물리학, 쿼크에서 우주까지 : 세상을 움직이는 법칙을 찾아서 - 굿모닝 굿나잇

이종필

1971년부산에서태어났다.물리학자.과학커뮤니케이터.서울대학교물리학과를졸업하고같은대학원에서입자물리학으로박사학위를받았다.한국과학기술원KAIST부설고등과학원KIAS,연세대학교,서울과학기술대학교에서연구원으로,고려대학교에서연구교수로재직했다.현재건국대학교상허교양대학교수로재직중이다.

저서로『샐러리맨,아인슈타인되기프로젝트』『우리의태도가과학적일때』『신의입...

프롤로그:신의뜻을알고싶은분들에게

1장세계를해석하는물리학
1.누구나품은질문에서탄생한과학
2.과학혁명은천상에서부터
3.뉴턴이완성한고전역학

2장문명의기초를닦은물리학의성취
4.빛이있으라하시니
5.전기문명의불을밝힌맥스웰과패러데이
6.열역학과엔트로피

3장현대물리학혁명
7.상대성이론:시공간의혁명
8.양자역학:과거와의혁명적단절

4장가장작은입자에서가장큰우주까지
9.우주의기본단위를다루는입자물리학
10.우주출생의비밀

에필로그:물리학의미래?궁극의이론은존재할까?
참고문헌

세상이이렇게작동하는데에는과학적이유가있다
과학커뮤니케이터이종필교수의비밀이풀리는물리학강의

하늘은왜파랄까?우회전하는버스안에서몸은왜왼쪽으로쏠릴까?영화〈인터스텔라〉속이야기는정말실현가능할까?문득당연하다고여겼던현상이왜그렇게될수밖에없는지궁금해지는때가있다.허구라고믿었던SF영화속신기한설정에의문을제기하기도한다.혹시세상만사모든것의이면에는보이지않는신의섭리라도있는걸까?몇백년전이라면그원리를알고자종교시설에찾아가야했을것이다.하지만과학이발전한오늘날,신의뜻을대신알려주는사람들이있다.
각분야최고의학자와연구자가미래세대를위해만드는〈굿모닝굿나잇〉시리즈.이번에출간된11번째책은세상을움직이는법칙을탐구하는‘물리학’편으로,과학대중화를위해활발하게활동하는물리학자이종필교수의특강이다.가장작은입자에서가장큰우주까지,세상이작동하는근본원리를추구하는물리학의결정적장면들을담았다.우리가일상적으로경험하는힘과운동의법칙부터인간의직관을뛰어넘어미시세계를지배하는양자역학까지,만물의근원이되는입자의발견에서우주의탄생과미래에대한비밀까지.비밀이풀리는물리학여행이흥미진진하게펼쳐진다.

세계를해석하는물리학
문명을가능하게한물리학

1장은과학의탄생과고전물리학의성립에관한이야기다.과학은“세상은무엇으로만들어졌을까?”라는질문에서시작되었다.‘만물의근원’을찾아나선고대그리스의철학자들은자연의보편적속성과법칙을해석하고이해하려했다는점에서과학자들이기도했다.그중아리스토텔레스는자신의목적론적세계관으로이후2,000년간서양의지적세계를다스리게된다.그에따르면허공에던진돌은무거움의본성을좇아다시땅으로떨어진다.돌뿐아니라모든것에는목적이있었다.하지만16~17세기과학혁명을거치면서근대적인과학이새로이정립되었고,그완성은뉴턴의고전물리학이었다.그유명한뉴턴의3가지운동법칙(관성의법칙,힘의법칙,작용-반작용의법칙)가운데‘힘의법칙’에따르면사물의운동은본성이나목적과는무관하다.물체가이동했다면,그것은본성이나목적에의한것이아니라단지외부에서힘이작용한결과다.
2장은현재우리가누리는문명의초석을닦은물리학의성취를다룬다.특히제임스맥스웰은전기와자기현상을‘전자기’로통합했고,마이클패러데이는전자기유도현상을발견했다.가정에서사용하는전자레인지와인덕션에서놀이공원의자이로드롭까지,또무선인터넷사용이가능한스마트폰도맥스웰과패러데이의업적이있었기에가능하다.19세기물리학의또다른성취는열역학(열현상을다루는물리학)을정립한것이다.산업혁명시기에증기기관이등장한이후,어떻게하면열기관의열을물리적인일로바꾸고그효율을높일수있을지를연구하면서근대적인열역학이형성되기시작했다.중고등학생이라면수업시간에배워서반가울‘에너지보존법칙’‘엔트로피’가바로열역학에서도출된법칙이다.

