물리는 어떻게 진화했는가

세상을 지배하는 가장 근본적인 법칙을 이해하기 위한 인간 정신의 투쟁 과정

이 책은 개념 세계와 현상 세계를 잇는 가교를 발견하려는 인간 정신의 시도의 역사를 물리라는 분야를 통해 개괄적으로 서술한 책이다. 따라서 이 책은 물리학의 사실과 이론을 체계적으로 설명하기 위한 것이 아니며 물리학의 역사를 정리해서 보여주는 것도 아니다. 이 책의 목적은 우리를 둘러싼 세상을 지배하는 가장 근본적인 물리의 법칙을 좀 더 온전히 이해하기 위한 창의적인 인간 정신의 영원한 투쟁이 어떤 형태로 진행되었는지를 독자들에게 제시한다.
아인슈타인과 공저자인 인펠트는 물리의 발전 과정이라는 난해한 내용을 일반 독자들에게 설명하기 위해 모든 수학적 수식을 배제하고서 개념의 발전 과정을 짚어 나간다. 책에 등장하는 수많은 사고 실험과 그것을 설명하기 위한 그림과 도판들은 물리학이라는 학문의 발전 과정에서 벌어진 사건들을 압축하고 정리해서 직관적으로 잘 보여준다. 아인슈타인과 공저자의 의도는 멋지게 성공하여 이 책은 발간되자마자 즉각 베스트셀러가 되었고, <타임> 지의 커버스토리로 선정되기도 했다.

내용을 간략하게 살펴보면 이 책은 운동이라는 물리학의 가장 기초적인 문제에 대한 고찰로 시작된다. 2천 년 가까이 유지되어 온 아리스토텔레스의 자연관이 갈릴레오와 뉴턴의 고전역학에 의해 붕괴되면서 새로운 역학적 세계관이 형성된 것은 진정한 과학이라 할 수 있는 근대 과학의 출발점이 되었다. 갈릴레오가 발견하고 사용한 과학적 추론 방식은 과학뿐 아니라 인간 사고의 역사에서 가장 중요한 업적 중 하나이며 갈릴레오가 발견하고 뉴턴이 간결하게 정리한 고전역학의 세계관은 인간의 세계관을 근본적으로 변화시켰다.

하지만 완벽한 세계관으로 보였던 역학적 세계관은 전자기와 광학의 영역에서 큰 난관을 겪게 된다. 빛의 입자 이론과 파동 이론의 대립에서 물리학의 역사는 파동 이론의 손을 들어주게 된다. 하지만 빛이 전파될 수 있는 매질은 무엇이며 그 매질은 어떤 역학적 성질을 지니고 있는가. 광학 현상과 전자기 현상을 역학적으로 환원할 때 발생하는 난점은 너무 거대해서 결국 역학적 세계관은 포기할 수밖에 없게 된다.
뉴턴 이래 가장 중요한 개념으로 역장이 등장하게 되었고 이 역장은 전자기장의 구조를 서술하고 전기만이 아니라 광학 현상까지 설명할 수 있는 맥스웰 방정식의 발견을 불러왔다. 상대성이론은 고전역학적 물리 세계에 새로운 성질을 부여할 수밖에 없었기 때문에 등장했다. 상대성이론은 역학의 법칙을 변화시켰다. 운동하는 입자의 속도가 광속에 접근하면 고전역학의 법칙은 더 이상 유효하지 않게 된다. 또한 상대성이론은 질량과 에너지 사이의 연결 관계를 제안했다. 질량은 에너지이며 에너지에는 질량이 존재한다. 질량과 에너지 보존법칙은 상대성이론을 통해 하나로 합쳐져서 질량-에너지 보존법칙이 되었다. 상대성이론은 물리학에서 역장이라는 개념이 가지는 중요성을 훌륭하게 보여준다. 하지만 완벽하게 역장으로만 구성된 물리학은 정립되지 못했다. 일반 상대성이론은 아직 불완전하며 아직까지는 역장과 물질이라는 두 가지 개념의 존재를 모두 인정해야 한다.
원자 단위의 현상이 보여주는 다양한 관찰 결과들은 물리학에 다시 한 번 새로운 개념을 도입하게 만들었다. 바로 양자역학이다. 물질은 입자 구조를 가지며 양자라는 기본적인 입자로 구성되어 있다. 광자는 빛을 구성하는 에너지의 양자이다. 빛은 파동인가, 아니면 광자의 흐름인가. 전자 빛살은 기본 입자의 물살인가, 아니면 파동인가. 현대 양자역학의 실험 결과들은 원자 단위의 사건들을 시공간 속에서 서술하는 것을 포기하게 만들었고 물리학은 다시 역학적 세계관으로 후퇴해야 했다.

