파인만의 물리학 강의2

리처드 파인만이 1961년부터 2년간 학부생들을 대상으로 강의한 내용을 편집하여 책으로 엮은 것이 바로 『파인만의 물리학 강의』이다. 파인만의 전설적인 강의가 책으로 나온 지 이미 40년 이상이 지나면서 물리적 세계에 대한 우리의 이해에는 많은 변화가 있었지만, 『파인만의 물리학 강의』는 그러한 세파를 견뎌 냈다. 물리학자 파인만의 진면목은 바로 이 강의록에서 나온다고 해도 과언이 아니다. 사물의 이치를 꿰뚫는 견고한 사유의 힘과 어느 누구도 흉내 낼 수 없는 독창적인 문제 해결 방식이 바로 이 책에서 마침내 빛을 발하고 있다. 파인만 특유의 물리적 통찰과 교수법 덕분에 처음 출간되었던 당시와 마찬가지로 그의 강의록은 오늘날에도 위력적이다. 이렇게 오랫동안 이토록 광범위한 영향을 끼친 물리학 책은 아마 없을 것이다.

volumeⅠ 역학, 복사, 열

volumeⅡ 전자기학, 물성

volumeⅢ 양자전기역학

volumeⅣ 강의에 딸린 문제 풀이 이번에 새롭게 발간된 『파인만의 물리학 강의: 개정판』은 그동안 발견된 1, 2, 3권의 모든 오류들이 정정되었으며, 출간 당시에는 세 권이던 것과 함께 새로이 제4권이 파인만의 물리학 강의 시리즈로 묶여 나왔다. 이 중 새롭게 출간된 제4권, 『파인만의 물리학 길라잡이(The Feynman Tips on Physics)』는 강의에 딸린 부록으로, 파인만이 문제 풀이에 대해 강의한 세 번의 강의와 관성 유도에 관한 한 번의 강의, 그리고 파인만의 동료인 로버트 레이턴(Robert B. Leighton)과 로쿠스 포크트(Rochus Vogt)가 마련한 문제와 해답으로 구성되어 있다. 파인만의 강의에 매료되었던 마이클 고틀리브(Michael Gottlieb)와 랠프 레이턴(Ralph Leighton)이 강의록에 누락된 네 차례의 강의와 음성 녹음, 그리고 사진 등을 찾아 복원하는 데 성공하여 탄생한 책으로서, 기존의 전설적인 강의록을 보충하기에 부족함이 없는 훌륭한 참고서이다.

(제1권은 2004년에 출간되었고, 제3권과 제4권의 한국어판은 출간 준비 중이다.)

『파인만의 물리학 강의Ⅱ』는 1권에 이어 우리나라에 처음 소개되는 파인만 물리학 강의의 완역본이다. 총 42개 장(chapter)으로 구성되어 있으며, 주로 전자기학과 물성에 관한 내용을 담고 있다.

파인만이 칼텍에서 학부생을 대상으로 강의한 기간 중 초반인 1961년에 진행했던 물리학 기초 과정은 『파인만의 물리학 강의』의 첫 두 권이 되었다. 이 강의의 끝 무렵인 1963년 5월에 파인만은 고급 양자론을 2학년 학생들에게 가르치는 모험을 했다. 여기에 제1권에 나오는 두 장과 1964년에 만들어진 부가적인 내용을 추가하여 제3권이 되었다(앞에서도 언급했듯이, 2005년에는 파인만이 문제 풀이와 관성 유도에 대해 강의한 내용을 묶어 제4권이 출간되었다).

