물질의 물리학

“모든 물질은 양자 물질이다. 우리 몸과 빛조차도!”
현대물리학의 가장 큰 분야, 응집물질물리학을 소개하는 최초의 교양서!
★★★김민형, 김필립, 염한웅, 이상욱 교수 추천

현대물리학에서 가장 큰 분과인 응집물질물리학을 대중에게 소개하는 책. ‘응집물질’이란 말 그대로 액체나 고체처럼 입자 간 상호작용이 강한 물질로, 반도체, 금속, 자석, 초전도체 등 우리가 사는 세상에서 가장 흔한 형태의 물질이다. 한국물리학회 회원 중 약 4분의 1, 미국물리학회 회원 중 약 3분의 1이 응집물질물리학 연구를 하고 있다. 이 정도면 ‘물질의 물리학’을 대중에게 소개하는 책 한 권 정도는 있을 법한데, 국내는 물론이고 과학 선진국이라고 하는 국가를 통틀어도 그런 책을 찾기는 매우 어렵다. 다루는 내용이 무척 넓고 다양해서 양자역학, 전자기학, 통계역학의 법칙들을 두루 이용하기도 하거니와 대중에게 수학을 배제한 채 일상의 언어만으로 물리학 이론을 설명하는 데는 한계가 있기 때문이다. 이런 고난도 작업을 이론물리학자 한정훈 박사는 30여 년의 연구 경험과 2016년 지도교수의 노벨 물리학상 수상이 계기가 된 대중 강연과 글쓰기 경험을 바탕으로, 이 책에서 능숙하게 해낸다. 탁월한 스토리텔링과 비유를 곁들여 직관적이면서도 정확하고 자세한 설명을 따라가다 보면 현대물리학의 큰 흐름을 맛볼 수 있을 것이다.

세상 만물은 물질로 이루어져 있다.
그런데, 물질이란 무엇인가?
고대 그리스 시대부터 제기된 궁극의 질문,
불과 백여 년 전 발견된 양자역학과 함께 정답이 쏟아지기 시작했다!

이 책은 총 아홉 개의 장으로 구성되어 있다. 각 장에서 다루는 내용을 간략히 소개하면 다음과 같다.
1장 ’최초의 물질 이론‘에서는 4원소설로 대표되는 고대 그리스의 물질관과 현대의 양자역학적 물질관을 비교, 소개한다. 2장 ’꼬인 원자‘에서는 양자역학이 탄생하기 직전 유행했던 흥미로운 원자론을 소개하면서, 위상수학적 개념이 물리학 역사에서 부침을 거듭하면서도 어떤 유익한 발전을 가져왔는지 살펴본다. 3장 ’파울리 호텔‘에서는 물질을 호텔에 비유하여 양자역학적으로 물질을 구분하는 방법을 설명한다. 왜 어떤 물질은 전기가 통하고, 어떤 물질은 그러지 못하는지 양자역학적 관점에서 알 수 있다. 4장 ’차가워야 양자답다‘에서는 저온 물리학의 개척자 카메를링 오너스를 소개한다. 절대영도에 가까운 극저온 상태에서 물질의 양자역학적 성질은 극명하게 드러난다. 5장 ’빛도 물질이다‘에서는 빛과 물질은 서로 다른 대상이란 통념이 어떻게 깨졌는지 서술한다. 빛도 물질이라는 자각을 통해 비로소 양자역학의 토대가 놓였다고 할 수 있다. 6장 ’양자 홀 물질‘에서는 대표적인 위상수학적 물질인 양자 홀 물질의 발견과 이론의 발전이 100년이 넘는 기간을 통해 이루어진 과정을 소개한다. 7장 ’그래핀‘에서는 저자의 중학교, 대학교 1년 선배인 세계적인 그래핀 과학자 김필립 교수 이야기를 개인적인 관점에서 다룬다. 물질에는 2차원, 1차원 물질도 있다는 사실을 알 수 있다. 그래핀이 바로 대표적인 2차원 물질이다. 8장 ’양자 자석‘에서는 자석에 대한 양자역학적 이해와 응용의 역사를 다룬다. 자석은 장난감이 아니라 가장 양자역학적인 물질인 동시에 중요한 정보 저장 장치이다. 특히 이 장에는 저자의 연구가 〈네이처〉에 실리기까지의 과정이 생생하게 담겨 있어, 물질을 연구하는 물리학자는 무엇을 꿈꾸고 어떻게 연구하는지 간접적으로 느껴볼 수 있다. 9장 ’위상 물질 시대‘에서는 현재 진행 중인 첨단 양자 물질 물리학 분야를 소개한다.

