10대에게 권하는 물리학

물리학을 배우려면 꼭 수학을 잘해야 할까?

천재처럼 똑똑한 사람만 물리학을 공부하는 걸까?

멀고 어렵게 느껴지는 물리학을 쉽고 친근하게 알려 주는 책

물리학이라고 하면 아인슈타인의 상대성 이론이나 블랙홀, 쿼크, 양자역학 등 난해한 개념을 떠올리면서 어렵고 까다로운 학문이라고 생각하는 경우가 많다. 물리학을 배우려면 난해한 공식이나 이론도 쉽게 이해할 수 있을 정도로 똑똑해야 하고, 어렵고 까다로운 수학도 잘해야 한다는 편견도 흔하다. 하지만 물리학은 우리가 사는 세계가 어떻게 이루어지고 움직이는지를 탐구하며, 세상의 보편 원리를 이해할 수 있게 해주는 학문이다. 물리학은 우리가 사는 세상은 물론이고 현대 사회의 기술 문명 또한 깊이 이해할 수 있도록 도와 준다.

이 책은 우리 주변에서 찾아볼 수 있는 흔한 현상에 담긴 물리학적 원리를 소개하면서, 청소년의 눈높이에 맞추어 물리학을 쉽고 친근하게 소개한다. 컴퓨터, 스마트폰, GPS 등 우리가 현재 누리고 있는 기술 문명의 바탕에는 물리학이 있다. 물리학의 발전이 없었더라면 우리가 사는 문명 사회는 지금과 같은 모습이 될 수 없었을 것이다. 현대의 기술 문명을 만든 물리학의 원리를 차근차근 알아 나가면 현대 사회에 꼭 필요한 과학적 사고방식, 즉 환원적 사고방식을 기르는 데 도움이 된다.

또한 대학의 물리학과에 진학하면 어떤 것들을 배우고, 물리학을 전공하면 장차 어떤 일을 할 수 있는지까지 상세하게 알려 준다. 또한 물리학의 최첨단에서는 어떤 것들을 연구하며, 장차 잠재력을 지닌 물리학 분야도 소개하고 있어, 물리학에 대한 이해를 높여 줄 뿐만 아니라 청소년의 진로 설계에도 큰 도움이 될 것이다.

-- 물리(物理)라는 말은 ‘사물의 이치’라는 뜻입니다. 여기서 사물은 특정한 무엇을 가리키는 게 아니라, 지금 우리 눈에 보이는 모든 것들을 말합니다. 그러니 물리학이 다루는 대상은 엄청나게 많을 수밖에 없습니다. 책상과 의자, 연필, 유리창과 같은 우리 주변의 물건은 물론, 물질을 이루는 원자와 분자, 원자핵과 기본 입자, 그리고 원자로 이루어진 고체, 액체, 기체와 같은 물질들이 모두 물리학이 다루는 대상입니다. 또한 발전소나 휴대폰, TV 등의 전자 제품뿐만 아니라 자동차나 온갖 기계도 모두 물리학을 통해 얻은 지식을 이용하고 있습니다. 나아가 생명체 속에서나 별들 속에서 일어나는 현상도 물리학으로 설명되며 시간과 공간, 우주 전체까지 모두 물리학에서 연구하는 주제들입니다. _p12~13

-- 물질을 원자라는 기본적인 구조를 통해서 이해하는 것처럼, 무언가를 더 기본적인 구조로 바꾸어서 생각하는 방식을 ‘환원적 방법’이라고 합니다. 사실 오늘날의 과학은 거의 모두가 이러한 환원적 사고방식을 바탕으로 합니다. 그중에서도 물리학이 그러한 경향이 가장 강합니다. 그러므로 현대에 물리학을 배운다는 것은 이러한 환원적인 사고방식과 그에 필요한 지식을 배우는 일입니다. _p23

-- LCD란 ‘액정 디스플레이(Liquid Crystal Display)’의 약자입니다. 여기서 액정은 액체로 된 결정이라는 뜻이지요. 결정이란 물질을 이루는 원자나 분자가 규칙적으로 늘어선 것을 말하는데, 액체란 원자나 분자가 제멋대로 움직이는 상태니 ‘액정’이라는 말이 얼핏 들으면 모순처럼 들립니다. 하지만 모순은 아니고, 액정이란 어떤 조건이 되면 (주로 온도가 맞으면) 분자들이 제멋대로 움직이기는 하지만 방향이 일정하게 정렬하는 특수한 성질을 가지는 물질을 말합니다. p189~190

코페르니쿠스의 지동설부터 슈뢰딩거의 고양이까지,

난해해 보이지만 흥미로운 물리학의 세계를 탐험하다

이 책은 고대의 자연철학부터 뉴턴의 만유인력의 법칙으로 대표되는 고전물리학, 그리고 현대물리학에 이르기까지 물리학의 발전 과정을 살펴보고, 각 이론의 핵심 내용을 알기 쉽게 소개한다. 특히 현대물리학의 상대성 이론과 양자역학 등은 물리학에 조금이라도 관심이 있다면 흥미진진하게 빠져들 수밖에 없는 주제다. 저자는 상대성 이론이나 양자역학 등 현대물리학의 이론들이 다소 어려워 보이기는 하지만, ‘신비로운 그 무엇’이라고 생각할 필요는 없다고 격려하면서 청소년들이 물리학의 세계를 흥미진진하게 탐험할 수 있도록 도와준다.

