현대 물리학의 방대한 세계를 쉽고 흥미롭게 안내하는 책

‘중력’에서 시작해 ‘우주’로 확장되는 사고의 여정

 

현대 물리학의 복잡한 주제를 놀라울 만큼 명쾌하게 풀어낸 책 『문과생들도 알아야 할 최소한의 물리 공부』가 출간되었다. 그동안 물리학의 개별 이론을 깊이 있게 해설한 교양서는 많았지만, 고전 역학에서 출발해 양자역학에 이르기까지 물리학의 전체 흐름을 한눈에 조망할 수 있도록 구성된 입문서는 드물었다. 이 책은 물리학이라는 학문의 큰 줄기를 따라가며, 독자가 길을 잃지 않도록 친절하게 안내한다.

저자 노무라 야스노리는 일본 도쿄대학교 대학원에서 박사 과정을 수료하고, 현재 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스에서 센터장을 맡고 있는 물리학자다. 우주론과 양자 중력 이론 연구의 최전선에서 활동해 온 그는, 이 책에서 뉴턴의 운동 법칙과 아인슈타인의 상대성 이론, 그리고 양자역학과 현대 물리학의 최신 성과에 이르기까지 약 400년에 걸친 물리학의 역사를 하나의 서사로 엮어낸다.

이 책은 복잡한 수식이나 난해한 전문 용어를 앞세우지 않는다. 대신 일상의 언어와 직관적인 비유를 통해 물리학의 핵심을 차분하게 드러낸다. 갈릴레오의 실험에서 시작해 뉴턴의 중력 개념, 아인슈타인이 새롭게 정의한 시간과 공간, 그리고 양자역학의 탄생에 이르기까지, 세상을 바라보는 인간의 인식이 어떻게 변화해 왔는지를 따라가다 보면 ‘세계의 해상도’가 점차 선명해지는 경험을 하게 된다.

 

『최소한의 물리 공부』는 단순한 과학 해설서에 그치지 않는다. 이 책은 시간과 공간, 물질과 에너지, 그리고 인간이 우주를 이해하는 방식을 다시 사유하게 하며, 물리학이란 결국 “세상을 더 또렷하게 바라보기 위한 사고의 방법”임을 설득력 있게 보여준다. 물리학을 처음 접하는 독자에게는 믿음직한 길잡이가 되고, 이미 익숙한 독자에게는 전체를 새롭게 정리해 주는 지적인 여정이 될 것이다.

 

[목 차]

시작하며

세상을 더 또렷하게 보기 위한 물리학 첫걸음 5

 

1장 세상을 움직이는 세 가지 법칙 [고전 물리학]

 

물리학의 초석을 다진 거인,‘갈릴레오’ 17

가설을 실험으로 증명해내는 방법을 처음으로 도입한 갈릴레오 19

‘치열한 전쟁’ 속에 태어난 발견 21

지상과 천상이 같은 세계였다? 22

‘천동설’에서 ‘지동설’로 24

뉴턴 역학에 지대한 영향을 끼친 천문학자 케플러 26

‘물리학’ 관점에서 다시 본 천체의 운동 29

세 가지 대발견을 이루어낸 ‘창조적 휴가’ 31

물리학의 기초가 되는 ‘뉴턴의 운동 법칙’이란? 33

제1법칙 ‘관성의 법칙’ 34

제2법칙 ‘가속도의 법칙’ 35

제3법칙 ‘작용 반작용의 법칙’ 37

무게와 질량의 차이를 설명할 수 있을까? 38

달에도 사과에도 똑같이 작용하는 ‘만유인력의 법칙’ 39

만유인력과 중력 41

많은 과학자의 피와 땀, 그리고 한 천재의 번뜩인 아이디어 42

달은 계속 떨어지고 있기 때문에 사라지지 않는다 43

‘뉴턴 역학’은 어떻게 바로 받아들여졌을까? 46

상대성 원리, 그 심오한 세계 47

‘미적분학’의 창시를 둘러싼 치열한 다툼 49

‘전자기력’의 발견 51

‘전자기학’을 확립한 맥스웰 53

빛은 모두 전자파 56

물리학에서 말하는 ‘장場’의 의미 57

새롭게 떠오른 의문 58

 

 

2장 알쏭달쏭한 ‘시간’과 ‘공간’의 비밀을 밝히는 [상대성 이론]

 

