 대해서
시공간과 우주/ 물질의 구성/ 물질의 상태, 총 세 개의 장으로 이루어진 2부에서는 물리학의 핵심 주제라 할 수 있는 우주와 물질에 대해 지금까지 물리학자들이 연구한 내용을 소개한다. 우주에 대한 끊임없는 탐구는 별들의 일생, 대폭발, 불어나는 우주, 검정구멍, 양자역학, 상대성이론, 중력파 검출 등 많은 성과를 이루었고, 물질을 이루는 기본 입자와 힘들도 ‘표준모형’으로 완성되었지만 이것으로 밝혀진 것은 우주의 5% 미만, 95% 이상을 구성하는 어둠물질과 어둠에너지가 무엇인지 아직 모른다는 사실을 아는지! 아울러 자연에 존재하는 대칭성과 자연현상을 설명하는 자연법칙의 대칭성에 대해서도 알아본다.
3부. 21세기 물리학 _ 물질?생명?사회를 아우르는 통합 과학의 가능성
물리학의 미래/ 혼돈의 가장자리, 복잡성과 복잡계/ 복잡계로 이해하는 생명/ 복잡계로 이해하는 사회, 총 네 개의 장으로 이루어진 3부에서는 엔트로피와 정보, 위상수학적 상전이, 혼돈 현상과 복잡계 등 물리학의 새로운 경향을 살펴보고 그중에서 특히 복잡계 물리학을 통해 물질과 생명과 사회를 아우르는 통합과학의 가능성을 제안한다. 복잡계 패러다임을 이용한 생명과 사회 현상의 최신 연구도 소개하고 있다.

아무런 관련이 없어 보이는 무수히 많은 현상들, 그것들을 하나로 엮어서 한 가지 틀로 해석할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이고 흥미로운 것이죠. 그것이 보편지식을 추구하는 물리학의 매력입니다. _18쪽

모든 자연현상을 속속들이 까발리다 보면 언젠가는 물리학으로 모두 설명되어 상상의 여지는 남지 않게 되는 것 아닐까요? 그렇지 않습니다. 물리학은 끝나지 않을 것입니다. 예술이 끝나지 않는다면 물리학도 끝나지 않는다고 이야기할 수 있습니다. 왜냐하면 예술과 마찬가지로 물리학의 원동력도 상상력이기 때문입니다. _22쪽

최근에 암호화폐(가상화폐)와 지진 문제도 그렇고, 무엇이든 생각나는 것을 보면 과학과 관련되지 않은 것이 없는 듯합니다. 그러니 현대사회가 얼마나 과학에 의존하고 있는지 알 수 있지요. 그런데 국가 정책을 결정하는 사람들이 과학에 대해 전혀 모른다면 사회의 유지와 발전 그리고 우리의 미래에 있어서 얼마나 치명적일까요? 정책을 결정하고 실행하는 사람들이 과학을 모르면 이러한 과학적인 문제들이 과학이 아니라 비과학적, 때로는 아예 반(대)과학적인 방식으로 논의되고, 결국 갈등을 만들어 커다란 사회적 비용을 지불하게 됩니다. _35~36쪽

서양의 근대과학에서 우주는 물질이 존재해서 자연현상을 일으키는 무대였습니다. 다양한 자연현상이 벌어지는 곳이 바로 우주이지요. 그런데 현대과학에서는 우주를 자연현상의 단순한 무대라기보다 현상과 서로 묶여 있는 것으로 생각하며, 나아가 현상 자체라고 생각합니다. _69쪽

아우구스티누스는 “시간이란 바로 하느님이 창조한 우주의 속성이다.”라고 대답했다고 전합니다. 무슨 뜻일까요? 하느님이 천지를 창조하기 전에는 시간이라는 게 없었다는 뜻입니다. 그러니 ‘천지 창조 이전’이란 말 자체가 성립할 수 없다, 이런 뜻이지요. 놀랍게도 이는 오늘날 물리학에서 생각하는 시간 개념과 똑같습니다. 대폭발과 함께 시공간이 탄생한 거니까 대폭발 이전이라는 개념은 성립할 수 없어요. 시간이라는 것 자체가 아예 없었으니까요. _81쪽

대칭은 자연현상의 해석에서 매우 중요한 개념입니다. 물리학에서 가장 핵심적인 개념이라고 해도 과언은 아닐 듯해요. 자연현상을 이해하고 해석하려는 물리학의 목적을 위해서 가장 큰 전제는 모든 자연현상은 물질현상이라는 겁니다. 물질을 이루는 구성원들이 있고 그들 사이의 상호작용으로 모든 자연현상이 생겨난다고 전제하고 자연에 대한 해석을 시도합니다. 이때 자연의 해석에서 기본이 되는 사고의 틀로써 대칭이라는 개념을 도입하지요. 다시 말해서 자연에는 기본적으로 대칭성이 있다고 보자는 것입니다. -144쪽

