참된 물리학 지식을 추구하는 이라면
반드시 읽어야 하는 책

공간, 시간, 질량 및 에너지의 기본 개념에 대한 이해에 혁명을 일으켜 인류 최고의 천재라 불리는 알베르트 아인슈타인. 1년 동안 4편의 논문을 연달아 내놓아 물리학사에 ‘기적의 해’로 남은 1905년에 그는 자신의 최대 역작으로 평가받는 논문을 완성한다. 바로 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여(Zur Elektrodynamik bewegter K？rper)」이다. 아인슈타인은 움직이는 물체의 물리학에서 무엇을 읽어내고 이런 이름을 붙인 것일까? 그리고 왜 이 논문은 특수 상대성 이론의 탄생을 알리는 신호로 평가받았을까?
인류가 시간과 공간을 통합적으로 이해할 수 있게 만들어 주었다고 하는, 그 이름은 누구나 알지만 정확하게 이해하는 이는 드물었던 특수 상대성 이론. 2022년 3월 ㈜사이언스북스 신간으로 출간된 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 역학 편(Special Relativity and Classical Field Theory: The Theoretical Minimum)』은 특수 상대성 이론에 대해 이처럼 오랜 목마름을 품고 있던 독자를 위해, 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)의 인기 유튜브 강의 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」 중 특수 상대성 이론과 고전 장론 관련 강의 10개를 모은 책이다.
레너드 서스킨드는 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론 등 다양한 분야에 공헌한 현대 물리학의 대가다. 1940년 출생으로 여든이 넘은 나이에도 불구하고 여전히 첨단 연구와 대중 교육을 주도하고 있는 그는 2018년에는 스웨덴 스톡홀름 대학교에서 리사 랜들, 킵 손, 샐던 글래쇼 등 유수의 과학자들이 물리학자 오스카르 클라인을 기리는 의미에서 매년 주최해 온 강좌를 진행하고 기념 메달을 받았으며, 대한민국 고등과학원(KIAS)에서 석좌 교수로도 재직하고 있다.
「최소한의 이론」은 그가 2007년부터 스탠퍼드 대학교에서 진행한 최고의 인기 강의로 리처드 파인만, 스티븐 호킹과 어깨를 나란히 하는 대가의 관점에서 물리학의 전 분야를 통합하고 관통하며 그 정수를 소개한다. 물리학과 학부생이나 대학원생이 아니라 일반인을 위해 개설되어 스탠퍼드 대학교에서 별도 페이지가 생성되어 있는 이 강연은 6개의 핵심 과정(고전 역학, 양자 역학, 특수 상대성 이론과 고전 역학, 일반 상대성 이론, 우주론, 통계 역학)에 9개의 추가 과정을 더해 도합 138개의 동영상으로 이루어져 있고, 2022년 3월 기준 누적 조회 수 2000만을 돌파했다.
이중 첫 두 핵심 과정의 내용을 서적화한 책이 바로 2017년과 2018년에 국내에 번역 출간되어 물리학 마니아들의 입소문 속에 누적 판매 2만 부를 돌파한 『물리의 정석: 고전 역학 편』과 『물리의 정석: 양자 역학 편』이다. 이를 잇는 후속작 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』은 현대 물리학의 절대적 중심인 두 학문의 정수를 레너드 서스킨드가 직접 엮은 것으로, 여기에 미국 IT 기업 휼렛패커드(HP)에서 15년간 재직한 소프트웨어 공학자이자 실제 레너드 서스킨드의 스탠퍼드 대학교 평생 교육 프로그램 수강생인 아트 프리드먼(Art Friedman)이 공저자로 참여해 일반인 입장에서 독자들이 길을 잃을 수 있는 부분들을 세심하게 다듬었다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 전작의 방식과 논리를 그대로 유지하면서 고전 물리학의 가장 위대한 업적인 특수 상대성 이론과 뉴턴, 맥스웰 이론의 기초인 고전 장론을 연결하는 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』은 현장 연구자들이 필수적으로 사용하는 최소한의 개념과 원리를 정확하게 짚어 소개하는 ‘물리학의 정석(定石)’으로 참된 물리학 지식을 추구하는 이라면 반드시 읽어야 하는 책이다.