아인슈타인의 ‘기적의 해’ 63

노벨 물리학상을 받은 ‘광양자 가설’ 65

원자와 분자의 존재를 밝힌 ‘브라운 운동 이론’ 66

통계역학의 중요성을 일찍이 알아본 아인슈타인 67

‘상대성 이론’에는 두 가지가 있다 69

‘특수 상대성 이론’과 ‘일반 상대성 이론’의 차이 69

상대성이란 ‘둘 다 옳다’라는 뜻 71

빛의 속도에 관한 중대한 발견 72

시간과 공간을 다시 보다 74

‘시간’은 상대적인 것 75

피라미드 조사에도 기여한 특수 상대성 이론 80

뉴턴 역학의 불완전성이 오랫동안 간과되었던 이유 81

움직이는 물체는 길이가 짧아진다 82

빛보다 빠를 수 없는 이유 84

‘E = mc2’의 의미 85

원자 폭탄 개발에 이용된 특수 상대성 이론 87

10년의 집념으로 완성한 ‘일반 상대성 이론’ 91

‘특수 상대성 이론’이 안고 있던 과제 92

‘등가 원리’란 93

‘중력’의 구조를 밝혀내다 95

개기일식으로 입증된 일반 상대성 이론 98

시간의 흐름에 영향을 주는 가속도와 중력 100

일반 상대성 이론이 입증한 블랙홀의 존재 102

 

 

3장 물리학의 상식을 뒤엎은 양자의 힘 [양자역학]

 

물리학 역사의 대혁명, ‘양자론’ 109

‘양자’는 ‘띄엄띄엄’이라는 뜻 109

빛은 파동인가? 알갱이인가? 110

파동의 기본 성질 111

영의 ‘이중 슬릿 실험’ 112

맥스웰이 밝혀낸 빛의 정체 113

용광로에서 태어난 양자론 114

새로운 물리학의 문을 연 ‘에너지 양자 가설’ 115

빛의 이중성, 아인슈타인으로부터 117

원자와 전자의 발견 118

서서히 밝혀진 원자핵의 내부 구조 120

‘러더퍼드의 원자 모형’은 왜 고전 물리학으로

설명할 수 없었을까? 121

돌파구를 찾아낸 ‘보어의 원자 모형’ 122

보어의 ‘양자 조건’이란 123

양자역학의 기초가 된 ‘물질파(드브로이 파동)’ 124

보어의 양자 조건을 푸는 열쇠 125

전자의 파동성을 실험으로 증명하다 126

‘슈뢰딩거 방정식’이란 127

‘파동 함수의 확률 해석’이란 129

하이젠베르크의 ‘불확정성 원리’란 131

관측이라는 행위를 무시할 수 없는 미시 세계 133

‘코펜하겐 해석’이란 137

20세기, 그야말로 물리학은 대변혁의 시대로 138

‘슈뢰딩거의 고양이’가 전하는 메시지 140

양자역학적 평행 세계 142

아인슈타인이 제시한 ‘EPR 역설’ 145

양자 얽힘의 존재를 확인한 아스페의 실험 147

미시 세계의 현상이 거시 세계에서 나타나는 ‘초유동’ 148

곧 실현될 차세대 기술, ‘양자 컴퓨터’ 150

 

 

4장 양자역학과 상대성 이론, 이를 통합하는 [현대 물리학]

 

양자론과 특수 상대성 이론을 통합한 ‘양자 장론’ 155

‘반입자’를 발견하다 156

천재 디랙의 일화 158

‘반전자 엔진’은 실현 가능할까? 159

일본인 최초로 노벨 물리학상을 받은 유카와 히데키 160

가속되는 원자핵 연구 162

‘소립자 물리학’의 눈부신 성장 163

자연 현상은 단 4개의 힘으로 이루어진다 166

우주를 밝혀내는 데 빠질 수 없는 소립자 물리학 168

암흑에너지와 암흑물질의 정체는? 171

양자역학과 중력의 불편한 사이 173

‘초끈 이론’이란 175

앞으로는 양자론과 일반 상대성 이론의 통합이 큰 과제 177

 

 

보강 시간은 되돌릴 수 있는가? [통계역학]

 

물리 법칙을 ‘통계적’으로 이해하기 181

‘온도’는 원자나 분자의 평균적인 활동량 182

시간은 왜 한쪽 방향으로만 흐를까? 183

에너지를 절약한다 X 엔트로피를 올리지 않는다 O 186

‘시간의 흐름’에 대한 고찰 187

시간은 있을 수도 있고 없을 수도 있다 188

 

맺음말 191

찾아보기 195

[본 문]

중력에 대한 이해는 물리학 전체의 발전에서 꾸준히 중심 주제였습니다. 중력은 우주의 거대한 구조와 그 진화를 이해할 때 열쇠가 되기도 합니다. 은하의 형성, 항성의 진화, 우주의 팽창까지, 중력은 이 모든 현상에 깊이 관여합니다. 빅뱅에서 시작해 현재에 이르기까지, 우주의 역사를 이해하려면 중력의 작용 원리를 정확히 알아야 합니다. 나아가 중력파 관측과 같은 새로운 기술은 물리학의 지평을 계속해서 넓혀가고 있습니다. _6p.