과학자들의 우스개로 “χ가 무엇인지 아무도 모른다.”라는 말이 있거든요. χ에 넣을 수 있는 것으로 빛, 엔트로피, 양자역학을 들 수 있고, 또 하나가 바로 물입니다. 물이 무엇인지 아무도 모른다니, 매우 역설적이네요. 그렇게 친숙하고 중요한데, 늘 옆에 있고 언제든 보고 만질 수 있는데 아무도 모른다니…. 실제로 물은 아주 특이한 물질입니다. 물에 관해서 다 아는 것 같지만, 물에는 모두 67가지의 이해하기 어려운 성질이 있다고 해요. 154~155쪽

생명체를 이루는 분자들은 자연에 존재하는 보통의 분자들이거든요. 중요한 흰자질(단백질) 분자도 분자량이 클 뿐이지 특별히 다른 점은 없습니다. 분자만 봐서는 생명과의 관계를 전혀 찾아볼 수 없지요. 그런데 많은 수의 흰자질 분자와 지질, 이온 그리고 물 분자들이 적절히 모여서 세포라는 집단을 형성하면 생명이라는 놀라운 현상이 떠오릅니다. 비유하자면 점묘법을 써서 그린 그림에서 붓 자국 하나하나만 볼 때는 아무런 의미가 없으나 전체적으로 보면 사람의 얼굴이 떠오르는 것과 비슷하다고 할까요. _164쪽

물리학이 리어왕 신세가 될 거라고 생각하는 사람들은 대체로 자연현상을 환원론reductionism 입장에서 바라보는 듯합니다. 현상을 이해하기 위해서 개개의 구성요소로 나누어 분석하고 다룰 수 있다는 생각이지요. 지식체계도 마찬가지로 구성요소로서 근본적인 이론이 존재하고, 다른 이론은 그것으로 나타낼 수 있다, 곧 환원될 수 있다고 생각하는 것입니다. 그런데 과연 그럴까요? _172쪽

사람은 자연을 이해하기 위해 자연을 관찰하고 가설을 생각해 내고 실험으로 검증하면서 물리학의 보편지식 체계, 이론을 만들어 왔어요. 그리고 그런 이론을 기반으로 자연현상을 이해하고 해석해 왔지요. 따지고 보면 물리학 이론도 사람의 창작물인 셈입니다. 그러니 우리는 자연의 본질을 발견, 다시 말해서 찾아내 왔다기보다 오히려 자연에 대한 해석을 발명, 곧 만듦으로써 자연을 구성해 왔다는 생각이 더 적절하지 않을까요?_180쪽

질서와 혼돈이 가치 관념을 지닌 것은 아니지만 흔히 질서가 좋고 혼돈이란 무언가 나쁘다는 느낌을 받기 쉽습니다. 그런데 과연 질서가 언제나 좋을까요? 질서는 대체로 경직성을 수반합니다. 역사적으로 질서정연한 사회로는 히틀러 치하의 독일과 군국주의 시대의 일본, 그리고 유신 시대의 한국 등을 들 수 있겠는데 모두 얼마 가지 못하고 무너졌지요. 이렇듯 질서정연한 전체주의 사회와 달리 개인주의 사회는 혼돈스러운 면을 피하기 어려운데 이러한 혼돈은 도리어 유용하다고 할 수 있습니다. 환경 변화에 유연하게 응답하며 적절한 안정성을 유지하게 하지요. _205쪽

실제로 완벽한 질서와 생명은 양립할 수 없습니다. 생명현상은 당연히 무질서하지 않지만 그렇다고 질서정연하지도 않아요._206쪽

복잡성은 떠오름의 각 단계마다 새로운 상세함과 다양성을 보이게 됩니다. 특히 개개 요소는 전체에 종속되거나 묶여 있지 않지만 제멋대로 거동하지도 않아요. 곧 각 구성원은 적절한 자율성을 지녀서 충분히 자유로우나 상호작용을 통해 서로 참여해서 결맞는 전체를 이루게 되지요. 이에 따라 결국 전체가 각 부분에 있고 각 부분이 전체에 있다고 할 수 있습니다. _212~213쪽

기획의 글 최무영 교수와 함께한 화요일 4
머리말 과학에 대한 올바른 인식을 위하여 8

1부. 물리학, 오해와 진실
매우 실용적이거나 너무 거창하거나? 19
생물학과 생물물리학의 차이는? 20
서울대 물리학과 최무영입니다, 인사하면... 23
물리학의 방법: 동역학과 통계역학 24
물리학은 상상을 허락하지 않는다? 30
대통령이 과학을 공부해야 하는 까닭 34
과학의 위력은 어디서 오는가? 41
무엇이 과학인가? 43
물리학자가 버스에 승객들이 타고 내리는 걸 연구한다고? 45

2부. 물리학자들은 무엇을 질문하고 무엇을 알아냈을까?

