교양으로 읽는 물리학 강의

저자의 글/ 이 책을 읽기 전에
서막
1장 우주란 과학자에게 무엇인가
하늘의 움직임을 알아낸 과학자의 눈/ 원자 세계의 등장/ 원자와 우주의 만남 : 빅뱅
1막
2장 밤하늘을 정리한 케플러
프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 차이/ 브라헤와 케플러의 운명적 만남/ 케플러가 찾은 행성의 궤도
3장 갈릴레오의 멈추지 않는 기차
물체는 왜 정지하는가/ 아름다운 수와 유클리드 공간 / 시간의 패러독스
4장 천상천하의 만유인력
『프린키피아』/ 하늘과 땅에서의 움직임을 같은 원리로 설명하다/ 지구와 태양, 지구와 달/ 지구의 무게는 어떻게 잴까/
만유인력의 위력과 기계적인 우주
5장 미술로 우주를 그려내다
14세기 이전/ 원근법의 시대/ 19세기 이후

2막
6장 노다지가 된 전하
전하의 등장/ 전자석의 마술/ 도체판에 생기는 맴돌이 전류/ 전자파의 발견/ 전자파를 이용하다
7장 엔트로피
기체와 증기기관/ 카르노가 만든 열기관/ 기체의 압력은 분자가 만든다/ 통계로 보는 분자운동
8장 원자 세계의 양다리
빛의 새 이름 _광자/ 전자는 입자인가?/ 불확정성 원리/ 슈뢰딩거의 고민
9장 원자가 만드는 천상의 음악
원자의 스펙트럼/ 슈뢰딩거 방정식/ 전자는 페르미온/ 빛과 레이저

3막
10장 우주의 절대 제한속도 c
에테르는 존재하는가?/ 추월할 수 없는 속도/ 시간과 공간은 하나로 묶여 있다/ 질량은 에너지, E=Mc2
11장 블랙홀과 휘어지는 시공간
시공간, 어떻게 보아야 하나?/ 휘어지는 시공간/ 휘어지는 빛, 느려지는 시계/ 시간이 멈추는 별, 블랙홀
12장 별빛이 된 핵에너지
별은 원소 공장이다/ 지구는 원소를 저장하는 창고다/ 핵 발전
13장 세 개로 된 삼라만상
삼라만상/ 렙톤/ 쿼크와 하드론/ 힘을 전달하는 광자와 게이지 보존/ 진공이 변하고 질량이 나타나다
14장 우주와 원자의 대통합
우주의 현재 모습/ 우주의 과거 모습/ 우주의 미래 모습

맺는 글/ 찾아보기

머리 위에 펼쳐 있는 하늘은 훤히 보이지만 쉽게 다가갈 수 없는 곳이다. 하늘을 나는 새가 신기하게 보이듯이, 과거 하늘에 떠 있는 해와 달은 더욱 신비하게 보였다. 새는 땅으로 내려오기 때문에 자세히 볼 수 있지만, 해와 달은 결코 땅으로 가까이 오는 법이 없다. 그러나 신비하게만 보이던 하늘에도 규칙이 있다는 것을 깨닫게 된다. 신앙심이 깊었던 케플러는 우주를 신의 형상으로 생각하고, 태양을 하나님으로 비유하여 태양 중심설을 받아들였다. 그는 태양 중심설이 지구 중심설보다 오히려 성서를 반영한다고 믿었다. 그리고 한평생을 밤하늘의 규칙을 정리하는 데 보냈다.
_ 2장 「밤하늘을 정리한 케플러」


우리는 물체의 움직이는 성질에 대해 얼마나 알고 있을까? 아리스토텔레스는 이미 기원전 4세기에 그의 경험과 철학을 바탕으로 물체의 움직임에 대한 논리적인 이론을 만들었다. 당시에 아리스토텔레스의 주장은 학술적 권위를 가지고 있었고, 논쟁의 대상이 될 수 없었다. 그의 주장에 반대한다는 것은 당시의 학자로서 는 감히 상상도 할 수 없는 일이었다. 그런데 갈릴레오는 달랐다. 그는 어떤 주장이든 반드시 실험으로 확인되어야 한다고 굳게 믿었다. 그는 논쟁의 여지가 없어 보이던 아리스토텔레스의 주장에 색다른 질문을 던졌다. 이는 일종의 사고 실험과 같은 형식으로, 기존과 다른 방식으로 생각할 수 있는 가능성을 열어주었다. 사고 실험이란 실제 실험은 아니지만, 그 주장이 맞는지를 논리적으로 확인하는 과정이다. 갈릴레오는 이 사고 실험에서 아리스토텔레스의 주장에 문제가 있음을 밝히기 시작했다. 그리고 직접 실험을 해보임으로써 자신의 주장이 옳다는 것을 확실히 증명했다. 이러한 갈릴레오의 시도로 사람들은 움직임에 대한 본성, 물체가 들어 있는 공간 자체와 시간이 흘러가는 모습에 대해 다시 생각하게 되었다.
_3장 「갈릴레오의 멈추지 않는 기차」