 

중력은 장소에 따라 작용하는 방향이 달라집니다. 이는 곧 지점마다 서로 다른 방식으로 가속하고 있는 공간을 따져봐야 한다는 뜻입니다. 공간이 가속하고 있다는 것은, 관성계에 대해 가속하고 있다는 뜻입니다. 즉 어떤 장소에서 따진 관성계와 다른 장소에서 따진 관성계가 서로 등속이 아닌 가속 운동 관계에 있다는 것을 의미하지요. 이런 상황을 설명하기 위해, 아인슈타인은 ‘휘어진 시공간’이라는 개념을 떠올렸습니다. 즉 ‘중력이란 시공간의 휘어짐이 만들어내는 현상이 아닐까?’라는 생각을 한 것이지요. _95p.

 

안이 보이지 않는 철제 상자 안에는 방사성 물질, 방사선 검출 장치, 그리고 검출 장치와 연동된 독가스 발생 장치가 들어 있습니다. 방사성 물질은 원자핵이 붕괴하면 방사선을 방출하며, 이 방사선을 감지한 검출 장치는 그 신호를 독가스 발생 장치에 보내서 독가스를 발생시키는 구조로 되어 있습니다. 이 상자 안에 살아 있는 고양이를 넣는다고 가정해봅시다. 만약 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키면 독가스가 발생해 고양이는 죽고, 원자핵 붕괴를 일으키지 않으면 고양이는 살 수 있습니다. 이제 상자의 뚜껑을 닫고 한 시간 동안 그대로 둔다고 해보세요. 외부에서는 안을 들여다볼 수 없고, 고양이는 소리나 진동도 내지 않는다고 가정했을 때, 한 시간이 지난 지금 고양이는 과연 어떻게 됐을까요?

고양이의 생사는 상자 뚜껑을 열면 즉시 알 수 있습니다. 하지만 여기서 고민해야 할 점은 ‘ 뚜껑을 열기 전, 고양이의 상태를 어떻게 생각하는가.’라는 부분입니다. _141p.

 

‘시간은 존재하지 않는다’는 말을 들어본 적이 있을 것입니다. 이는 시간이라는 개념 없이도 원리적으로 사물을 설명할 수 있다는 의미입니다. 조금 철학적인 이야기가 섞이는데, 자주 등장하는 예로 ‘돌고래는 존재하는가?’라는 질문이 있습니다. 대부분 ‘당연히 존재하지!’라고 대답하겠지만, 정말 그럴까요?

돌고래를 미시적 시점에서 인식하면, 물리 법칙에 따라 원자와 분자가 움직이고 있을 뿐입니다. 이 원자와 분자의 시간적 변화를 따라갈 때는 돌고래라는 개념을 도입할 필요가 없습니다. 이를 바탕으로 ‘돌고래는 존재하지 않는다.’라고 주장할 수도 있습니다.

하지만 미시적으로 시간의 경과를 추적하더라도, 우리가 돌고래라고 인식하는 원자나 분자의 패턴은 수십 년 동안 안정적으로 존재하며, 그 구성 원자는 변하더라도 같은 모습을 유지하고 있는 것도 사실입니다. 이 패턴에 돌고래라는 이름을 붙인다면, 그런 의미에서 돌고래는 분명히 존재한다고 할 수 있습니다.

즉 ‘존재한다’는 말의 정의에 따라 귀에 걸면 귀걸이, 코에 걸면 코걸이가 되는 것입니다. 돌고래를 단순히 원자와 분자가 물리 법칙에 따라 움직이고 있을 뿐이니까 ‘존재하지 않는다’라고 말할 수도 있고, 수십 년 동안 안정된 패턴을 유지하고 있으니까 ‘존재한다’라고 말할 수도 있는 것입니다. 이는 모순이 아니라, ‘존재’라는 말의 정의가 달라서 생기는 차이일 뿐입니다._188-189p.