물질의 물리학 : 고대 그리스의 4원소설에서 양자과학 시대 위상물질까지

한정훈

성균관대학교물리학과교수.1997년워싱턴대학교에서데이비드사울레스교수(2016년노벨물리학상수상)의지도아래박사학위를받은후아시아태평양이론물리센터(1997~1999),버클리대학교(1999~2001)연구원,건국대(2001~2003)교수를거쳐성균관대(2003~현재)에재직중이다.주요연구분야는양자자성체,양자스핀계이론이다.다강체이론,스커미온이론,양자스핀계의수송이론등에서독보적인연구업적이있다.고등교육재단해외유학장학생에선발된바있고,워싱턴대학교의서배스천카러상SebastianKarrerPrize,삼성미래기술육성재단연구비등을받았다.지도교수의노벨상수상을계기로여러차례대중강연을하고해설을기고하기도했다.80여편의학술논문과함께전공서적『응집물질에서의스커미온SkyrmionsinCondensedMatter』(Springer,2017)을출판했다.2019년부터는고등과학원에서발행하는웹진〈호라이즌〉의편집자로참여해대중과학원고섭외,편집,출판을돕고있다.

추천의글
머리말

1.최초의물질이론
내별명은헬로/그리스의자연철학자:엠페도클레스,데모크리토스/플라톤의티마이오스/부분과전체/현대물질이론/30년후
2.꼬인원자
헬름홀츠/소용돌이/소용돌이원자론/위상원자이론의몰락,부활,몰락,그리고…
3.파울리호텔
배타적전자/물질의분류/제이만,로런츠,파울리/전자의사회학/블로흐의증명
4.차가워야양자답다
절대영도의세계/오너스의냉장고/양자다운,너무나양자다운/초전도체와힉스입자/두종류의액체헬륨/과학적낙수효과
5.빛도물질이다
그때는틀리고지금은맞다/빛에대한공학적접근:빛을나누는장치/빛은파동이다:맥스웰의대발견/빛도입자다!난로와전자레인지의교훈/파동의물질성,물질의파동성/아인슈타인이'놓친'노벨상
6.양자홀물질
전자를움직이는힘:전기력과자기력/맥스웰의실수,홀의발견/가장얇은금속/클리칭의우연한발견/시애틀,위상숫자
7.그래핀
선배/2차원물질/탄소물질/그래핀발견/상대론적전자계/호프스태터나비/놓친기회,새로운기회
8.양자자석
입자는자석이다/자석은정보다/위상자석/차원의반전/땅콩크기만한
9.위상물질시대
샤모니의추억/위상이란이름/제3의고체/양자스핀홀효과/짝수절연체,홀수절연체/상대론적금속

꼬리말
찾아보기

“모든물질은양자물질이다.우리몸과빛조차도!”
현대물리학의가장큰분야,응집물질물리학을소개하는최초의교양서!

★★★김민형,김필립,염한웅,이상욱교수추천

현대물리학에서가장큰분과인응집물질물리학을대중에게소개하는책.‘응집물질’이란말그대로액체나고체처럼입자간상호작용이강한물질로,반도체,금속,자석,초전도체등우리가사는세상에서가장흔한형태의물질이다.한국물리학회회원중약4분의1,미국물리학회회원중약3분의1이응집물질물리학연구를하고있다.이정도면‘물질의물리학’을대중에게소개하는책한권정도는있을법한데,국내는물론이고과학선진국이라고하는국가를통틀어도그런책을찾기는매우어렵다.다루는내용이무척넓고다양해서양자역학,전자기학,통계역학의법칙들을두루이용하기도하거니와대중에게수학을배제한채일상의언어만으로물리학이론을설명하는데는한계가있기때문이다.이런고난도작업을이론물리학자한정훈박사는30여년의연구경험과2016년지도교수의노벨물리학상수상이계기가된대중강연과글쓰기경험을바탕으로,이책에서능숙하게해낸다.탁월한스토리텔링과비유를곁들여직관적이면서도정확하고자세한설명을따라가다보면현대물리학의큰흐름을맛볼수있을것이다.

