물리의 정석 - 고전 역학 편 -

호킹을 이긴 위대한 물리학자의
진짜 물리학

★ 스탠퍼드 대학교의 명강을 완벽 수록
(유튜브 누적 조회수 1000만 회)
★ 《월 스트리트 저널》 선정 ‘최고의 책’

파인만의 『물리학 강의』를 잇는 21세기의 필수 교양

올해 7월 유럽 입자 물리 연구소의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHC) 실험을 통해 새로운 입자가 발견되었다. 물리학자들은 이 입자가 우주의 4가지 기본 힘 중 하나인 강력 연구에 새로운 지평을 열어 줄 것이라 기대하고 있다. 힉스 입자에 이어 5년 만에 우주의 비밀을 풀어 줄 새로운 열쇠를 발견한 대형 강입자 충돌기는 둘레 27킬로미터, 연구 종사자 1만 명 이상의 규모를 자랑하는 ‘거대 과학’의 상징이다. 특히 입자 가속기 신규 건설 계획 발표는 천문학적 수치의 자본을 수반하는 물리학 연구들이 빠르게 보편화되고 있다는 사실을 말해 준다.
이러한 변화 속에서 물리학은 어느덧 현대인의 필수 교양이 되어 가고 있다. 이는 교육 과정에도 영향을 미쳐 2018년 융합형 과학 교육이 실시됨에 따라 문·이과 구분 없이 모든 수험생들이 과학 교과에 대비해야 한다. 게다가 2021학년도부터 실시되는 대학 수학 능력 평가에서는 과학 탐구 영역과 별개의 시험 과목으로 ‘통합 사회·통합 과학’이 추가되는 만큼, 과학 교육의 비중은 점점 더 늘어날 것이다. 그중에서도 물리는 탄탄한 수학 실력이 함께 요구되는 한편, 통섭의 시대상을 반영한 빅 히스토리 교육의 첫 장을 장식하고 있기도 하다. 따라서 과학 초심자와 수험생은 물론 기존의 ‘수포자’까지도 포괄할 수 있는 물리 입문서가 필요한 시점이다.
이미 20세기 서구 사회는 리처드 파인만(Richard Feynman), 칼 세이건(Carl Sagan), 그리고 레너드 서스킨드(Leonard Susskind) 등 정상급 물리학자들의 대중 강연을 통해 교양 물리 열풍을 경험한 바 있다. 특히 끈 이론의 대가이자 ‘블랙홀 전쟁’을 통해 스티븐 호킹(Steven Hawking)을 논파했던 레너드 서스킨드는 유튜브 채널 SITP(Stanford Institute for Theoretical Physics)에서 지금까지도 꾸준히 일반인을 위한 물리 강의를 제공하고 있다. 누적 조회수 1000만 회에 이르는 그의 유튜브 강의 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」은 고전 역학, 양자 역학, 특수 상대성 이론 등 모든 물리 분야에서 정수만을 추출해 모은 결정체로서 각광받고 있다. 특히 고전 역학 편은 미국에서 교양 학습서 『최소한의 이론(The Theoretical Minimum)』으로 출간되어 《월 스트리트 저널(Wall Street Journal)》 2013년 ‘최고의 책’으로 선정되는 등 수많은 매체들의 찬사와 독자들의 사랑을 받아 왔다. 또한 양자 역학, 특수 상대성 이론 등 후속 편들의 잇따른 출간과 흥행은 서스킨드 강의에 대한 꾸준한 수요 증가를 보여 준다. 이제 이것은 교양으로서, 그리고 시험 대비 과목으로서 물리 교육 열풍이 불고 있는 국내 과학 출판 시장에서도 더 이상 예외가 아니다.
이번에 ㈜사이언스북스에서 새롭게 펴낸 『물리의 정석: 고전 역학 편』은 서스킨드의 『최소한의 이론』을 국내에서 유일하게 번역한 책이다. 한국어판의 제목은 바둑 용어 중 공격과 수비가 균형 잡힌 최선의 수(手)를 뜻하는 정석(定石) 개념을 빌려온 것으로, 서스킨드의 ‘최소한의 이론’과 일맥상통한다. 나아가 원서의 수식과 그래프의 오류를 바르게 고쳐 보완했다. ㈜메가스터디 스타 강사 출신의 이범 교육 평론가, 대중이 사랑하는 과학 커뮤니케이터 김상욱 부산 대학교 교수 등이 극찬한 만큼, 물리를 처음부터, 혹은 다시 한번 제대로 배우려는 수험생과 대학생, 일반인에게 최고의 책이 될 것이다. 한편 저명한 물리학자이자 과학 필자인 이종필 건국 대학교 교수가 번역했다는 사실은 기존 물리 입문서들보다 정확하고 뛰어난 내용 수준을 보증한다. 이미 서스킨드의 다른 책 『블랙홀 전쟁(The Black Hole War)』을 번역 출간한 바 있는 이종필 교수와 서스킨드의 새로운 합작품을 기대해 보아도 좋다.