이 책은 물리학의 주요 이론의 골자와 내용을 알기 쉽게 설명해 주어, 평소 물리학 이론에 관심이 있었지만 내용을 이해하는 데 어려움을 겪고 있던 이들에게도 큰 도움이 될 것이다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론, 양자역학 분야에서 빠질 수 없는 슈뢰딩거의 고양이 일화나 빅뱅 이론 등, 신기하고 흥미진진한 내용을 알기 쉽게 소개한다.

-- 현대물리학에서 가장 중요한 생각을 한 가지만 들어 보라고 하면 무엇을 들 수 있을까요? 여러 중요한 개념이 있지만, 가장 중요한 키워드를 하나 꼽으라고 하면 저는 ‘원자’를 들겠습니다. 20세기 후반의 대표적인 이론물리학자인 미국의 리처드 파인먼(Richard Feynman, 1918~1988)은 한술 더 떠서 원자는 인류 문명을 통틀어 가장 핵심적인 개념이라고까지 이야기합니다. 물리학자가 하는 이야기니 팔이 안으로 굽는 건 감안한다 해도, 원자라는 개념이 왜 그리도 중요한 것일까요? 그리고 원자라는 개념이 현대물리학의 발전에 어떤 영향을 미쳤기에 그렇게 이야기하는 것일까요? _p102~103

-- 양자역학을 이용해서 원자 수준에서 물질을 이해하게 되면, 이전과는 차원이 다른 일을 할 수 있게 됩니다. 우리가 알고 있는 물질의 성질은 거의 다 원자 수준에서 생겨나기 때문입니다. 이 지식을 이용해서 오늘날의 기술 문명이 건설되었지요. 우리 주변에서 양자역학의 결과를 가장 잘 실감할 수 있는 예는 아마도 반도체일 것입니다. 반도체를 통해서 전자공학이 엄청난 발전을 이루었고, 그 결과 통신과 컴퓨터 분야가 탄생했습니다. 이제 현대사회는 컴퓨터가 없는 상태를 상상할 수 없게 되었지요. 약 30년 전까지만 해도 컴퓨터는 특정한 분야에서 특수한 목적으로만 이용하는 기계였는데, 이제 PC처럼 일상적인 기계가 되었을 뿐 아니라, 휴대전화는 물론이고 모든 가전제품, 자동차 등 우리가 사용하는 모든 기기의 일부가 되었습니다. _p122~123

이강영

서울대학교 물리학과를 졸업하고 KAIST에서 입자물리학 이론을 전공해 박사학위를 받았다. 건국대학교, 고려대학교, KAIST 연구교수 및 고등과학원, 서울대 이론물리학연구센터, 연세대학교 연구원을 거치며 힉스 보손, 암흑물질, 게이지 이론 등에 관해 80여 편의 논문을 발표했다.

현재 경상국립대학교 물리교육과 교수로 재직 중이며 LHC에서 SND@LHC 실험에 참여 중이다. 지은 책으로는 《스핀》(계단, 2018), 《불멸의 원자》(사이언스북스, 2016) 《보이지않는 세계》(휴머니스트, 2012), 《LHC 현대물리학의 최전선》(사이언스북스, 2011) 등이 있다. 《LHC 현대물리학의 최전선》으로 제52회 한국출판문화상을 수상했다. 

프롤로그

CHAPTER 01 물리학이란 무엇인가요

물리학은 보편적인 원리를 탐구해요

물리학을 공부하면 무슨 일을 할 수 있나요

물리학을 공부하려면 꼭 수학을 잘해야 하나요

물리학과에서는 무엇을 공부하나요

생각 더하기_물리학자가 물리학이 아닌 분야에서 노벨상을 받기도 하나요?

CHAPTER 02 물리학은 어떻게 시작되었나요

자연철학자: 옛사람들은 세상을 어떻게 보았을까요?

과학혁명: 물리학은 어떻게 본격적인 학문이 되었을까요?

전기와 자기: 자석과 번개가 지닌 힘을 어떻게 연구했을까요?

생각 더하기_왕과 같은 장례식을 치른 과학자가 있다고요?

CHAPTER 03 현대물리학은 어떻게 발전했나요

상대성 이론: 아인슈타인은 무엇을 설명하려 했던 걸까요?

원자: 물질은 무엇으로 이루어져 있을까요?

양자역학: 원자를 어떻게 설명할까요?

입자물리학: 물질은 궁극적으로 무엇일까요?

일반 상대성 이론: 우주를 어떻게 이해해야 할까요?

생각 더하기_슈뢰딩거의 고양이가 도대체 무엇인가요?

CHAPTER 04 물리학은 우리 생활에 어떻게 이용되나요

물리학으로 우리가 사는 지구를 이해할 수 있어

우리는 빛을 통해 세상을 볼 수 있어요

에너지는 물리학에서 가장 중요하고 기초적인 개념이에요

물리학이 아니었다면 컴퓨터도 만들어지지 못했을 거예요

생각 더하기_노벨 물리학상을 두 번 받은 사람이 있다고요?

CHAPTER 05 물리학은 앞으로 어떻게 발전할까요

우주와 물질을 이해하기 위한 천체물리학과 우주론

물질의 근본적인 구조를 이해하기 위한 모든 것의 이론

양자역학을 이용해 정보를 처리하는 양자 정보학

새로운 기술을 만드는 응집물질물리학

생각 더하기_중성미자를 가지고 어떻게 실험하나요?