파인만 스스로가 강의록에 대해 평가 내리길, 1권은 그런대로 잘된 강의, 2권은 평범한 강의, 그리고 3권은 학부생을 대상으로는 다시 하지 말아야 할 강의라고 하였다. 하지만 이러한 파인만의 다소 부정적인 평가와 세간의 평가는 좀 다르다는 점을 밝혀 둔다. 2, 3권의 주 내용이 파인만의 전공 분야라 할 수 있는 양자전기역학의 토대를 이루는 전자기학과 양자역학이라는 점을 상기하면 이러한 파인만의 자평을 액면 그대로 받아들이기는 어렵다. 실제로 2권은 여타의 전자기학 책에서는 찾아볼 수 없는 깊이 있는 내용들이 돋보이는 완성도 높은 전자기학 강의이며, 파인만 스스로도 강의록 곳곳에서 상당한 자부심을 드러내고 있다. 제2권의 체계상 특징을 잠시 언급하면, 제1장에 완전한 전자기학의 법칙이 제시되어 있어 강의 시작부터 전자기학을 통째로 손바닥 위에 올려놓고 보는 듯한 느낌이 든다. 2권의 나머지 부분도 노련한 길잡이 파인만의 안내를 받으며 즐겁게 공부할 수 있도록 세심하게 짜여졌다.

지은이 : 리처드 파인만

1918년 뉴욕 시 교외에 있는 파라커웨이라는 작은 마을에서 유대 인 세일즈맨의 아들로 태어났다. MIT를 졸업하고 프린스턴 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 1942년부터 원자 폭탄 제조를 위한 맨해튼 프로젝트에 참여했고, 1945년부터 1951년까지 코넬 대학교 교수로 재직했다. 1951년부터 1988

년 2월 세상을 떠날 때까지 캘리포니아 공과 대학의 교수로 일하면서 수많은 과학적 업적과 유쾌한 일화들을 남겼다. 양자 전기 역학 이론을 개발한 공로로 1965년에 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 저서로는 『파인만 씨, 농담도 잘하시네!Surely You're Joking, Mr. Feynman』, 『남이야 뭐라 하건!What Do You Care What Other People Think?』, 『파인만의 여섯 가지 물리학 강의Six Easy Pieces』, 『발견하는 즐거움The Pleasure of Finding Things Out』 등이 있다.

지은이 : 로버트 레이턴

현재 캘리포니아 공과대학 교수로 있다.

지은이 : 매슈 샌즈 

현재 스탠퍼드 대학 교수로 있다.

옮긴이 : 김인보 

1971년 서울 생. 서강대학교 물리학과를 졸업하고 동대학원에서 혼돈 및 비선형동역학 분야로 이론물리학 박사학위를 받았다. 2001년~2004년까지 서울시립대 양자정보처리연구단 책임연구원을 역임했고, 현재 배재대학교 광혼돈현상제어연구단의 연구교수로 있다.

리처드 파인만에 대하여

개정판에 붙이는 머리말

특별 머리말

리처드 파인만의 머리말

서문

CHAPTER 1. 전자기

1-1 전기력

1-2 전기장과 자기장

1-3 벡터장의 특성

1-4 전자기학의 법칙들

1-5 ‘장’이란 무엇인가?

1-6 과학과 기술에서 전자기학의 역할

CHAPTER 2. 벡터장의 미분

2-1 물리학의 이해

2-2 스칼라장과 벡터장―T, h

2-3 장의 도함수―그래디언트

2-4 ∇ 연산자

2-5 ∇의 적용

2-6 열 흐름의 미분 방정식

2-7 벡터장의 2계 도함수

2-8 조심할 점들

CHAPTER 3. 벡터장의 적분

3-1 벡터의 적분: 의 선적분

3-2 벡터장의 플럭스

3-3 정육면체에서 나오는 플럭스 : 가우스 정리

3-4 열전도: 확산 방정식

3-5 벡터장의 서큘레이션

3-6 사각형 둘레로의 서큘레이션 : 스톡스 정리

3-7 컬이 0인 장과 다이버전스가 0인 장

3-8 요약

CHAPTER 4. 정전기학

4-1 정역학

4-2 쿨롱의 법칙: 중첩

4-3 전기 퍼텐셜(전위)

4-4 E ＝－∇φ

4-5 E의 플럭스

4-6 가우스의 법칙과 E의 다이버전스

4-7 구형 전하에 의한 전기장

4-8 장선과 등퍼텐셜(등전위) 면

CHAPTER 5. 가우스 법칙의 응용

5-1 정전기학 = 가우스의 법칙 +

5-2 정전기장에서의 평형

5-3 도체에서의 평형

5-4 원자의 안정성

5-5 선전하 분포에 의한 전기장

5-6 평판 전하 분포: 두 개의 평판

5-7 구형 전하 분포: 구 껍질

5-8 점전하의 전기장은 정확히 에 비례하는가?