물질을 이루는 원자, 그 원자를 이해하는 유일한 도구 양자역학
탁월한 스토리텔링과 독창적인 비유로 이해하는 양자 물질의 역사

현대물리학의 근간이 되는 양자물리학이 이 우주를 구성하는 물질을 어떻게 설명하는지 비전공자에게 명쾌하게 설명한다는 것은 정말 어려운 일이다. 그런데 저자는 탁월한 스토리텔링과 독창적인 비유로 이를 능수능란하게 해낸다. 예를 들면 물질을 호텔에, 물질 속의 전자를 그 호텔의 투숙객에 비유하는 3장 ’파울리 호텔‘이 그렇다. 파울리 호텔에는 설계도(양자역학)도 있고, 운영 방식(배타원리)도 있다. 투숙객(전자)들은 위아래층(전자의 에너지 정도)을 오르내리고, 복도에는 구멍이 뚫려 있어 아래층으로 내려오려면 이 구멍으로 떨어져야 한다. 떨어지면서 쿵, 꽈당 등 다양한 소리(빛)도 낸다. 흥미로운 비유를 곁들여 읽다 보면 양자역학, 분광학, 전자기학 지식에 자연스럽게 익숙해진다.
또한 이 책에는 수많은 물리학자가 등장한다. 그중에서도 양자 물질의 역사에서 빼놓을 수 없는 인물이 네덜란드의 과학자 카메를링 오너스다. 뉴턴 법칙이 진공이라는 극단적인 환경에서 제대로 입증되는 것처럼, 물리학의 원리를 제대로 보기 위해서는 극한의 환경이 필요하다. 이런 맥락에서 물질의 양자적인 속성은 저온 상태에서 더 잘 드러나는데, 이 문제에 결정적인 기여를 한 것이 바로 오너스가 만든 냉장고다. 오너스가 1882년 29세의 나이로 레이던대학교의 교수로 취임할 때까지 액화시키지 못한 유일한 기체는 헬륨이었는데, 오너스는 이 주제를 파고들어 그로부터 26년 후 액체 헬륨을 얻는 데 성공한다. 어떤 물질이든 절대영도(섭씨 영하 273.15도) 근방까지 낮출 수 있는 ’절대 냉장고‘가 탄생한 것이다. 이 냉장고는 20세기 전반에 걸쳐 양자 물질의 비밀을 풀어내는 데 필요한 단서를 하나씩 제공해주었다.
이렇게 발견된 물질들, 저항이 전혀 없는 금속과 액체, 즉 초전도체와 초액체는 노벨 물리학상의 영광을 누렸을 뿐만 아니라 이미 대형 병원에 설치된 MRI 같은 기계에 널리 쓰이고 있다. 또 저자가 공헌한 분야인 ’스커미온‘을 이용해 기억소자를 만들 수 있다면 지금 정도의 성능을 지닌 기억장치 크기를 땅콩 한 알 정도로 줄일 수도 있다. 이 분야가 품고 있는 이론과 실험, 기초과학의 깊이와 응용의 폭을 생각해보면 왜 ’물질의 물리학‘ 즉 응집물질물리학이 현대물리학에서 가장 큰 분과인지 알 수 있을 것이다.   

한정훈
성균관대학교 물리학과 교수. 1997년 워싱턴대학교에서 데이비드 사울레스 교수(2016년 노벨 물리학상 수상)의 지도 아래 박사학위를 받은 후 아시아태평양이론물리센터(1997~1999), 버클리대학교(1999~2001) 연구원, 건국대(2001~2003) 교수를 거쳐 성균관대(2003~현재)에 재직 중이다. 주요 연구 분야는 양자 자성체, 양자 스핀계 이론이다. 다강체 이론, 스커미온 이론, 양자 스핀계의 수송 이론 등에서 독보적인 연구 업적이 있다. 고등교육재단 해외 유학 장학생에 선발된 바 있고, 워싱턴대학교의 서배스천 카러 상Sebastian Karrer Prize, 삼성미래기술육성재단 연구비 등을 받았다. 지도교수의 노벨상 수상을 계기로 여러 차례 대중 강연을 하고 해설을 기고하기도 했다. 80여 편의 학술 논문과 함께 전공 서적 《응집물질에서의 스커미온Skyrmions in Condensed Matter》(Springer, 2017)을 출판했다. 2019년부터는 고등과학원에서 발행하는 웹진 〈호라이즌〉의 편집자로 참여해 대중 과학 원고 섭외, 편집, 출판을 돕고 있다.

 

추천의 글
 머리말

1. 최초의 물질 이론
 내 별명은 헬로 / 그리스의 자연철학자: 엠페도클레스, 데모크리토스 / 플라톤의 티마이오스 / 부분과 전체 / 현대 물질 이론 / 30년 후
2. 꼬인 원자
 헬름홀츠 / 소용돌이 / 소용돌이 원자론 / 위상 원자 이론의 몰락, 부활, 몰락, 그리고…
3. 파울리 호텔
 배타적 전자 / 물질의 분류 / 제이만, 로런츠, 파울리 / 전자의 사회학 / 블로흐의 증명
4. 차가워야 양자답다
 절대영도의 세계 / 오너스의 냉장고 / 양자다운, 너무나 양자다운 / 초전도체와 힉스 입자 / 두 종류의 액체헬륨 / 과학적 낙수 효과
5. 빛도 물질이다
 그때는 틀리고 지금은 맞다 / 빛에 대한 공학적 접근: 빛을 나누는 장치 / 빛은 파동이다: 맥스웰의 대발견 / 빛도 입자다! 난로와 전자레인지의 교훈 / 파동의 물질성, 물질의 파동성 / 아인슈타인이 '놓친' 노벨상
6. 양자 홀 물질
 전자를 움직이는 힘: 전기력과 자기력 / 맥스웰의 실수, 홀의 발견 / 가장 얇은 금속 / 클리칭의 우연한 발견 / 시애틀, 위상 숫자
7. 그래핀
 선배 / 2차원 물질 / 탄소 물질 / 그래핀 발견 / 상대론적 전자계 / 호프스태터 나비 / 놓친 기회, 새로운 기회
8. 양자 자석
 입자는 자석이다 / 자석은 정보다 / 위상 자석 / 차원의 반전 / 땅콩 크기만한
9. 위상 물질 시대
 샤모니의 추억 / 위상이란 이름 / 제3의 고체 / 양자 스핀 홀 효과 / 짝수 절연체, 홀수 절연체 / 상대론적 금속

 꼬리말
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