1. 시공간과 우주
인간의 내재적 욕망과 불안56
혼돈에서 질서로, 우주관의 변화 57
천문학과 물리학의 만남, 천체물리의 탄생 60
별의 일생과 우주에 존재하는 다양한 물질 상태 62
우주는 단순한 무대가 아니다 68
우주는 무엇을 숨기고 있을까? 75
대폭발에 대해서 78
물리학자들은 우주에 관해 무얼 더 알아내려고 할까? 81
다중우주, 뭇세계 86

2. 물질의 구성
물질이 뭐냐면... 94
물질의 기본 단위, 원자를 생각하다 96
원자는 실제로 존재한다! 98
열을 원자들의 운동으로 이해한 볼츠만: 통계역학으로 열역학과 동역학을 연결하다 103
시간되짚기와 엔트로피 106
물질을 구성하는 기본 입자, 쿼크와 경입자 112
경입자, 중간자 중입자 118
물질을 이루는 구성원들 사이의 네 가지 상호작용 122
게이지입자와 힉스입자 126
입자들은 얼마나 오래 살까? 130
여전히 많은 물질은 어둠 속에 있다 131

3. 물질의 상태
물질의 상태는 집단적 성질이다 137
우리 주위에 있는 대부분의 물질은 응집물질 139
기체와 고체 그리고 액체 141
자연의 대칭성 144
고체는 대칭성이 깨진 상태! 148
대칭성으로 보면 물과 수증기는 같다! 151
물이 무엇인지 아무도 모른다 154
기체인 듯 기체 아닌, 고체인 듯 고체 아닌, 복잡한 물질의 상태 157
부분을 모두 안다고 전체를 알 수 있는 건 아니다 161
자연현상을 이해하는 새로운 관점: 떠오름 163

3부. 21세기 물리학

1. 물리학의 미래
물리학은 리어왕 신세가 될 것인가? 170
구성이 환원된다고 속성까지 환원되는 것은 아니다 172
물리학은 자연의 근본 원리를 찾아내는 것인가, 자연에 대한 해석을 만들어 내는 것인가? 178
힉스입자의 발견과 중력파 검출, 그 다음은? 180
환원론을 넘어서: 총체론 그리고 엔트로피와 정보 187
단팥빵과 도넛과 프레첼: 물질의 상태를 이해하는 새로운 시각 191
‘꼭대기에서 아래로’가 아니라 ‘밑바닥에서 위로’: 물리학의 지평이 넓어지고 있다 197

2. 혼돈의 가장자리, 복잡성과 복잡계
질서와 혼돈 200
복잡계란 무엇인가? 207
정의할 수 있다면 더 이상 복잡성이 아니다! 210
전체가 부분에 있고, 부분이 전체에 있다 212
쩔쩔맴: 복잡성의 재료 215
복잡계를 연구하는 방법 219

3. 복잡계로 이해하는 생명
생물학과 물리학의 만남 222
생명이란 무엇인가: 생명현상의 본질을 찾아서 224
복잡계로 보는 생명현상 230

4. 복잡계로 이해하는 사회
사회과학과 물리학의 만남 240
복잡계 관점에서 보는 사회현상의 떠오름 244

맺음말 물질 생명, 사회: 통합과학의 모색 253

우리말 용어 비교표 258
찾아보기 261

과학과 현대사회의 발전에는 과학적 사고, 곧 합리적이고 비판적인 사고와 함께 자유로운 상상력이 중요합니다. 상상력을 통해서 과학이 발전하고, 새로운 창조도 가능해지지요. 지능정보사회라 일컬어지는 21세기의 현대사회에서 인문학과 과학, 예술, 사회와 삶 등에 대한 폭넓은 인식이 더욱 강조되는 이유도 여기에 있습니다. 실제로 사회현상뿐 아니라 문학과 예술도 복잡계 관점으로 해석하려는 시도가 생겨나고 있지요._맺음말에서