5-9 도체의 전기장

5-10 도체 동공 내부의 전기장

CHAPTER 6. 여러 가지 상황에서의 전기장

6-1 정전기 퍼텐셜 방정식

6-2 전기 쌍극자

6-3 벡터 방정식에 관한 한마디

6-4 그래디언트로 표현한 쌍극자 퍼텐셜

6-5 임의의 전하 분포에 대한 쌍극자 근사법

6-6 대전된 도체의 전기장

6-7 거울상을 이용하는 방법

6-8 무한 도체 평면 근처의 점전하

6-9 도체구 근처의 점전하

6-10 평행판 축전기

6-11 고전압 절연 파괴

6-12 장 방출 현미경

CHAPTER 7. 여러 가지 상황에서의 전기장(계속)

7-1 정전기장 계산법

7-2 2차원 전기장 : 복소 변수의 함수

7-3 플라스마 진동

7-4 전해질 용액 속의 콜로이드 입자들

7-5 그리드의 정전기장

CHAPTER 8. 정전기 에너지

8-1 균일한 구형 전하 분포의 정전기 에너지

8-2 축전기의 에너지. 대전된 도체에 작용하는 힘

8-3 이온 결정의 정전기 에너지

8-4 핵 내부에서의 정전기 에너지

8-5 정전기장의 에너지

8-6 점전하의 에너지

CHAPTER 9. 대기 중의 전기

9-1 대기 중의 전기 퍼텐셜 그래디언트

9-2 대기 중의 전류

9-3 대기 전류의 근원

9-4 뇌우

9-5 전하 분리의 메커니즘

9-6 낙뢰

CHAPTER 10. 유전체

10-1 유전 상수

10-2 분극 벡터 P

10-3 분극 전하

10-4 유전체의 정전기학 방정식

10-5 유전체의 전기장과 힘

CHAPTER 11. 유전체의 내부

11-1 분자 쌍극자

11-2 전자의 분극

11-3 극성 분자 : 배향 분극

11-4 유전체 공동에서의 전기장

11-5 액체의 유전 상수 : 클라우지우스-모소티 방정식

11-6 고체 유전체

11-7 강유전성 : BaTiO3

CHAPTER 12. 정전기학과 유사한 물리계들

12-1 방정식이 같으면 해도 같다

12-2 열 흐름 : 무한 평면 경계 근처의 점 열원

12-3 팽팽하게 당겨진 막

12-4 중성자의 확산 : 균질한 매질 내에 고르게 분포된 구형의 중성자원

12-5 비회전성 유체의 흐름 : 구의 주변을 흐르는 유체

12-6 조도 : 평면파 형태의 균일한 조명

12-7 자연에 내재하는 단일성

CHAPTER 13. 정자기학

13-1 자기장

13-2 전류 : 전하의 보존

13-3 전류에 작용하는 자기력

13-4 정상 전류에 의한 자기장 : 앙페르의 법칙

13-5 직선 도선과 솔레노이드에 의한 자기장 : 원자 전류

13-6 전기장과 자기장의 상대성

13-7 전류와 전하의 변환

13-8 중첩의 원리 : 오른손 규칙

CHAPTER 14. 여러 가지 상황에서의 자기장

14-1 벡터 퍼텐셜

14-2 이미 알고 있는 전류에 의한 벡터 퍼텐셜