갈릴레오, 뉴턴 이래의 근대 물리학의 진화 과정을 개괄하면서 독자들은 운동과 열, 빛, 전자기장, 역장, 양자 같은 물리학의 핵심적인 개념들이 얼마나 풍요롭고 창의적인 사고 실험과 실제 실험들을 통해 발전해왔는지를 이해할 수 있다. 그리고 아인슈타인의 상대성이론이 어떠한 착상을 통해 나왔으며 그것이 물리학의 역사에서 지니는 의미를 아인슈타인의 언어를 통해 확인할 수 있다. 일반 상대성이론은 아직 충분히 입증되지 않았고 양자역학의 실험 결과들은 아인슈타인이 꿈꾸었던 통일장 이론을 더 멀어지게 만들었다. 하지만 아인슈타인이 말했듯이 ‘과학은 닫힌 책이 아니며, 앞으로도 닫힌 책이 아닐 것이다. 모든 중요한 진보에는 새로운 문제가 따른다. 모든 발전은 결과적으로는 새롭고 좀 더 심오한 문제를 드러내’ 보이는 것이다. 문제 해결은 결코 문제의 종결이 아니라 한 차원 높은 더 많은 문제들을 불러온다. 하지만 그것은 결코 혼란이 아니다. 그것은 우리 세계에 조화와 질서가 내재해 있다는 신념을 더욱 깊이 있게 확인해가는 과정이다.  

지은이 : 알베르트 아인슈타인
독일 출신의 미국 이론물리학자. 300편이 넘는 과학 논문과 150편이 넘는 과학 이외 일반 분야에 대한 글을 발표했다. 그가 이룬 놀라운 업적과 지적인 독창성은 ‘아인슈타인’이란 단어를 ‘천재’란 말과 동의어로 대중들에게 각인되게 했다. 취리히 대학에서 박사 학위를 받은 1905년은 물리학에서 ‘기적의 해’라고 불리는데 ‘광전 효과’, ‘브라운 운동’, ‘특수 상대성이론’, ‘질량-에너지 등가 법칙’ 등 현대 물리학의 초석을 놓은 논문들을 잇달아 발표해 시간, 공간, 질량, 에너지에 대한 고전역학 이래의 개념을 바꾸어 놓았다. 베를린 과학 아카데미의 교수로 있다가 히틀러의 유대인 박해를 피해 미국으로 가 프린스턴 대학 고등연구소에서 생을 마칠 때까지 재직했다. 2차 대전 때 프랭클린 루즈벨트 미국 대통령에게 ‘극도로 강력한 새로운 유형의 폭탄’에 대한 경고 편지를 써서 맨해튼 프로젝트를 통해 원자탄이 개발되는 데 일조했지만 그것이 무기로 사용되는 것에 대해서는 비난했다. 말년에 인생의 가장 큰 실수로 루즈벨트 대통령에게 편지를 쓴 사실을 거론한 것으로 알려져 있다. 전후 민주적인 세계 정부 수립이라는 이상을 강력히 옹호했고 대중들에게 핵무기와 전쟁의 위험을 경고하는 평화 운동에도 헌신했다. 냉전 체제가 고착화되던 1955년 버트란드 러셀과 함께 핵무기의 위험성을 경고한 러셀-아인슈타인 선언에 서명한 것이 그의 마지막 공식 활동이 되었다. 그가 죽기 불과 하루 전이었다.

지은이 : 레오폴트 인펠트

폴란드의 물리학자. 캠브리지 대학의 록펠러 연구원, 프린스턴 대학의 고등연구소, 토론토 대학 교수 등을 거쳤다. 아인슈타인과 함께 별의 운동에 관한 방정식을 연구했고 이 책 <물리는 어떻게 진화했는가>를 공동 집필했다. 막스 보른과 함께 맥스웰의 전기역학 이론에서 발생하는 문제를 해명하는 보른-인펠트 모델을 발표하기도 했다. 러셀-아인슈타인 선언에 서명한 11명의 과학자 중 한 명인데 서명자 중 노벨상을 수상하지 않은 사람은 인펠트가 유일하다. 2차 대전 후 캐나다에서 고국 폴란드의 과학 재건을 위해 귀국했고 폴란드 과학 아카데미 회원으로 선임되었다.

옮긴이 : 조호근
서울대학교 생명과학부를 졸업하고 과학서 및 SF, 판타지, 호러 등 장르소설 번역을 주로 해왔다. 옮긴 책으로 『물리와 철학』, 『다이어트 신화』, 『젊은 과학자에게』, 『아마겟돈-프레드릭 브라운 단편선 2』, 『화성 연대기』, 『태양의 황금 사과』, 『시월의 저택』, 『도매가로 기억을 팝니다』, 『마이너리티 리포트』, 『소용돌이에 다가가지 말 것』 등이 있다.

서문

제1장 역학적 세계관의 대두

 위대한 추리소설
 최초의 실마리
 벡터
 운동의 수수께끼
 남은 하나의 실마리
 열은 물질인가?
롤러코스터
 교환율
 철학적 배경
 물질의 운동론

제2장 역학적 세계관의 몰락

 두 가지 전기 유체
 자기 유체
 첫 번째 심각한 문제
 빛의 속도
 물질로서의 빛
 색의 수수께끼
 파동이란 무엇인가?
빛의 파동 이론
 광파는 횡파일까, 종파일까?
에테르와 역학적 세계관

제3장 역장과 상대성

 표현 방식으로서의 역장
 역장 이론의 두 기둥
 실재하는 역장
 역장과 에테르
 역학적 지지대
 에테르와 운동
 시간, 거리, 상대성
 상대성과 역학
 시공간 연속체
 일반 상대성
 승강기의 안팎
 기하와 실험
 일반 상대성이론의 입증
 역장과 물질

제4장 양자

 연속성-불연속성
 물질과 전기의 기본량
 광양자
 빛의 스펙트럼
 물질의 파동
 확률파
 물리학과 현실

 옮긴이의 말