스탠퍼드 대학교의 수재들과 과학 마니아들이 선택한 물리 강의 첫 번째!

최소한의 이론은 여러분이 다음 단계로 나아가기 위해 꼭 알아야만 하는 것을 뜻할 뿐이다. 모든 것을 설명하는 백과사전식의 두꺼운 교과서가 아니라 중요한 것들은 모두 설명하는 얇은 책이다.―레너드 서스킨드, 「서문」에서

보통 일반인을 대상으로 하는 강의에서는 (특히 한국에서는) ‘최대한 쉽게’가 가장 중요한 미덕이다. 교양 과학책 또한 마찬가지이다. 하지만 이 책은 온갖 수식들로 가득하다. 서스킨드가 일반인을 위한 물리학 강의를 ‘수학을 써서 제대로’ 했기 때문이다.―이종필, 「옮긴이의 글」에서

스탠퍼드 대학교 물리학과 교수로 재직 중인 레너드 서스킨드는 현대 이론 물리학계를 주도하고 있다. 입자의 기본 단위를 점이 아닌 끈으로 가정해 양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합을 시도하는 끈 이론의 아버지로 평가받고 있다. 또한 블랙홀 상보성의 원리와 홀로그래피 이론 등을 통해 스티븐 호킹을 논파하기도 했다. 궁극의 이론을 향해 거침없이 전진하는 동시에 물리 대중화를 위해 끊임없이 고민한 그의 결론이 바로 이 책이다. 이 책은 현대 물리학의 양대 산맥인 양자 역학과 상대성 이론에 모두 통달한 물리학자가 대중을 자신의 세계로 초대하기 위해 보내는 안내서이다. 꼭 알아야만 하는 ‘최소한의 이론’을 학습함으로써 누구라도 현대 물리학의 세계로 향하는 첫 걸음을 내딛을 수 있다.
『물리의 정석: 고전 역학 편』은 장차 양자 역학, 특수 상대성 이론을 포함해 총 6편으로 출간될 『물리의 정석』 시리즈의 첫 번째 책이다. 물질의 이중성과 불확정성이 중요한 미시 세계의 양자 역학이나, 시간의 동시성이 깨지는 거시 세계의 상대성 이론과 달리 우리 일상 세계를 다루는 고전 역학은 독자들이 비교적 친근하게 다가갈 수 있을 것이다. 위치나 속도 등 관찰 대상의 운동 상태를 시간에 따른 함수로 만들어 미래를 예측하고자 했던 인류의 오랜 시도는 18세기 영국의 물리학자 아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 운동 법칙을 통해 결실을 맺었다. 물, 불, 흙, 공기 등 물질에 내재적인 성질을 부여하거나 지상계와 천상계의 운동을 근본적으로 구분하는 방식으로 자연 현상을 설명했던 이전의 자연 철학자들과 달리 뉴턴은 하나의 간결한 방정식 F = ma를 통해 세상 만물의 움직임을 설명했다. 자연 현상을 수학으로 정확하게 해석하는 고전 역학이 탄생하는 순간이었다.
이후 물리학의 급격한 발전은 근대 과학 문명을 탄생시키는 등 인류 역사에 지대한 영향을 미쳤다. 20세기 들어 양자 역학과 상대성 이론이라는 더 정확한 이론이 탄생했지만, 양자 역학의 플랑크 상수를 0으로, 상대성 이론의 빛의 속도를 무한대로 근사하면 결국 고전 역학이 된다는 대응 원리가 밝혀짐으로써 현재까지도 고전 역학은 물리학의 중추로 평가받고 있다. 물리학과 과학 기술 시대 전반을 이해하기 위한 출발점이 고전 역학이 될 수밖에 없는 이유다.