14-3 직선 도선

14-4 긴 솔레노이드

14-5 작은 전류 고리에 의한 자기장 : 자기 쌍극자

14-6 회로의 벡터 퍼텐셜

14-7 비오-사바르의 법칙

CHAPTER 15. 벡터 퍼텐셜

15-1 전류 고리에 작용하는 힘 : 자기 쌍극자의 에너지

15-2 역학적 에너지와 전기적 에너지

15-3 정상 전류의 에너지

15-4 B와 A

15-5 벡터 퍼텐셜과 양자역학

15-6 정역학에서는 맞지만, 동역학에서는 틀리는 것

CHAPTER 16. 유도 전류

16-1 모터와 발전기

16-2 변압기와 인덕턴스

16-3 유도 전류에 작용하는 힘

16-4 전기공학

CHAPTER 17. 전자기 유도 법칙

17-1 전자기 유도의 물리학

17-2 “플럭스 법칙”의 예외

17-3 유도 전기장에 의한 입자의 가속 : 베타트론

17-4 역설적인 문제

17-5 교류 전원

17-6 상호 인덕턴스

17-7 자체 인덕턴스

17-8 인덕턴스와 자기 에너지

CHAPTER 18. 맥스웰 방정식

18-1 맥스웰 방정식

18-2 새로운 항의 효과

18-3 고전물리학의 모든 것

18-4 진행하는 전자기장

18-5 빛의 속도

18-6 맥스웰 방정식의 해법 : 퍼텐셜과 파동 방정식

CHAPTER 19. 최소 작용의 원리

특강―거의 실제 강의 그대로

강의 후에 추가된 주석

CHAPTER 20. 자유 공간에서 맥스웰 방정식의 해

20-1 자유 공간에서의 파동 : 평면파

20-2 3차원 파동

20-3 과학적 상상력

20-4 구면파

CHAPTER 21. 전하와 전류를 포함한 맥스웰 방정식의 해

21-1 빛과 전자기파

21-2 점전하에 의해 발생한 구면파

21-3 맥스웰 방정식의 일반해

21-4 진동하는 쌍극자에 의한 장

21-5 움직이는 전하에 의한 퍼텐셜 : 리나르트-비헤르트의 일반해

21-6 일정한 속도로 움직이는 전하에 의한 퍼텐셜 : 로렌츠 공식

CHAPTER 22. 교류 회로

22-1 임피던스

22-2 전원

22-3 이상적인 소자들로 구성된 회로망 : 키르히호프의 법칙

22-4 등가 회로

22-5 에너지

22-6 사다리 회로망

22-7 필터

22-8 그 밖의 회로 소자들

CHAPTER 23. 공동 공진기

23-1 실제의 회로 소자들

23-2 고주파 영역에서의 축전기

23-3 공진 공동

23-4 공동 모드

23-5 공동과 공진 회로

CHAPTER 24. 도파관

24-1 전송 선로

24-2 직사각형 도파관

24-3 차단 주파수

24-4 인도된 파동의 속도

24-5 인도된 파동의 관측

24-6 도파관 배관

24-7 도파관 모드

24-8 인도된 파동을 바라보는 또 다른 관점

CHAPTER 25. 전기동역학의 상대론적 표현

25-1 4차원 벡터

25-2 스칼라 곱(내적)