세상만물은물질로이루어져있다.
그런데,물질이란무엇인가?
고대그리스시대부터제기된궁극의질문,
불과백여년전발견된양자역학과함께정답이쏟아지기시작했다!

이책은총아홉개의장으로구성되어있다.각장에서다루는내용을간략히소개하면다음과같다.

1장’최초의물질이론‘에서는4원소설로대표되는고대그리스의물질관과현대의양자역학적물질관을비교,소개한다.2장’꼬인원자‘에서는양자역학이탄생하기직전유행했던흥미로운원자론을소개하면서,위상수학적개념이물리학역사에서부침을거듭하면서도어떤유익한발전을가져왔는지살펴본다.3장’파울리호텔‘에서는물질을호텔에비유하여양자역학적으로물질을구분하는방법을설명한다.왜어떤물질은전기가통하고,어떤물질은그러지못하는지양자역학적관점에서알수있다.4장’차가워야양자답다‘에서는저온물리학의개척자카메를링오너스를소개한다.절대영도에가까운극저온상태에서물질의양자역학적성질은극명하게드러난다.5장’빛도물질이다‘에서는빛과물질은서로다른대상이란통념이어떻게깨졌는지서술한다.빛도물질이라는자각을통해비로소양자역학의토대가놓였다고할수있다.6장’양자홀물질‘에서는대표적인위상수학적물질인양자홀물질의발견과이론의발전이100년이넘는기간을통해이루어진과정을소개한다.7장’그래핀‘에서는저자의중학교,대학교1년선배인세계적인그래핀과학자김필립교수이야기를개인적인관점에서다룬다.물질에는2차원,1차원물질도있다는사실을알수있다.그래핀이바로대표적인2차원물질이다.8장’양자자석‘에서는자석에대한양자역학적이해와응용의역사를다룬다.자석은장난감이아니라가장양자역학적인물질인동시에중요한정보저장장치이다.특히이장에는저자의연구가〈네이처〉에실리기까지의과정이생생하게담겨있어,물질을연구하는물리학자는무엇을꿈꾸고어떻게연구하는지간접적으로느껴볼수있다.9장’위상물질시대‘에서는현재진행중인첨단양자물질물리학분야를소개한다.

물질을이루는원자,그원자를이해하는유일한도구양자역학
탁월한스토리텔링과독창적인비유로이해하는양자물질의역사

현대물리학의근간이되는양자물리학이이우주를구성하는물질을어떻게설명하는지비전공자에게명쾌하게설명한다는것은정말어려운일이다.그런데저자는탁월한스토리텔링과독창적인비유로이를능수능란하게해낸다.예를들면물질을호텔에,물질속의전자를그호텔의투숙객에비유하는3장’파울리호텔‘이그렇다.파울리호텔에는설계도(양자역학)도있고,운영방식(배타원리)도있다.투숙객(전자)들은위아래층(전자의에너지정도)을오르내리고,복도에는구멍이뚫려있어아래층으로내려오려면이구멍으로떨어져야한다.떨어지면서쿵,꽈당등다양한소리(빛)도낸다.흥미로운비유를곁들여읽다보면양자역학,분광학,전자기학지식에자연스럽게익숙해진다.

또한이책에는수많은물리학자가등장한다.그중에서도양자물질의역사에서빼놓을수없는인물이네덜란드의과학자카메를링오너스다.뉴턴법칙이진공이라는극단적인환경에서제대로입증되는것처럼,물리학의원리를제대로보기위해서는극한의환경이필요하다.이런맥락에서물질의양자적인속성은저온상태에서더잘드러나는데,이문제에결정적인기여를한것이바로오너스가만든냉장고다.오너스가1882년29세의나이로레이던대학교의교수로취임할때까지액화시키지못한유일한기체는헬륨이었는데,오너스는이주제를파고들어그로부터26년후액체헬륨을얻는데성공한다.어떤물질이든절대영도(섭씨영하273.15도)근방까지낮출수있는’절대냉장고‘가탄생한것이다.이냉장고는20세기전반에걸쳐양자물질의비밀을풀어내는데필요한단서를하나씩제공해주었다.