‘모든 것의 이론’을
향한 대가의 포석

맥스웰 이론에 얽힌 문제는 이 이론이 갈릴레오 갈릴레이가 처음으로 밝혔고 아이작 뉴턴이 명확하게 언급한 하나의 기본 원리, 즉 “모든 운동은 상대적”이라는 원리와 부합하지 않는 것처럼 보인다는 점이었습니다. 어떤(관성) 기준틀도 자신이 정지해 있다고 여길 자격이 여느 다른 기준틀보다 더 많지는 않습니다. 그러나 이 원리는 전자기 이론과는 불화를 일으킵니다. 전자기 이론은 빛이 초속 미터라는 고유한 속도로 움직인다고 예측합니다. 어떻게 모든 기준틀에서 빛이 똑같은 속도를 갖는 게 가능할까요? 어떻게 빛이 기차역이라는 정지틀에서도, 그리고 또 속도를 높이고 있는 기차라는 기준틀에서도 똑같은 속도로 움직일 수 있을까요?
-본문에서

부록을 포함해 총 13개의 강의와 막간 강의 1개로 구성된 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』의 목표는 전작에서 그동안 다루지 않았던 특수 상대성 이론의 영역인 빛을 설명하고, 이를 통해 특수 상대성 이론의 맥락에서 고전 장론을 바라보는 것이다. 이때 고전 장론은 파동, 하전 입자에 작용하는 힘 등을 다루는 전자기 이론이 된다. 이 목표를 위해 이 책은 19세기 중반 맥스웰 방정식-1905년 특수 상대성 이론으로 이어지는 시간적 순서 대신, 특수 상대성 이론을 먼저 설명하고 이 관점에서 전자기학을 기술하는 방식을 택한다.
책의 처음 3강의 주제인 특수 상대성 이론을 통해서 성립하는 길이 수축, 시간 팽창, 쌍둥이 역설 같은 놀라운 내용도 물론 흥미롭고 중요하지만, 상대성 이론의 더 본질적이고 큰 의미는 이 이론이 좌표를 변환하더라도 변하지 않는 물리 법칙을 이야기하고 있다는 점이다. 아인슈타인이 상대성 이론을 구상한 출발점도 바로 이곳이다. 특히 아인슈타인에게 각별했던 물리 법칙은 제임스 맥스웰이 19세기에 완성한 고전 전자기학이었다. 그래서 특수 상대성 이론 논문의 제목이 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여」였던 것이다. 움직이는 좌표로 변환하더라도 맥스웰 방정식으로 정리되는 전자기 이론이 그 모습을 그대로 유지할 것인지는 물리학에서 굉장히 중요한 문제이다.
서스킨드는 책의 4강부터 고전 장론의 기법을 이용해 바로 이 지점을 보여 주려 한다. 고전 장론을 이런 관점에서 고찰하는 것은 이후의 주제를 다루기 위한 사전 포석의 의미가 있다. 미래를 위한 무기를 미리 마련해 두는 셈이다. 책에서 전자기학과 고전 역학을 연결하는 고리로 사용되는 최소 작용 원리, 라그랑지안 구축, 해밀토니안 기법의 활용 등은 일반 상대성 이론이나 양자 장론, 끈 이론 같은 현대 물리학에서도 가장 핵심이 되는 요소이다. 서스킨드는 이 목적을 위해 고전 역학과 양자 역학, 상대성 이론을 자신의 표현대로 ‘다소 변칙적인’ 방법으로 아우르려 하고 있는 것이다.

로런츠 변환, 맥스웰 방정식, 게이지 불변을
자기 손으로 유도하는 즐거움

내 나름의 교수법은 과감하게 처음부터 맥스웰 방정식으로 시작하는 것이다. (심지어 학부생들도) 각각의 방정식을 붙잡고 그 의미를 분석하며 그런 식으로 쿨롱 법칙, 앙페르 법칙, 패러데이 법칙을 유도한다. 이는 맥스웰 방정식을 배우는 ‘찬물 샤워’ 스타일의 방법이지만, 학생들은 역사적인 방식으로 배울 때 수개월이 걸렸을 내용을 1~2주 안에 이해한다.
-본문에서