끈 이론의 창시자에게 직접 듣는 물리학의 정석(定石)!

이 책에서 우리는 다양한 양들이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 주로 다룰 것이다. 고전 역학의 대부분은 시간이 연속적으로 변함에 따라 부드럽게 변하는 것들을 다룬다. 연속적인 변화에 수학적으로 대처하기 위해 우리는 미적분이라는 수학을 사용한다.―본문에서

최소 작용의 원리는 물리학의 고전 법칙에서 가장 간결한 형태이다. 이 단순한 규칙이 모든 것을 요약한다! 고전 역학의 원리뿐만 아니라 전자기학, 일반 상대성 이론, 양자 역학, 화학에 대해 알고 있는 모든 것, 그리고 물질의 알려진 궁극적 구성 요소인 기본 입자에 이르기까지 그렇다.―본문에서

이러한 이유로 고등학교 물리 교과나 대학교 일반 물리학, 그리고 공무원 시험과 피트(PEET) 등의 물리 과목 첫 단원은 고전 역학이 차지하고 있다. 물리 교육의 중요성이 증대됨에 따라 융합형 과학 교육 시대의 수험생 및 대학생, 그리고 뒤늦게 시작하는 직장인을 위한 고전 역학 과정이 이 책에 마련되어 있다. 스탠퍼드 대학교에서 실시하는 일반인 교양 프로그램을 통한 강의 경험을 바탕으로 레너드 서스킨드는 체계적인 교육 과정을 준비해 놓았다. 부록을 포함해 총 12개의 강의와, 수학을 위해 적재적소에 배치된 막간 강의 3개로 구성된 이 책은 아무런 사전 지식이 없는 독자들이 자연스레 고전 역학의 개념과 최소한의 수학 지식, 그리고 운동 방정식 유도와 응용 실력을 키울 수 있도록 돕는다.
본문의 전반부에서는 뉴턴의 방정식 F = ma를 다룬다. 특히 미적분이 필수적으로 요구되는 만큼, 사전에 미적분 지식을 쌓을 수 있도록 2강 「운동」과 막간 강의 「적분법」이 마련되어 있다. 이에 앞서 미적분을 공부하기 위한 기초 실력을 쌓을 수 있도록 1강 「고전 물리학의 본성」의 막간 강의 「공간, 삼각법, 벡터」가 먼저 마련되어 있으니 걱정 없이 서스킨드의 강의를 따라오면 된다. 어느덧 미적분을 바탕으로 힘, 질량, 가속도의 개념을 이해하게 되었다면 뉴턴의 방정식이 완전히 새롭게 다가올 것이다. 세상 만물의 움직임을 설명하는 강력한 방정식을 온전히 이해함으로써 심미적 쾌감을 느껴 볼 수 있다.
물론 고전 역학은 뉴턴의 방정식에서 끝나지 않는다. 5강 「에너지」를 통해 힘과 질량에 기인하는 에너지의 개념을 정확히 깨닫고 나면 또 다른 고전 역학 세계가 눈앞에 펼쳐진다. 뉴턴과 동시에, 혹은 그보다 먼저 미적분학을 창시했다고 평가받는 고트프리트 라이프니츠(Gottfried Leibniz)를 필두로 유럽 대륙에서는 뉴턴과 독립적인 방식으로 자연 과학이 발전해 왔다. 이들은 만물의 움직임이 언제나 최소한의 변화를 수반하는 방향으로, 혹은 최단 경로로 이루어진다는 인류의 오랜 통찰을 발전시켜 ‘최소 작용의 원리’를 정립했다. 6강 「최소 작용의 원리」에서는 자연을 설명하는 이 막강한 원리가 소개된다. 그리고 더 중요한 것은 레온하르트 오일러(Leonhard Euler)와 조제프 라그랑주(Joseph Lagrange)가 이것을 수학적으로 전개시켜 유도한 오일러―라그랑주 방정식이다. 벡터(힘)를 사용하는 뉴턴의 방정식과 달리 간편한 스칼라(에너지)만을 사용해 물체의 운동을 추적하는 독특한 방정식을 만나 볼 수 있다. 뉴턴의 방정식과 대등한 가치를 가짐에도 대학교 전공 물리를 배우지 않고는 접할 수 없었던 흥미로운 내용을 확인할 수 있다.
후반부에서는 대칭성과 보존 법칙에 대한 논의를 바탕으로 제3의 운동 방정식인 해밀턴 방정식을 다룬다. 나아가 푸아송 괄호, 각운동량, 벡터 퍼텐셜, 게이지 변환 등으로 이어져 결국 양자 역학의 기초 논리에 도달하면서 강의는 끝을 맺는다. 이 부분은 본격적인 현대 물리학의 세계로 진입하고자 하는 이들을 위해 고전 역학과 양자 역학의 견고한 연결 고리가 되어 준다. 한편 부록 「중심력과 행성 궤도」는 우주론에 관한 『물리의 정석』 또 다른 편의 연장선상에 있다. 이 책을 모두 마친 독자는 이제 물리학의 첨단을 향해 나아갈 준비를 완료한 셈이다.

