교과서 속 핵심 개념과 원리를 쉽고 재미있게 풀어내 물리학의 기초를 탄탄하게 다지도록 돕는다. 손에 잡히는 힘을 다루는 ‘고전역학’, 우리 일상의 모든 일을 설명하는 ‘전자기학’, 입자의 집단 현상을 탐구하는 ‘열역학’과 보이지 않는 양자를 탐구하는 ‘양자역학’까지 물리학의 꽃 ‘4대 역학’을 두루 살필 수 있다. 또한 최신 물리학에서 가장 주목하는 현대 우주론이 더해져 과학자들이 어떤 관점으로 세계를 탐구하는지 직접 경험한다. 스토리와 과학으로 꽉 찬 100여 컷의 사이언티픽 일러스트가 다시 한번 이론과 개념을 짚어주어 흥미진진하다. 이 책을 찬찬히 따라가면 물리학은 그저 암기 과목이 아닌, 상상하고 고민하는 즐거움, 세계를 사유하는 골똘한 방식임을 배우는 시간이 된다. 물리학이 궁금하지만 어렵게만 느껴져서 주저했던 이들에게 시작할 힘을 주는 책!

[목 차]

책머리에

Part 1 고전역학 1

변하는 것은 왜 어려울까? | 관성의 법칙

힘이 지배하는 세상 | 뉴턴의 운동 법칙

하늘과 땅이 공유하는 질서 | 만유인력의 법칙과 원운동

세상은 결코 멈추지 않는다 | 운동량과 에너지 보존의 법칙

사라지지 않는 에너지 | 역학적 에너지의 보존

Part 2 고전역학 2

용수철을 사랑하는 물리학자들 | 조화진동자

조금 더 높은 해상도로 세상을 바라보며 | 강체

그래도 지구는 돈다 | 회전운동

회전의 미학 | 관성모멘트와 각운동량

자연이 추구하는 효율 | 라그랑주와 해밀턴의 원리

Part 3 전자기학

다르기에 이끌린다 | 전기와 자기

자석은 어떻게 철을 잡아당길까? | 역선과 장

빛을 쫓는 물리학자들 | 맥스웰 방정식, 전자기장의 통합

당연한 것은 없다 | 전하

우리가 빛의 속도로 달릴 수 있다면 | 특수상대성이론

Part 4 양자역학

불완전한 그림 | 흑체복사와 양자 현상

내가 나비인지 나비가 나인지 | 물질의 이중성

양자역학의 두 얼굴 | 슈뢰딩거와 하이젠베르크

신은 주사위 놀이를 하지 않는다 | 양자역학의 해석

현대 원자론의 마지막 퍼즐 | 스핀

존재의 역설 | 디랙방정식

Part 5 열역학

뜨겁다는 것은? | 온도와 열

같은 것은 같은 것 | 열역학 제0법칙

복잡한 것은 단순하게, 단순한 것은 복잡하게 | 이상기체 상태방정식

아무튼 에너지는 보존된다 | 열역학 제1법칙과 제2법칙

Part 6 일반상대성이론과 현대 우주론

휘어진 우주 | 일반상대성이론

무엇이든 집어삼키는 검은 구멍 | 블랙홀

모든 것은 하나의 점에서 | 빅뱅 우주론

보이지 않는 존재들 | 암흑물질과 암흑에너지

과거에서 미래로 | 우주의 역사

용어 설명

참고 자료

[본 문]

공에는 특별한 장치가 없습니다. 우리가 공을 던지는 행위를 통해 공의 어떠한 상태가 바뀌게 되었고, 가만히 있던 공이 날아가는 공으로 바뀌었습니다. 공을 던졌을 때, 손에서 공을 놓는 순간 공이 그 자리에 멈추거나 땅으로 곧바로 떨어지면 안 될 이유가 있을까요? 공을 놓는 순간 마치 투명한 고무줄이 연결된 것처럼 다시 바구니로 되돌아갈 수도 있는데, 그 많은 가능성 중에서 야구공은 하필 우리의 손이 움직이던 방향으로 날아가기를 택했습니다. 과학에 관심이 조금이라도 있다면 이것이 사물이 가진 관성 때문에 일어나는 현상임을 알 것입니다. 하지만 지금은 당연하게 여기는 관성이라는 개념이 널리 받아들여질 때까지는 험난한 여정이 있었습니다.

- 23p, ‘변하는 것은 왜 어려울까?’

원래 상태로 돌아가려는 용수철과 현재의 움직임을 끝까지 밀고 나가려는 물체의 전혀 다른 두 성질이 만나 이토록 역동적인 진동을 만들어낸다는 사실이 경이롭습니다. 종종 이렇게 진동을 하는 물체들을 바라보며 이런 생각을 해봅니다. 어쩌면 우리가 사는 이 세상 역시, 서로 다른 방향성이 팽팽하게 공존하기에 동적이고 아름다운 풍경을 빚어내는 것은 아닐까 하고 말입니다.