25-3 4차원 그래디언트

25-4 4차원 표기법으로 기술한 전기동역학

25-5 움직이는 전하의 4차원 퍼텐셜

25-6 전기동역학 방정식의 불변성

CHAPTER 26. 전자기장의 로렌츠 변환

26-1 움직이는 전하의 4차원 퍼텐셜

26-2 일정한 속도로 움직이는 점전하에 의한 장

26-3 장의 상대론적 변환

26-4 상대론적 표기법으로 나타낸 운동 방정식

CHAPTER 27. 전자기장의 에너지와 운동량

27-1 국소 보존

27-2 에너지 보존과 전자기학

27-3 전자기장 내의 에너지 밀도와 에너지 흐름

27-4 장 에너지의 모호성

27-5 에너지 흐름의 예

27-6 장 운동량

CHAPTER 28. 전자기적 질량

28-1 점전하의 장 에너지

28-2 움직이는 전하의 장 운동량

28-3 전자기적 질량

28-4 전자가 자신에게 미치는 힘

28-5 맥스웰 이론을 수정하려는 시도

28-6 핵력장

CHAPTER 29. 전기장 및 자기장 속에서의 전하의 운동

29-1 균일한 전기장 및 자기장 속에서의 운동

29-2 운동량 분석

29-3 정전 렌즈

29-4 자기 렌즈

29-5 전자 현미경

29-6 가속기 가이드 장

29-7 교대-그래디언트 포커싱

29-8 교차하는 전기장과 자기장 속에서의 운동

CHAPTER 30. 결정의 기하학적 구조

30-1 결정 내부의 기하학

30-2 결정의 화학적 결합

30-3 결정의 성장

30-4 결정격자

30-5 2차원 대칭성

30-6 3차원 대칭성

30-7 금속의 강도

30-8 전위와 결정의 성장

30-9 브래그-나이 결정 모델

CHAPTER 31. 텐서

31-1 분극률 텐서

31-2 텐서 성분의 변환

31-3 에너지 타원체

31-4 다른 텐서들 : 관성 텐서

31-5 크로스 곱(외적)

31-6 응력 텐서

31-7 고차 랭크의 텐서들

31-8 전자기 운동량의 4차원 텐서

CHAPTER 32. 밀한 물질의 굴절률

32-1 물질의 분극

32-2 유전체 내의 맥스웰 방정식

32-3 유전체 내의 파동

32-4 복소 굴절률

32-5 혼합물의 굴절률

32-6 금속 내의 파동

32-7 저주파 및 고주파 근사 : 침투 깊이와 플라스마 주파수

CHAPTER 33. 표면에서의 반사

33-1 빛의 반사와 굴절

33-2 밀한 물질 내의 파동

33-3 경계 조건

33-4 반사파와 투과파

33-5 금속에서의 반사

33-6 내부 전반사

CHAPTER 34. 물질의 자성

34-1 반자성과 상자성

34-2 자기 모멘트와 각운동량

34-3 원자 자석의 세차 운동

34-4 반자성

34-5 라모어의 정리

34-6 고전역학으로 반자성이나 상자성을 설명할 수 없는 이유

34-7 양자역학에서의 각운동량

34-8 원자의 자기 에너지

CHAPTER 35. 상자성과 자기 공명

35-1 양자화된 자기 상태

35-2 슈테른-게를라흐의 실험

35-3 라비의 분자 빔 방법

35-4 덩어리 물질의 상자성

35-5 단열 소자 냉각

35-6 핵자기 공명

CHAPTER 36. 강자성

36-1 자화 전류

36-2 장 H

36-3 자화 곡선

36-4 철심 인덕턴스

36-5 전자석

36-6 자발 자화

CHAPTER 37. 자성체

37-1 강자성의 이해

37-2 열역학적 성질

37-3 이력 곡선

37-4 강자성체

37-5 특이한 자성체

CHAPTER 38. 탄성

38-1 훅의 법칙

38-2 균일한 변형

38-3 비틀림 막대 : 층밀림 파

38-4 휘어진 보

38-5 갑자기 휘는 현상(좌굴 현상)

CHAPTER 39. 탄성체

39-1 변형률 텐서

39-2 탄성 텐서

39-3 탄성체 내부의 움직임

39-4 비탄성 거동

39-5 탄성 상수의 계산

CHAPTER 40. 마른 물의 흐름

40-1 유체정역학

40-2 운동 방정식

40-3 정상 흐름―베르누이의 정리

40-4 순환 흐름

40-5 소용돌이선

CHAPTER 41. 젖은 물의 흐름

41-1 점성

41-2 점성 흐름

41-3 레이놀즈수

41-4 원통을 지나는 흐름

41-5 점성→0의 극한

41-6 쿠에트 흐름

CHAPTER 42. 휘어진 공간

42-1 휘어진 2차원 공간

42-2 3차원 공간의 곡률

42-3 우리가 살고 있는 공간은 휘어져 있다

42-4 시공간의 기하학

42-5 중력과 등가 원리

42-6 중력장 안의 시계

42-7 시공간의 곡률

42-8 휘어진 시공간 속에서의 운동

42-9 아인슈타인의 중력 이론

역자후기

찾아보기