수험생, 대학생, 직장인인 당신이 반드시 알아야 할 물리의 핵심 원리

여러분이 잘 따라왔다면, 여러분은 ‘최소한의 이론’을 알게 된 셈이다. 다음 단계로 계속 나아가기 위해 고전 역학에 관해 알아야 할 모든 것 말이다.―본문에서

대충 읽어서 이해할 수 있는 책이 아니다. 하지만 그런 만큼 도전해 볼 만한 가치가 충분히 있다. 이 시대 최고의 물리학자가 안내하는 과학의 향연이라 더욱 그렇다. 대가의 숨결과 함께, 자연의 기본 원리를 수학의 언어로 맛보는 희열을 만끽하길 바란다. 건투를!―이종필

물리학의 넓은 영역에 걸쳐 핵심만을 모았기에 바쁜 일반인이 가장 먼저 찾아야 할 책이며, 간결하고 밀도 높은 내용을 담아 시험 대비를 위한 학습서로도 알맞은 책이다. 융합형 과학 교육 시대의 청소년들은 물리의 밑바탕을 견고하게 다질 수 있다. 특히 주요 대학들에서 고교 수준을 벗어나는 논술 문항을 상당수 출제하고 있는 요즘, 이 책을 통해 물리 전반을 조망하는 시각을 가짐으로써 능동적으로 입시에 대처할 수 있다. 뿐만 아니라 대학교 정기 시험이나 피트(PEET), 공무원 시험을 준비하는 대학생에게 유익한 교재가 될 수 있다. 제조업 및 IT 인력 수요 증가 현상에 맞추어 공학 복수 전공을 시도하는 인문계 전공생 역시 큰 도움을 받을 수 있다.
물론 쉽게 이해할 수 있는 책은 아니다. 자연 법칙을 설명하는 방정식들이 유도되는 논리 과정을 유심히 들여다보고 그것이 지니는 의미를 곱씹어 물리의 풍미를 느껴 볼 필요가 있다. 독자들이 이것을 스스로 해낼 수 있도록 유기적인 강의 체계와 연습 문제들이 뒷받침하고 있다. 유튜브 채널 SITP에서 제공하는 서스킨드의 ‘최소한의 이론’ 동영상 강의를 활용하면 더욱 효과적이다. 서스킨드의 강의는 바쁜 현대인과 수험생에게 유익한 교육 콘텐츠로서 인기를 누리고 있다. 공동 저자인 조지 라보프스키(George Hrabovsky)의 홈페이지(www.madscitech.org/tm)에서 제공하는 보충 설명, 연습 문제 풀이 역시 유익한 학습 보조 자료가 될 것이다. 그리고 출간 직후부터 번역자 이종필 교수가 구매 독자와 일반인을 위해 본문의 연습 문제들을 바탕으로 솔루션 연재를 시작할 계획이며, ㈜사이언스북스 홈페이지 및 SNS에서 매주 소개될 예정이다.
힉스, 중력파, 알파고, 원자력 등이 현재를 정의하는 키워드로 자리매김했지만 우리 대부분은 그것들을 진정으로 이해하지 못한다. 과학이 대중으로부터 점점 더 유리되고 있는 상황에도 불구하고 물리학이 필수 교양으로 받아들여져 활발한 대중화 움직임을 보이는 것은 세상의 구동 원리를 알고자 하는 사회 구성원들의 집단적 호기심에 기인한다. 물리, 그중에서도 고전 역학은 우리 주변 세계를 가장 직관적으로 이해할 수 있는 열쇠이다. 이 책을 통해 세상의 원리를 수학의 언어로 맛보는 희열을 느껴 보길 바란다.