- 81p, ‘용수철을 사랑하는 물리학자들’

길을 걷다 보면 보도블록 가장자리 턱 위를 아슬아슬하게 걷는 아이들을 종종 볼 수 있습니다. 넘어질 듯 말 듯 스릴을 즐기던 아이들은, 몸이 옆으로 기울어질 것 같은 느낌이 들면 자연스럽게 양팔을 옆으로 쫙 펼칩니다. 왜 그럴까요? 팔을 몸통으로부터 최대한 멀리 뻗으면 몸 전체의 관성모멘트가 커지고, 그 결과 몸이 옆으로 갑작스럽게 돌아가며 넘어지는 것을 방지할 수 있기 때문입니다. 우리의 몸은 물리학 이론을 모르더라도, 관성모멘트를 이용해 넘어지는 것을 방지할 수 있는 마법만큼은 본능적으로 아는 셈입니다.

- 104p, ‘회전의 미학’

물리학은 우리가 경험하는 전자기 현상들을 어떻게 전자를 통해 설명할까요? 종종 깨끗하게 닦아놓은 스마트폰에 자꾸 먼지가 달라붙어 곤란했던 경험이 있을 것입니다. 이는 반드시 먼지가 대전되어 있기 때문은 아닙니다. 전기적으로 중성인 먼지도 스마트폰에 달라붙을 수 있습니다. 중성인 물체가 어떻게 정전기력을 받을 수 있는 것일까요? 나일론 천으로 유리 재질의 스마트폰 화면을 닦게 되면 마찰에 의해 스마트폰 표면이 대전되고, 그로 인해 전기장이 형성됩니다. 그리고 이 전기장은 근처 먼지 내부의 전하 분포를 변화시켜 부분적인 대전을 일으키게 됩니다. 구체적인 과정은 물질의 특성에 따라 다른 양상으로 나타납니다.

- 164-165p, ‘당연한 것은 없다’

아인슈타인의 상대성이론은 현대 사회 곳곳에 스며들어 있습니다. 그런데 이 이론이 당시 물리학자들에게는 너무나도 낯선 것이었습니다. 뉴턴 역학은 일상의 물리법칙들을 설명해왔고, 물리학자들은 체계가 완성되었다고 믿었지만, 아인슈타인이 그 체계를 다시 세운 것입니다. 그러나 한계가 있음에도, 물리학자들은 뉴턴 역학이 틀렸다고 생각하지는 않습니다. 속도가 빛에 비해 충분히 느린 일상적인 상황에서는 여전히 훌륭하게 작동하기 때문입니다. 아인슈타인의 이론은 뉴턴 역학을 폐기한 것이 아니라 더 넓은 틀로 확장시켰다고 할 수 있습니다.

이것은 물리학이 발전하는 주요한 방식입니다. 기존 이론이 설명하는 세계를 포함하면서, 그 너머까지 밝힐 수 있는 깊은 이론을 탄생시키는 것입니다. 특수상대성이론은 물리학의 흐름을 바꾼 거대한 전환점이었습니다. 그러나 이것은 20세기 물리학이 가져온 혁명의 일부에 지나지 않습니다. 같은 시기, 물리학의 다른 영역에서 진정 거대한 파도가 밀려오고 있었기 때문입니다.

- 182p, ‘우리가 빛의 속도로 달릴 수 있다면’

어쩌면 완전한 물리학은 영원히 도달할 수 없는 지평선 같은 것일지도 모릅니다. 그러나 그것을 단순히 결핍이라고 치부할 수는 없다고 생각합니다. 물리학이 우리에게 가르쳐준 가장 중요한 것은 완벽한 정답이 아니라, 계속해서 앞으로 나아가는 태도였으니까요. 혼란과 충돌은 실패의 흔적이 아니라, 앞으로 나아갔다는 증거입니다. 완전하지 않기에 계속될 수 있습니다.

- 245p, ‘현대 원자론의 마지막 퍼즐’

한 치 앞이 불확실해 보이고 모든 것이 빠르게 변해가는 시대, 물리학은 수천 년간 인류가 쌓아 올린 지혜를 바탕으로 우리가 흔들림 없이 나아갈 수 있게 하는 불변의 나침반을 쥐여줍니다. 하지만 왠지 모르게 외워야 할 것으로 가득 차 있던 중고등학교 교과서에서부터, ‘사유’의 즐거움으로 가득해야 할 물리학의 진짜 매력은 가려져버리곤 합니다. 이 책은 바로 그 막막했던 장벽을 무너뜨립니다. 어려운 수식들 때문에 혹여 물리학과 잠시 멀어졌던 이들에게 이 책은 따뜻하고 친절한 안내서가 될 것입니다. 여기에 유쾌하고 위트 넘치면서도 과학적 사실에 충실한 일러스트가 더해져, 페이지를 넘기는 내내 보는 재미를 선사합니다. 암기해야 할 지식이 아닌, 상상하고 고민하는 즐거움이 가득한 물리학을 만나보시길 권합니다. 우리 세상을 이해하고자 분투해온 인류의 치열한 여정에 함께하려는 여러분을 응원합니다.

김지훈 (서울대학교 물리천문학부 교수)