16세기가 되면서 과학자들은 피타고라스의 (수학적이지만) 신비적인 경향과 아리스토텔레스의 (논리적이지만) 탁상공론적인 경향에서 벗어나기 시작했다. 브라헤의 정밀한 천문관측은 천문학을 한 단계 상승시켰고, 케플러의 수학적 능력은 행성의 운행을 아름다운 하늘의 법칙으로 승화시켰다. 그리고 갈릴레오의 실험정신은 지상에서 움직이는 물체의 운동법칙을 찾아냈다. 그러나 하늘과 지상의 법칙을 하나로 종합하는 일은 반세기가 지나 뉴턴이 해내게 된다. 천상천하를 통일하는 만유인력을 세상에 선보인 것이다. 이 내용은 『프린키피아(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica:자연철학의 수학적 원리)』(1687)에 자세히 나와 있다.
_4장 「천상천하의 만유인력」


언뜻 보기에 화가와 과학자는 관점이 전혀 다르거나 공통점이 별로 없어 보인다. 하지만 놀랍게도 화가의 눈으로 보는 자연과 과학자가 관찰하는 자연 사이에는 중요한 공통점이 있다. 예술도 자연과 우주에 대한 아이디어를 시각적으로 강렬하게 나타낸다는 점이다. 이러한 사실은 자연과 우주를 표현하는 방식이 과학자만의 전유물이 아님을 보여준다. 시간과 공간, 그리고 물질을 그림과 조각을 통해 표현한 모습은 과학자가 알아낸 자연과 아주 흡사하다. 예술가들은 때로 시대를 앞서기도 하였고, 때로는 과학자와 서로 영향을 주고받기도 했다. 예술에 반영된 자연의 관점이 시대에 따라 어떻게 나타났는지 알아보는 장이다.
_5장 「미술로 우주를 그려내다」


뉴턴이 찾아낸 자연법칙은 엄청난 성공을 가져왔지만, 뉴턴 당시의 물질에 대한 연구는 아주 초보적 수준이었다. 그러나 지금은 어떤가? 도심에는 쉬지 않고 고층 건물이 들어서고 있다. 무게를 지탱해주는 강력한 소재가 나오면서 가능해졌다. 손에서 떼놓을 수 없는 휴대전화는 어떤가? 무선통신과 소형 칩이라는 전혀 다른 개념을 이용하고 있다. 이 모두가 물질에 들어 있는 전하를 이용한다는 점이다. 전하는 현대문명의 기반을 만드는 중요한 원천이다. 전하가 어떻게 현대문명에 풍요를 가져오게 되었는지 살펴보기로 한다.
_6장 「노다지가 된 전하」


물질을 어떻게 이해할 것인가? 만유인력이 하늘의 움직임을 일관성 있게 설명한 것처럼, 물질을 설명할 수 있는 방법이 있는가? 물질 안에 숨어 있던 전하를 이용하게 되었지만, 아직도 물질에 대해서는 모든 것이 모호했다. 물질은 무엇으로 구성되어 있으며, 물질이 변하는 원인은 무엇일까? 물질에는 수많은 분자가 들어 있다. 이를 다루는 방식은 뉴턴이 천체를 다루던 방식과는 크게 다르다. 분자들의 움직임은 열이라는 방식을 통해 만나게 된다. 열은 새로운 자연의 원리를 찾아내는 실마리였다. 그리고 엔트로피는 뉴턴의 방식과는 아주 다른 세계를 보여주는 핵심 요소였다. 열과 엔트로피의 관계를 어떻게 알아냈을까?
_7장 「엔트로피」


기체 분자가 미시 세계의 문을 여는 가이드였다면, 빛은 원자 세계를 구체적으로 보여주는 전령이었다. 비온 후 하늘에 뜨는 무지개의 색을 보고 뉴턴은 빛을 입자들의 집단이라고 해석했다. 그러나 빛은 파도처럼 간섭을 일으킨다는 것이 19세 기 초에 간섭무늬 실험으로 확인되었다. 19세기 중반 이후에는 빛을 전자파로 다루게 되었다. 이러한 과정에서 빛이 파동이라는 정체성에 대해 부인할 수 있는 사람은 아무도 없었다. 그런데 20세기에 들어서면서부터 상황이 달라졌다. 새로운 실험들이 등장하면서 빛의 정체성에 대한 의문이 생기기 시작했다. 빛만이 아니었다. 물질 속의 원자도 마찬가지였다. 처음엔 알갱이로 생각되었지만, 자세히 알수록 전혀 예상치 못한 파동의 모습들도 발견되었다. 과학자들은 크게 당황했지만 결국엔 입자와 파동의 세계를 제대로 이해할 수 있는 새로운 논리를 찾아냈다.
_8장 「원자 세계의 양다리」