저 : 레너드 서스킨드

Leonard Susskind

 스탠퍼드 대학교 펠릭스 블로흐 이론 물리학 교수. 끈 이론의 선구자로 유명하다. 1940년 뉴욕에서 태어나 자랐고, 성인이 된 후에는 아버지를 따라 배관공으로 일하기도 했다. 뉴욕 시티 칼리지 공학부를 졸업했고 코넬 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 1973년부터 스탠퍼드 대학교 이론 물리학 교수로 재직하고 있다. 지난 40년간 그는 양자 광학, 기본 입자 물리학, 우주론, 그리고 중력을 포함해서 이론 물리학의 모든 분야에 공헌했다. 1969년 난부 요이치로와 같은 시기에 강입자의 끈 이론에 도달했다. 블랙홀에 빨려 들어가는 양자의 정보의 사라진다고 주장하는 스티븐 호킹에 대항해 헤라르뒤스 토프트와 함께 정보는 사라지지 않는다고 주장했다. 후에 그는 쿼크 속박 이론(왜 쿼크가 강입자 내부에서 빠져나올 수 없는지), 중입자 생성(왜 우주는 반물질이 아니라 물질로 가득 차 있는지), 블랙홀 상보성 원리, 홀로그래피 원리 등 현대 물리학계를 뒤흔든 여러 개념들을 발견 해 냈다.
미국 국립 과학원과 미국 학술원 회원이며, 세계 최고의 이론 물리학 연구 기관 중 하나인 캐나다 페리미터 이론 물리학 연구소의 객원 교수이며 우리나라 고등과학원의 석좌 교수이기도 하다. 미국 물리학 협회가 주는 과학 저술상, 미국 물리학회가 입자 물리학 이론에 공헌을 한 사람에게 주는 J.J.사쿠라이 상, 뉴욕 과학원이 주는 보리스 프레겔 상 등을 받았다. 저서로는 이 책 외에도 『블랙홀 전쟁』, 『블랙홀, 정보, 그리고 끈 이론 혁명 개론』 등이 있다. 

저 : 조지 라보프스키

George Hrabovsky
비영리 과학 기술 시민 단체 메디슨 에어리어 사이언스 앤드 테크놀로지(Madison Area Science and Technology, MAST)의 대표로 활동하며 과학의 대중화를 위해 힘쓰고 있다.

역 : 이종필

1971년 부산에서 태어나 초·중·고교를 나왔다. 1990년 서울대 물리학과에 입학해 학생운동에 전념하며 학부시절을 보냈다. 1995년 동대학원에 입학하여 2001년 입자물리를 전공으로 박사학위를 받았다. 2001년부터 4년간 연세대 BK21 연구원으로, 2005년부터 1년간 고려대 연구조교수로 있었다.

2006년 5월 이후 현재까지 한국과학기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS) 물리학부에서 연구원으로 활동하고 있다. 섭동론적/비섭동론적 강력, 유효이론, 무거운 중입자의 성질, B-입자의 성질, 비입자의 성질 등을 연구하여 약 30여 편의 논문을 발표했다. 최근에는 약전기 대칭성 깨짐 등으로 연구 분야를 확대하고 있다. 2003년 이공계 위기, 2005년 황우석 사건 등을 계기로 『월간중앙』『한겨레』등 여러 매체에 과학과 사회의 관계에 관한 글을 기고하고 있다. 2007년부터 1년간 인터넷 신문『오마이 뉴스』시민기자 편집위원으로 활동하고 있으며, 문자문화원 등에서 강의하고 있다. 스티븐 와인버그의 『최종이론의 꿈』을 번역했다.