최무영 교수의 물리학 이야기

기획의 글 최무영 교수와 함께한 화요일 4
머리말 과학에 대한 올바른 인식을 위하여 8

1부. 물리학, 오해와 진실
매우 실용적이거나 너무 거창하거나? 19
생물학과 생물물리학의 차이는? 20
서울대 물리학과 최무영입니다, 인사하면... 23
물리학의 방법: 동역학과 통계역학 24
물리학은 상상을 허락하지 않는다? 30
대통령이 과학을 공부해야 하는 까닭 34
과학의 위력은 어디서 오는가? 41
무엇이 과학인가? 43
물리학자가 버스에 승객들이 타고 내리는 걸 연구한다고? 45

2부. 물리학자들은 무엇을 질문하고 무엇을 알아냈을까?

1. 시공간과 우주
인간의 내재적 욕망과 불안56
혼돈에서 질서로, 우주관의 변화 57
천문학과 물리학의 만남, 천체물리의 탄생 60
별의 일생과 우주에 존재하는 다양한 물질 상태 62
우주는 단순한 무대가 아니다 68
우주는 무엇을 숨기고 있을까? 75
대폭발에 대해서 78
물리학자들은 우주에 관해 무얼 더 알아내려고 할까? 81
다중우주, 뭇세계 86

2. 물질의 구성
물질이 뭐냐면... 94
물질의 기본 단위, 원자를 생각하다 96
원자는 실제로 존재한다! 98
열을 원자들의 운동으로 이해한 볼츠만: 통계역학으로 열역학과 동역학을 연결하다 103
시간되짚기와 엔트로피 106
물질을 구성하는 기본 입자, 쿼크와 경입자 112
경입자, 중간자 중입자 118
물질을 이루는 구성원들 사이의 네 가지 상호작용 122
게이지입자와 힉스입자 126
입자들은 얼마나 오래 살까? 130
여전히 많은 물질은 어둠 속에 있다 131

3. 물질의 상태
물질의 상태는 집단적 성질이다 137
우리 주위에 있는 대부분의 물질은 응집물질 139
기체와 고체 그리고 액체 141
자연의 대칭성 144
고체는 대칭성이 깨진 상태! 148
대칭성으로 보면 물과 수증기는 같다! 151
물이 무엇인지 아무도 모른다 154
기체인 듯 기체 아닌, 고체인 듯 고체 아닌, 복잡한 물질의 상태 157
부분을 모두 안다고 전체를 알 수 있는 건 아니다 161
자연현상을 이해하는 새로운 관점: 떠오름 163

3부. 21세기 물리학

1. 물리학의 미래
물리학은 리어왕 신세가 될 것인가? 170
구성이 환원된다고 속성까지 환원되는 것은 아니다 172
물리학은 자연의 근본 원리를 찾아내는 것인가, 자연에 대한 해석을 만들어 내는 것인가? 178
힉스입자의 발견과 중력파 검출, 그 다음은? 180
환원론을 넘어서: 총체론 그리고 엔트로피와 정보 187
단팥빵과 도넛과 프레첼: 물질의 상태를 이해하는 새로운 시각 191
‘꼭대기에서 아래로’가 아니라 ‘밑바닥에서 위로’: 물리학의 지평이 넓어지고 있다 197

2. 혼돈의 가장자리, 복잡성과 복잡계
질서와 혼돈 200
복잡계란 무엇인가? 207
정의할 수 있다면 더 이상 복잡성이 아니다! 210
전체가 부분에 있고, 부분이 전체에 있다 212
쩔쩔맴: 복잡성의 재료 215
복잡계를 연구하는 방법 219

3. 복잡계로 이해하는 생명
생물학과 물리학의 만남 222
생명이란 무엇인가: 생명현상의 본질을 찾아서 224
복잡계로 보는 생명현상 230

4. 복잡계로 이해하는 사회
사회과학과 물리학의 만남 240
복잡계 관점에서 보는 사회현상의 떠오름 244

맺음말 물질 생명, 사회: 통합과학의 모색 253

우리말 용어 비교표 258
찾아보기 261

아무런 관련이 없어 보이는 무수히 많은 현상들, 그것들을 하나로 엮어서 한 가지 틀로 해석할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이고 흥미로운 것이죠. 그것이 보편지식을 추구하는 물리학의 매력입니다.

모든 자연현상을 속속들이 까발리다 보면 언젠가는 물리학으로 모두 설명되어 상상의 여지는 남지 않게 되는 것 아닐까요? 그렇지 않습니다. 물리학은 끝나지 않을 것입니다. 예술이 끝나지 않는다면 물리학도 끝나지 않는다고 이야기할 수 있습니다. 왜냐하면 예술과 마찬가지로 물리학의 원동력도 상상력이기 때문입니다.

최근에 암호화폐(가상화폐)와 지진 문제도 그렇고, 무엇이든 생각나는 것을 보면 과학과 관련되지 않은 것이 없는 듯합니다. 그러니 현대사회가 얼마나 과학에 의존하고 있는지 알 수 있지요. 그런데 국가 정책을 결정하는 사람들이 과학에 대해 전혀 모른다면 사회의 유지와 발전 그리고 우리의 미래에 있어서 얼마나 치명적일까요? 정책을 결정하고 실행하는 사람들이 과학을 모르면 이러한 과학적인 문제들이 과학이 아니라 비과학적, 때로는 아예 반(대)과학적인 방식으로 논의되고, 결국 갈등을 만들어 커다란 사회적 비용을 지불하게 됩니다.