반도체 ‧ 초전도체 원리의 시작, 양자론 속으로

새로운 물리학을 찾기 위한 노벨상 수상 과학자들의 이야기를 논문으로 파헤쳐 본다!

지난 세기, 새로운 물리학을 찾기 위한 노벨상 수상 과학자들의 이야기 속으로

 

현대물리학의 거인인 플랑크는 양자라는 입자를 처음 발견했다. 그는 이 입자가 고전 물리학의 입자와는 다르게 불연속적인 에너지가 허용되는 신기한 성질을 지니고 있다고 주장했다. 그는 1900년 양자론 논문으로 갈릴레이와 뉴턴이 완성한 역학 이론을 과감하게 뒤엎었다.

<노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈> 중의 3권인 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자혁명》은 빛이 광자라는 알갱이로 이루어져 있고, 광자가 가질 수 있는 에너지가 어떤 최소 에너지의 정수배가 된다고 가정하는 것으로 시작한다. 이후 플랑크 논문의 영향으로 기존의 물리이론은 수정되었고, 핵물리학이나 소립자물리학도 양자론을 채택하는 등 고체물리학 역시 양자론의 개념을 받아들이게 된다. 플랑크 논문은 양자 시대를 활짝 연 문으로 이후 뉴턴의 역학은 양자역학으로 수정되었고, 보어가 올바른 원자모형을 만드는 데 큰 영향을 끼쳤다.

《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자혁명》은 플랑크의 양자론에 초점을 맞추었다. 플랑크가 양자론 최초의 논문을 완성한 시점에서 이 논문을 쓰기 위해 공부했던 열역학 이야기를 역사적으로 재미있게 풀었다. 동시에 플랑크가 사람들에게 알려주고 싶어 했던 것을 그의 오리지널 영문 논문으로 자세히 소개했다.

이 책에는 위대한 발견을 한 과학자들의 에피소드와 함께 수식이 등장한다. 어렵다고 느낄 필요 없이 고등학교 수준의 수학 내용만 알면 이해할 수 있도록 친절하게 설명하고 있다. 정교수와 물리군의 일대일 대화를 따라가다 보면 수학이나 과학에 두려움이 있는 독자들도 쉽게 이해할 수 있게 된다.

과학도를 꿈꾸는 학생, 양자론을 좀 더 알고 싶은 사람, 학생들에게 위대한 논문을 소개하려는 과학 선생님, <인터스텔라>를 능가하는 SF 영화를 만들고 싶어 하는 영화 제작자나 웹툰 작가 등 과학에 관심을 가진 사람들에게 이 시리지를 추천한다. 이 시리즈 전20권에는 역대 노벨 물리학상 수상자들이 모두 등장한다.

 

[목 차]

추천사_008

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까

물리학적 사고 성장사의 경험을 한번에 정리한 책

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

세상을 뒤바꾼 역학이론의 탄생 _펜지어스 박사 깜짝 인터뷰

 

첫 번째 만남│양자론의 아버지, 플랑크

눈에 보이지 않은 힘을 탐구한 헬몬트 _공기가 여러 가지 기체라고?

의심 많은 화학자 보일 _기체의 압력과 부피의 관계를 밝히다

샤를의 법칙 _처음으로 기구를 타고 하늘을 날다

공기의 성분을 발견한 과학자들 _눈에 보이지 않는 기체의 발견

돌턴의 원자 이야기 _기체 분자설

분자설의 주인공 아보가드로 _모든 기체의 분자의 수는?

 

두 번째 만남│열역학의 영웅들

기체운동론의 선구자 줄 _신혼여행에서도 이어진 실험

열역학 제1법칙의 탄생 _무더운 날 냉커피가 점점 뜨거워지는 이유는?

엔트로피와 열역학 제2법칙 _열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다

열역학 제1법칙과 제2법칙의 연결 _편미분의 이용

조합의 수 _경우의 수를 헤아리는 4가지 방법

통계역학의 개척자 볼츠만 _엔트로피를 확률과 통계에서 찾다

볼츠만 인자의 탄생 _에너지가 무한대로 가면 0이 된다

 

세 번째 만남│흑체복사의 영웅들

일곱 개의 빛 _우리 눈에 보이는 빛의 원리

프라운호퍼, 분광학의 문을 열다 _스펙트럼 흡수선의 발견

키르히호프의 법칙 _빛의 흡수와 방출의 비는 일정하다

슈테판, 열복사의 신비를 풀다 _지구가 뜨거워지는 이유

전쟁으로 탄생한 빈의 공식 _물체의 색은 어떻게 결정될까?

빈, 보라 공식을 찾다 _파장이 짧은 빛

레일리-진즈의 빨강공식 _실험적 그래프를 수식으로 풀다

플랑크의 양자혁명 _완벽한 이론으로 불완전함을 이기다

 

네 번째 만남│플랑크의 논문 속으로

팩토리얼과 적분의 연결 _부분적분의 활용

스털링 근사식 _매우 큰 N으로 공식을 세우다

오일러가 푼 제타함수와 소수 관계 _무한급수의 합에 도전하다

플랑크의 기묘한 가설 _새로운 알갱이의 탄생

양자 시대의 서막 _플랑크상수를 파헤치다

 

다섯 번째 만남│광자의 존재를 알아낸 과학자들

아인슈타인, 플랑크 논문을 완성하다 _광전효과를 설명하다

콤프턴 효과 _양자의 존재를 밝힌 강력한 한 방

 

만남에 덧붙여

On an Improvement of Wien’s Equation for the Spectrum _플랭크 1 논문 영문본

On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum _플랭크 2 논문 영문본

On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectrum _플랭크 3 논문 영문본

A QUANTUM THEORY OF THE SCATTERING OF X-RAYS BY LIGHT ELEMENTS _콤프턴 논문 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

- 남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등의 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다.

이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

- 정재용(KAIST 기술경영학부 교수 및 공학한림원 정회원)

 

지난 70년간 우리나라의 과학기술은 괄목할 만한 성장을 이루었습니다. 과학기술 활동의 성과 지표로 대표되는 논문과 특허 통계가 이를 방증하고 있습니다. 그러나 과학기술 위상이 높아졌음에도 불구하고 노벨상 수상의 불모지와 기초과학 약체국으로 평가받고 있는 것이 우리나라의 현실입니다. 이러한 한계를 뛰어넘기 위해 정부도 연구개발 투자증대, 과학기술 인력양성과 같은 다양한 정책을 발표했습니다. 이 과정에서 무엇보다 과학기술자 스스로가 창의적인 문제 설정을 할 수 있는 역량을 기르는 것이 첫 단추일 것입니다.

이 책은 21세기 인류 발전에 핵심기술로 주목받고 있는 양자기술을 중심으로 초기 양자혁명에 참여한 과학자들의 문제 정의, 해결 방식 등을 풀어준 책입니다. 멋진 과학자의 삶을 꿈꾸는 젊은 과학도들에게 지적 여정의 자양분으로서 그 소임을 다하는 책이라고 생각합니다.