한 권으로 총정리한 물리의 법칙

머리말

떨어지는 물체, 무게는 달라도 가속도는 일정하다 - 갈릴레이의 자유낙하 운동 법칙
태양계를 움직이는 세 가지 질서를 밝히다 - 행성 운동애 대한 케플러의 법칙
우주의 모든 물체는 서로를 끌어당긴다 - 뉴턴의 중력법칙
사과에서 달까지 모든 물체는 똑같은 운동법칙을 따른다 - 뉴턴의 운동법칙
자연에는 4가지 기본 힘이 존재한다 - 힘의 물리학
모습을 바꿀 뿐, 에너지의 총합은 영원히 변하지 않는다 - 에너지 보존의 원리
빛의 기초 법칙들을 알아내다 - 빛의 반사법칙과 굴절법칙
빛은 최단 시간 경로를 택한다 - 페르마의 최소 시간의 원리
간섭무늬로 빛이 파동임을 증명하다 - 영의 이중슬릿 실험
비행기 날개 모양이 비행기를 뜨게 하다 - 유체에 대한 베르누이 정리
전하가 전기를 만든다 - 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
전류가 자기를 만든다 - 외르스테드의 실험과 앙페르의 법칙
자기장의 변화가 전기장을 만들어낸다 - 패러데이의 법칙
빛은 전자기 파동이다 - 맥스웰의 전자기학 방정식
뜨거워진 기체가 만드는 힘의 규칙 - 이상기체에 대한 보일-샤를의 법칙
영구기관은 왜 불가능한가? - 열역학 법칙
통계로 열의 정체를 밝히다 - 맥스웰-볼츠만 분포
미스터리한 빛의 언어를 해독하려 하다 - 흑체복사 법칙과 빛의 특성
보이지 않는 광선과 빛의 특성에서 원자의 비밀을 캐려 하다 - 음극선 실험과 전자의 발견
빛은 파동이 아닌 입자다 - 광전효과와 아인슈타인의 이론
실패해서 물리학 역사상 가장 유명해진 실험 - 마이컬슨-몰리 실험
빠르게 움직일수록 시간은 느려지고 길이는 줄어든다 - 특수상대성이론
사라진 질량은 거대한 에너지가 된다 - E=mc2
중력은 거대한 질량이 휘어놓은 시공간의 흔적이다 - 일반상대성이론
별의 질량에 따라 최후가 달라진다 - 찬드라세카르 한계와 블랙홀
시공간의 지름길을 타고 어제와 내일을 만나다 - 시간여행
우주는 대폭발로 탄생했으며 지금도 팽창하고 있다 - 허블-르메트르 법칙과 빅뱅 이론
에너지는 흐르지 않고 덩어리져 존재한다 - 플랑크의 양자가설
딱딱한 물질조차 때로는 파동처럼 움직인다 - 드 브로이의 물질파 가설
텅 빈 공간의 중심에서 단단한 핵을 발견하다 - 러더퍼드의 알파입자 산란 실험
위치와 속도, 둘을 동시에 알 수는 없다 - 하이젠베르크의 불확정성 원리
미시 세계의 모든 가능성을 파동에 담다 - 슈뢰딩거 방정식
변신의 귀재 원자핵의 비밀을 풀다 - 핵붕괴와 핵분열의 원리
우주를 구성하는 기본 조각들의 지도를 그리다 - 소립자에 대한 표준 모형
네 가지 기본 힘을 하나로 통합하다 - 힘에 대한 만물 이론
중력을 거스르는 자석, 저항 없는 에너지가 흐르다 - 마이스너 효과와 초전도 현상
아주 작은 것들의 세계에는 바닥이 없다 - 나노물리학
예측할 수 없는 혼돈에도 법칙은 숨어 있다 - 로렌츠 방정식과 카오스 이론
쌓아올린 신경망 속에서 인공의 직관을 발견하다 - 인공지능의 원리

맺음말
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달은 지구가 달에 작용하는 중력과 달의 관성 때문에 지구 주위를 공전합니다. 이와 마찬가지로, 지구는 태양이 지구에 작용하는 중력과 지구의 관성 때문에 태양 주위를 공전합니다. 그런데 지구가 태양에 작용하는 중력은 왜 태양을 지구 주위로 공전하게 할 수 없을까요? … 뉴턴도 마음속으로 같은 질문을 던졌을 것입니다. 이 질문을 통해 뉴턴은 운동에관한제2법칙이라 불리는 ‘힘과 운동에 관한 중요한 원리’를 깨닫습니다. 즉, 물체에 힘이 작용하면 이 물체는 힘을 물체의 질량으로 나눈 가속도를 갖게 된다는 것입니다. … 지구도 무겁지만 태양은 지구에 비해 40만 배나 더 무겁습니다. 따라서 태양과 지구는 같은 크기의 중력으로 서로를 끌어당기지만, 태양의 가속도는 지구 가속도의 40만 분의 1밖에 되지 않습니다. 다시 말해 지구의 가속도에 비하면 태양의 가속도는 무시해도 될 정도, 즉 0에 가깝다고 할 수 있습니다. 따라서 태양은 거의 정지해 있는 반면, 가속도가 큰 지구만이 태양 주위를 공전하는 것입니다.

우리는 [물리학 발전의] 두 번째 단계에서 빛이 두 물질의 경계, 즉 공기와 물의 경계인 수면에서 굴절한다는 사실을 발견했습니다. 또 이때 굴절법칙이 적용된다는 것도 알아냈습니다. 이제 우리가 세 번째 단계에서 할 일은 굴절법칙을 설명해줄 자연의 근본 원리를 찾아내는 것입니다. 이 단계는 두 번째 단계보다 훨씬 힘든 과정을 거쳐야 하며 성공 여부도 장담할 수 없습니다. 유명한 프랑스의 변호사이자 아마추어 수학자인 페르마(1601~1665)는 빛의 반사와 굴절을 설명하기 위해 최소시간의원리(페르마의원리)를 발표하였습니다. 여기서 원리란 흔히 법칙보다 수준이 높은 발견을 부를 때 사용합니다. … 빛은 두 지점을 잇는 경로들 중에서 지나는 시간이 가장 짧은 경로를 선택한다는 것이 바로 페르마의 최소 시간의 원리입니다. 이처럼 간단한 원리로 빛의 반사와 굴절은 물론, 모든 빛의 이동을 설명할 수 있다는 사실이 무척 신비롭습니다.