이 같은 서스킨드 특유의 강의를 한국 독자들에게 있는 그대로 전달하기 위해, 「물리의 정석」 시리즈 2권과 『블랙홀 전쟁』까지 사이언스북스에서 서스킨드의 저서를 전담하고 있는 이종필 교수가 이번에도 번역을 맡았다. 현재 건국 대학교 상허 교양 대학에서 재직 중인 이종필 교수는 스티븐 와인버그 『최종 이론의 꿈』을 번역한 이론 물리학자이면서, 『물리학 클래식』과 『이종필의 아주 특별한 상대성 이론 강의』 출간, EBS ‘상대성 이론으로의 초대’ 스타 강사 특강 등의 다양한 방식으로 대중에게 상대성 이론의 참뜻을 전달해 온 ‘글 쓰는 과학자’이기도 하다.
그만의 간결하고 정확한 번역에 더해, 이번에는 「고전 역학 편」 출간 이후 5년이라는 시간이 지난 시점에서 고전 장론 이해의 기초가 될 고전 역학 공부의 기억을 다시 되살리는 차원에서 당시 이종필 교수가 진행했던 1권의 인터넷 해설 강의를 사이언스북스 유튜브 채널에서 공개하고 있다. 이후에는 특수 상대성 이론과 고전 장론의 핵심을 짚어 주는 역자 특강이 오프라인에서 진행될 예정이다.
또한 이 시리즈의 강점 중 하나로 손꼽히는 것이, 바로 책 곳곳에서 독자들이 손수 과제를 풀며 이해할 기회를 제공해 주는 연습 문제이다. 이때 어려움을 겪는 독자를 위해 전작과 같이 ㈜사이언스북스가 제작하고 이종필 교수가 감수한 연습 문제 풀이집이 『물리의 정석 솔루션: 특수 상대성 이론과 고전 역학 편』이란 이름의 사은품으로 제공된다. 책에 ‘연습 문제’로 별도로 표시된 문제에 더해 저자가 본문 중에서 독자에게 과제로 남겨 둔 문제들의 풀이까지 모두 담은 이 소책자와 함께라면 서스킨드의 강의를 더욱 효과적으로 체득할 수 있을 것이다.

여러분의 물리학 모험은
이제부터 시작입니다

글쎄요. 조금 지나친 표현일지도 모르겠습니다만, 초심자에게 상대론적 세상은 위험한 퍼즐과 믿기 힘든 역설로 가득 찬 이상하고도 경이로운 유령의 집입니다. 하지만 그 여정이 힘들어질 때면 우리가 거기서 여러분의 손을 잡아 줄 겁니다. 미적분과 선형 대수학의 몇 가지 기본적인 기초 지식만 있으면 앞길을 헤쳐 나가기에 충분합니다.
-본문에서

유튜브 무료 강연 「최소한의 이론」을 통해 서스킨드가 품었던 꿈처럼, 2017년 한국판 1권 출간 이후 5년이라는 시간 동안 대한민국에서 손수 물리학에 도전하려는 사람들의 든든한 버팀목이 되어 준 「물리의 정석」 시리즈.
엔트로피, 반물질, 양자 역학이 영화 소재로 쓰이고(「테넷」) ‘원자 폭탄의 아버지’라 불리는 과학자의 전기 영화(「오펜하이머」)가 나오는 등 물리학이 현대인에게 빼놓을 수 없는 필수 교양으로 받아들여지고 있는 지금, 사이언스북스 신간 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』을 통해 전작들이 쌓아 놓은 기초 위에서 현대 물리학이 어디까지 왔고, 어디까지 갈 수 있을 것인지 알아보는 여행을 함께 떠나 보길 바란다. 사이언스북스 또한 이 책에서도 솔루션 배포, 역자 특강 등의 수단을 통해 사전 지식 없는 일반인부터 시리즈의 팬인 아마추어 물리학자까지 더한층 쉽게 물리의 풍미를 느낄 수 있도록 도울 예정이다.

서문 7
「특수 상대성 이론과 고전 장론 편」을 시작하며 13

1강 로런츠 변환 23
2강 속도와 4-벡터 103
3강 상대론적 운동 법칙 123
4강 고전 장론 169
5강 입자와 장 221
막간 이상한 단위 273
6강 로런츠 힘의 법칙 289
7강 근본 원리와 게이지 불변 355
8강 맥스웰 방정식 375
9강 맥스웰 방정식의 물리적 결과 421
10강 라그랑주로부터 온 맥스웰 451
11강 장과 고전 역학 489

부록 A 자기 홀극: 레니가 아트를 속이다 545
부록 B 3벡터 연산자 복습 565
옮긴이의 글 ‘모든 것의 이론’을 향한 대가의 포석 573
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