이렇게발견된물질들,저항이전혀없는금속과액체,즉초전도체와초액체는노벨물리학상의영광을누렸을뿐만아니라이미대형병원에설치된MRI같은기계에널리쓰이고있다.또저자가공헌한분야인’스커미온‘을이용해기억소자를만들수있다면지금정도의성능을지닌기억장치크기를땅콩한알정도로줄일수도있다.이분야가품고있는이론과실험,기초과학의깊이와응용의폭을생각해보면왜’물질의물리학‘즉응집물질물리학이현대물리학에서가장큰분과인지알수있을것이다.


추천사

위상수학은모양공부의가장근본적인분야로,직관에가까운그림들로시작해서가장추상적인개념에이르기까지수학의모든영역에서깊디깊은핵심을꿰뚫고지나간다.수학자들조차어렵게느끼는위상수학이저에너지물리학,즉거의일상적인현상에가까운물리에적용된다는사실은참으로놀랍다.‘에너지의모양’은측정가능한현상이고,이를이용해서만들어지는‘위상물질’은19세기에정립된전자기학만큼이나인류문명에획기적인변화를가지고올것이분명하다.이분야전문가인한정훈교수의직관적이면서자세한설명으로가득한이책은독자들을새로운세계로안내하는친절한길잡이가될것이다._김민형(워릭대학교수학과및수학대중교육석좌교수)

양자물질연구는지난100여년간물리학발전의최전선에있어왔다.현대의많은응용분야가그기반을양자물질에두고있다.《물질의물리학》은양자물질연구의역사,물질의기원에대한탐구를최근의연구성과까지포함하여대중에게소개하는역작이다.주제에대한깊은이해와통찰이없으면핵심을이렇게쉽게요약해서전달하기어렵다.이책은단순히물리학지식을나열하는것이아니라물리학자의삶과당시의시대배경,저자개인의경험을씨줄과날줄로엮어서,쉽지않은개념을재미있고도통찰력있게접근하도록만든다.특히이책에등장하는많은비유와예시는일반독자들뿐만아니라전문물리학자들에게도양자물질을더잘이해하는데도움이될것이라믿는다._김필립(하버드대학교물리학과교수)

양자물리학의태동이래약110년정도가지난지금양자물리학이인류에게가져온변화는핵폭탄과핵에너지를비롯해실로막대하다.양자물리학없이는우주의생성과진화를이해할수없고,우리주변의모든전자소자도작동시킬수없다.특히최근양자컴퓨터가이미제한적으로실용화되면서미국,유럽,일본을중심으로양자물리학에대한새로운붐이일고있다.이런상황에서물질의양자적인성질을소개하는책이출간되어정말반갑다.우리나라는물론이거니와과학선진국들을통틀어도유사한주제를다루는대중서를찾기는매우어렵기때문에더귀중한책이다.일반독자나학생들이현대물리학의큰흐름을접하고이해하는데큰도움이될것이다._염한웅(포항공과대학교물리학과교수,국가과학기술자문회의부의장)

사람들은흔히마음의신비로움에대해말하곤한다.하지만내게는물질의본성이더욱매혹적이면서동시에까다로운주제다.특히현대물리학의근간이론인양자물리학이우주를구성하는물질을어떻게설명하는지를비전공자에게명쾌하게설명하기란정말어렵다.저자는이런고난도의작업을감탄스러울정도로능숙하게해낸다.대부분의독자에게익숙한위계적원자모형부터이게과연물질인지조차알쏭달쏭한위상물질에이르기까지이어지는직관적이면서도정확한서술은,물질자체만이아니라그물질로부터어떻게마음이나올수있는지를궁금해할독자에게이해의단초를제공할것이다.적극추천한다!_이상욱(한양대학교과학철학교수)