밤거리를 밝히는 수은등과 나트륨 등은 기체 원자가 내는 빛이다. 원자들은 고유한 빛을 낸다. 과학자들은 원자가 내는 빛에 의지하여 원자의 비밀을 풀었다. 이 과정은 마치 태양계의 운동이 케플러의 법칙으로 정리되고, 이를 뉴턴이 만유인력으로 통합한 과정과 비슷하다. 원자가 내는 빛의 규칙성이 알려짐에 따라 원자 세계를 원리적으로 이해할 수 있는 방안이 마련되었다. 물질의 기본 원소로 생각되었던 원자 세계는 어떤 비밀을 간직하고 있을까?
_9장 「원자가 만드는 천상의 음악」


물질 속의 미시 세계는 하늘에 보이는 거시 세계와는 많은 점이 달랐다. 원자는 물질파이고 확률로만 예측이 가능했다. 이러한 원자의 모습을 알게 되는 과정에서 빛이 중요한 역할을 했다. 빛은 또 다른 모습으로 우주의 진리를 깨닫게 해주었다. 이번에는 광속이다. 빛은 진공에서 광속 c(30만km/s)로 달린다. 그런데 세상에서 광속보다 빨리 달릴 수 있는 물체는 존재하지 않는다. 왜 속력에는 광속이라는 한계가 존재하는 것일까? 바로 뉴턴이 생각했던 절대시간과 절대공간의 사고방식에 문제가 있었기 때문이다. 과학자들은 뉴턴이 생각했던 것과는 달리 시간과 공간이 독립적으로 존재하는 것이 아니라는 사실을 깨닫게 된다. 우주에 존재하는 시간과 공간은 시공간이라는 하나의 실체였다. 빛이 가져다준 새로운 선물이다.
_10장 「우주의 절대 제한속도 c」


마이컬슨-몰리의 실험 결과는 절대관성계가 더 이상 필요하지 않다는 결론을 내포하고 있었다. 그리고 아인슈타인의 특수상대론은 시간과 공간에 대한 관점을 새롭게 바꾸어놓았다. 그럼에도 시공간에 대한 질문은 여전히 남아 있다. 시공간과 우주는 어떤 관계에 있을까? 시공간이란 뉴턴이 생각했던 것처럼 우주에 스스로 존재하는 그 무엇일까? 물질이 존재하지 않는다면 시공간이 존재한다는 것에 어떤 의미를 줄 수 있을까?
_11장 「블랙홀과 휘어지는 시공간」

눈에 보이는 하늘은 별로 가득하다. 망원경으로 보면 그 수는 헤아릴 수 없이 많다. 수천억 개의 은하와 각 은하마다 존재하는 수천억 개의 별들은 찬란한 빛을 내고 있다. 태양은 지난 45억 년 동안이나 빛을 내고 있다. 태양이 기름을 태워 빛을 내고 있었다면 1000년을 지탱하지 못하고 이미 사라진 별이 되었을 것이다. 그러나 태양은 앞으로도 50억 년 동안이나 더 빛을 낼 수 있다. 하늘에 있는 수많은 별들은 어떻게 빛을 내는 것일까?
_12장 「별빛이 된 핵에너지」

분자는 기본 입자가 아니다. 분자는 원자가 모여서 만들어진다. 원자도 기본 입자가 아니다. 원자 속에는 핵과 전자들이 들어 있다. 그리고 핵은 양성자와 중성자로 만들어진다. 그렇다면 양성자 안에는 또 다른 무엇이 들어 있을까? 물질 속으로 들어가면 끝이 있을까? 현재까지 알려진 물질의 기본적 요소로는 쿼크와 렙톤 그리고 게이지 보존이 있다. 삼라만상에는 물질을 만드는 기본 물질이 존재하고, 이 기본 물질 사이에 힘이 작용하여 물질의 변화가 이루어진다. 이러한 기본 구조는 그리스 엠페도클레스의 4원소설이나 음양오행설의 사고방식과 크게 다르지 않다. 물론 구체적인 요소와 내용은 전혀 다르지만 원소가 존재하고, 이를 변화시키는 힘의 요소가 있다는 사실, 그리고 원소들이 결합하여 삼라만상을 만들어낸다는 기본 골격은 그대로 유지된다. 현재까지 확인된 물질의 기본요소에 대해 알아보자.
_13장 「세 개로 된 삼라만상」

밤하늘은 수많은 별이 떠 있는데도 왜 어두운 것일까? 이 물음을 올베르스 패러독스라고 한다. 케플러도 같은 의문을 품었다. 무한히 큰 우주 공간에 무한히 많은 별들이 퍼져 있다. 그리고 이 별들은 아주 오랜 옛날부터 빛을 내고 있다. 이 많은 별빛이 사방에서 쏟아진다면 밤과 낮은 항상 밝아야 하지 않을까? 그런데 실제로는 그렇지 않다. 왜일까?
_14장 「우주와 원자의 대통합」