교양인을 위한 자연과학 10대 원리

머리말
0. 예비 사항: 용어 정리
1. 과학, 자연학, 자연과학
2. 원리, 법칙, 정리
1. 운동법칙
1. 운동 제1법칙: 관성법칙
2. 운동 제2법칙: 가속법칙
3. 운동 제3법칙: 작용반작용법칙
2. 에너지보존법칙 (열역학 제1법칙)
1. 직관적 이해
2. 역사적 흐름
3. 에너지보존법칙의 의의
3. 엔트로피증가법칙 (열역학 제2법칙)
1. 직관적 이해
2. 수식적 이해
3. 엔트로피증가법칙의 의의
4. 맥스웰방정식
1. 빛 창조의 사행시
2. 앙페르법칙
3. 가우스법칙
4. 패러데이법칙
5. 앙페르맥스웰법칙
6. 빛의 탄생
5. 상대성이론
1. 상대성이론의 주변
2. 특수상대성이론
3. 상대성이론의 단상
4. ‘상대론적 질량’ 문제
5. 일반상대성이론
6. 이중성원리
1. 입자와 파동의 대조
2. 빛의 이중성
3. 전자의 이중성과 슈뢰딩거방정식
4. 종합적 고찰
7. 확률성원리
1. 보른 해석
2. 왜 확률인가?
3. 전자 이중슬릿실험
4. 확률성원리의 단상
8. 불확정성원리
1. 위치운동량불확정성원리
2. 불확정성원리의 근원은 파동성
3. 불확정성원리는 우주창생원리
4. 불확정성원리와 우주의 시원
5. 불확정성원리의 단상
9. 불완전성정리
1. 예비 마무리
2. 역설의 침입
3. 불완전성정리 ― 역설의 환생
4. 불완전성정리의 단상
10. 진화론
1. 진화론의 역사
2. 분류와 종
3. 다윈진화론과 그 진화
4. 진화론의 단상
마치면서
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‘과학’의 원어 ‘사이언스’의 어원은 ‘배움･지식･앎’이란 뜻의 ‘스키엔티아(scientia)’라고 했다. 그런데 ‘지식(knowledge)’과 밀접한 관계에 있으면서도 대조적인 ‘지혜･슬기(wisdom)’를 뜻하는 단어로 ‘사피엔스(sapience)’가 있으며, 어원은 역시 ‘지혜･슬기’의 뜻을 가진 라틴어 ‘사피엔티아(sapientia)’이다. 한편 ‘sapience’의 라틴어 ‘sapiens’는 이대로 영어로도 쓰이고, ‘사람’의 학명인 ‘호모 사피엔스(Homo sapiens)’에도 쓰인다. 여기의 ‘호모(homo)’는 라틴어로 ‘사람’이란 뜻이다. …… 앞서 ‘사이언스･스키엔티아’를 ‘앎의 총체’라고 묘사했는데, 사실 이 ‘앎의 총체’는 사이언스와 사피엔스를 포괄한다고 봐야 한다. …… 이처럼 불가분의 혼연일체이기에 “지혜 없는 지식은 무의미하고 지식 없는 지혜는 공허하다”라고 말할 수 있다. 또한 그런 가운데 조화로운 총체를 추구해야 한다는 뜻에서 ‘호모 사피엔스’로서의 우리 인간은 ‘지식을 토대로 지혜로 나아가(야 하)는 존재’라고 하겠다.

운동법칙을 이 책의 첫째 원리로 내세운 데에는 오늘날 ‘과학’이라 부르는 분야가 사실상 이로부터 출발했다고 봐도 좋을 만큼의 크나큰 의의를 지닌다는 점이 크게 작용했다. ‘운동’은 ‘변화’이다. 뭔가 움직여야 세상이 변하니까! 그런데 대략 말하자면 이전까지의 탐구는 주로 정지된 대상을 다루었음에 비해 운동법칙이 나온 뒤에야 비로소 ‘변화’라는 것을 본격적으로 다룰 수 있게 되었다는 게 그 핵심적 의의이다.
서두에 “만유는 떠돈다”라는 헤라클레이토스의 말을 인용했는데, 그는 “같은 강물에 두 번 발 담글 수 없다”고도 말했고, “변화는 유일한 불변의 현상이다”라는 출처 불명의 말도 그의 말로 잘못 인용되곤 한다. 아무튼 이 말들은 “우주 만유의 본연은 변화이며 정지는 환상에 불과하다”라는 점을 잘 함축하고 있다. 그런데 이처럼 중요한 ‘변화’를 운동법칙이 나오고서야 제대로 이해하게 되었으니 운동법칙의 중요성은 너무나 자명하다. 운동법칙을 계기로 과학은 그 전후가 뚜렷이 구별되는 획기적인 발전을 하게 되었고 이 과정은 나중에 ‘과학혁명(scientific revolution)’이라 일컬어지는 웅대한 흐름을 이끌었다.

이제 이 장을 또 다른 극적 반전으로 마무리하자. 통상의 수준에서 에너지보존법칙은 공리로 본다. 하지만 놀랍게도 20세기에 들어 ‘대칭(symmetry)’의 관념을 통해 유도될 수 있다는 점이 밝혀졌다. 이는 어느 시대에서 가장 근본적인 공리로 여겨지는 명제라도 나중에 더욱 근본적인 관념이 발견되면 이로부터 유도되는 정리가 될 수 있다는 점을 보여주는 좋은 예의 하나로서 많은 사람들에게 신선한 충격과 깊은 감명을 주었다(‘에너지’ 자체는 ‘정어’가 아니라 여전히 ‘공어’이다). 그래서 에너지보존법칙은 열역학의 범위에서는 공리이되 과학 전체의 관점에서는 유도되는 정리들의 하나가 되었는데, 정식으로 다루기는 곤란하지만 직관적으로는 대략 다음과 같이 이해할 수 있다.