물질의 물리학

추천의 글
머리말

1. 최초의 물질 이론
내 별명은 헬로 / 그리스의 자연철학자: 엠페도클레스, 데모크리토스 / 플라톤의 티마이오스 / 부분과 전체 / 현대 물질 이론 / 30년 후
2. 꼬인 원자
헬름홀츠 / 소용돌이 / 소용돌이 원자론 / 위상 원자 이론의 몰락, 부활, 몰락, 그리고…
3. 파울리 호텔
배타적 전자 / 물질의 분류 / 제이만, 로런츠, 파울리 / 전자의 사회학 / 블로흐의 증명
4. 차가워야 양자답다
절대영도의 세계 / 오너스의 냉장고 / 양자다운, 너무나 양자다운 / 초전도체와 힉스 입자 / 두 종류의 액체헬륨 / 과학적 낙수 효과
5. 빛도 물질이다
그때는 틀리고 지금은 맞다 / 빛에 대한 공학적 접근: 빛을 나누는 장치 / 빛은 파동이다: 맥스웰의 대발견 / 빛도 입자다! 난로와 전자레인지의 교훈 / 파동의 물질성, 물질의 파동성 / 아인슈타인이 '놓친' 노벨상
6. 양자 홀 물질
전자를 움직이는 힘: 전기력과 자기력 / 맥스웰의 실수, 홀의 발견 / 가장 얇은 금속 / 클리칭의 우연한 발견 / 시애틀, 위상 숫자
7. 그래핀
선배 / 2차원 물질 / 탄소 물질 / 그래핀 발견 / 상대론적 전자계 / 호프스태터 나비 / 놓친 기회, 새로운 기회
8. 양자 자석
입자는 자석이다 / 자석은 정보다 / 위상 자석 / 차원의 반전 / 땅콩 크기만한
9. 위상 물질 시대
샤모니의 추억 / 위상이란 이름 / 제3의 고체 / 양자 스핀 홀 효과 / 짝수 절연체, 홀수 절연체 / 상대론적 금속

꼬리말
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나는 이론물리학자다. 새로운 물리 이론을 만들어 논문을 쓰는 게 내 일이다. 논문을 왜 쓰는가? 승진, 인정, 명성 등 여러 가지 현실적인 이유를 들 수 있지만, 가장 원초적인 이유는 남들과 공유하고 싶은 나만의 이야기가 있기 때문이다. 그런데 여기서 말하는 남들이란 나와 같은 분야에서 일하는 다른 연구자들이다. 대상이 좁을 수밖에 없다. 전 세계를 다 훑어봐도, 내가 반년 동안 온 힘을 기울여 완성한 논문을 읽고 관심을 가질 만한 사람은 겨우 스무 명 남짓하다.
그 동기만을 놓고 보면, 대중을 향한 책 쓰기도 논문 쓰기와 다르지 않다. 나만의 이야기가 있을 때, 그걸 사적인 자리에서 혹은 사회관계망에서 친구들, 동료들과 공유하는 것만으로는 뭔가 아쉬움이 남을 때, 심지어 이 말만은 꼭 하고 죽겠다는 각오마저 들게 하는 그런 이야깃거리가 있을 때, ‘저술가’라는 부류의 인간이 탄생한다. 나에게도 인생을 한 걸음 더 나아가기 전에 정리해서 남겨놓고 싶은 이야기가 하나 있다. 물질의 이야기다.

거대한 우주에 대한 서사나, 신의 영역에 도전하는 소립자 세계에 대한 이야기는 이 책에 없다. 책의 출발점은 일상생활의 뿌리요 뼈대인 원자이고, 그 원자를 설명하는 양자역학이다. 이 책은 원자로부터 시작해서 몸집을 키워나간다. 물질의 세계를 향해 나간다. 일상생활에서 흔히 발견되는 익숙한 물질보다는 실험실에서나 찾아볼 수 있는 독특한 물질의 세계를 주로 다루었다. 진정한 양자 물질의 세계는 산속에 은둔해 무술 연마에만 몰두하는 무림 고수의 세계와 비슷하다. 실험실 밖으로 잘 나오지 않는다. 그 무림 세계를 지배하는 굵직한 계파 이야기를 공유하려고 한다. 이 책에서 다루는 계파, 즉 양자 물질은 초전도체, 초액체, 양자 홀 물질, 그래핀, 디랙 물질, 위상 물질 등이다. 조금 신기하게 들릴 수도 있겠지만, 빛도 물질이다.

과학이라는 행위는 어떤 근사한 가설 하나를 줄에 묶어 천장에 매달아놓고, 그 아래 부엌에서 과학자들이 그 가설의 옳고 그름을 검증하려고 이런저런 실험과 계산을 해보는 모습에 비유할 수 있다. 그 가설이 옳다는 쪽으로 결론이 나면 줄은 아래로 내려오고, 주방에서 일하는 사람이라면 누구나 그 가설을 가까이 만지고, 냄새 맡을 수 있게 된다. 가설은 이제 ‘정설’ 또는 ‘법칙’으로 불린다. 누군가 오래전에 그 가설 덩이를 천장에 매달아놓은 덕분에 주방에서 비로소 일을 시작할 수 있게 되었다. 데모크리토스는 ‘원자’라는 이름의 아주 매력적인 가설을 천장에 매달아준 인물이고, 그의 가설 덩어리를 주방으로, 정설로, 진리의 세계로 끌어내리기 위해 과학자들은 2천 년이 넘는 세월 동안 주방에서 분주하게 일했다.