현대물리학혁명:상대성이론과양자역학
가장작은입자에서가장큰우주까지,모든것을다루는물리학

3장은과학계에혁명적변화를몰고온두이론이주인공으로등장한다.바로아인슈타인의상대성이론과닐스보어·하이젠베르크등의양자역학.“과학이우주를올바르게기술하려면인간의언어가아니라우주본연의언어로기술해야한다.아인슈타인은그우주본연의언어를하나찾아낸셈인데,그것이바로광속이다.”(91쪽)시간과공간이라는인간의언어를광속으로번역한결과는놀라웠다.시간이운동상태에따라상대적으로흐른것이다.지구에있는A에게는10초가지났지만,우주를여행중인B에게는5초밖에안지나는일이생기는것.원자이하의미시세계를지배하는양자역학은더욱더신묘하다.저자가창조한‘신박한’비유를들어,삼겹살과갈비가적힌쪽지를접은다음그중하나를골랐다고가정하자.고전역학관점에서는쪽지를선택하는순간모든것이결정된다.그러나양자역학관점에서고기메뉴는쪽지를열어관측하기전까지삼겹살과갈비가‘중첩’되어있다.
4장에서는입자물리학과천체물리학까지범위가확장된다.우주의기본단위를다루는입자물리학은이책을시작한질문인“세상은무엇으로만들어졌을까?”에대한최첨단의답을내놓는물리학의분야다.이책이출간되는현재,가장작은입자는‘쿼크’와전자로알려져있다.그런데이렇게눈에보이지도않는존재에대한연구는어떤쓸모가있을까?저자는원자이하의미시세계에서벌어지는일은우주가태초에어떻게형성되고진화해왔는지에관해결정적인정보를제공한다고단언한다.빅뱅이정말있었는지,빅뱅이후우주는어디로가고있는지등을규명할수있다는것이다.

과학의전형,물리학
물음표를느낌표로바꿔주는물리학의힘!

지금까지살펴보았듯,‘과학’할때우리가떠올리는인물이나이론은대개물리학의영역에해당한다.뉴턴의사과도슈뢰딩거의고양이도물리학교과서에서찾아볼수있다.과학의시작은고대그리스시대로거슬러올라간다.그러나17세기과학혁명으로근대과학이자리잡기시작했을때,그모태는물리학이었다.뉴턴역학의성공은다른분야까지퍼졌고,심지어프랑스계몽주의에도큰영향을미쳤다.저자는물리학을가리켜혁명적사유의보물창고라고말한다.
과연기존패러다임이새로운패러다임으로교체되는일은혁명적인사건이고,이책이보여준물리학의역사는그렇게천상의비밀을밝혀온역사와다름없다.물리학은아무리멀리떨어져있는존재도,눈에보이지않는현상도설명할수있다.그래서물리학을알면물음표가느낌표로바뀐다.세상이왜이런지궁금한순간,누구나한번은물리학자가된다.세상만사모든것의작동법칙을찾아내는물리학의힘!

세상은무엇으로만들어졌을까?
빛은파동일까,입자일까?
아인슈타인의위대한점은무엇일까?
양자역학이란도대체무엇일까?
우주는영원불멸할까,빅뱅에서생겨난것일까?

매일만나는오늘의교양,미래의지혜
아침에시작해서저녁에끝내는지식라이브러리‘굿모닝굿나잇’시리즈

‘굿모닝굿나잇’은21세기지식의새로운표준을제시합니다.
최고의필진이집필하고,세상을바라보는지혜를전합니다.
우리는어디에있고,어떤변화를맞이하여,무엇을준비해야할지를조망합니다.

세상이바뀌고있다.전분야에서패러다임이전환하고있다.당장내일무슨일이일어날지알수없는불확실한시대다.거대한변화의흐름앞에서어떤선택을할것인가.변화를읽지못해위기에빠질것인가,변화에적극적으로대응해서기회를만들것인가.우리는어디에서있고어떤변화를맞이하고있으며무엇을준비할것인가.
각분야최고의학자와연구자가미래세대를위한지식교양총서를만들기위해모였다.인문사회경제자연과학예술등전분야에서,전환의시대에마주하는변화와쟁점을역사적으로고찰하고,현상과본질을통합적으로조망하여,해법과대안을모색하는지식라이브러리다.중학생부터대학생,일반인까지전세대를아우르며누구나읽을수있고,한권에핵심지식과교양을담은문고본으로가장가까운곳에두고매일만날수있다.
‘굿모닝굿나잇’라이브러리는21세기지식의새로운표준을제시하고,세상을바라보는지혜를선사하는길잡이가될것이다.혜안과통찰을찾는당신을기다린다.

책속에서

물리학은과학의전형prototype이다.17세기과학혁명으로근대과학이자리잡기시작했을때그모태는물리학이었다.특히뉴턴역학의성공은다른분야까지퍼져나갔고심지어프랑스계몽주의에도큰영향을미쳤다.과학은결과라기보다과정이고방법론이며사유의방식이다.그걸제대로배우고싶다면다른어느분야보다물리학을선택해야한다.물리학은혁명적사유의보물창고와도같다.
_프롤로그,7쪽

‘법칙’의힘은위대하다.조화의법칙을활용하면어떤행성의공전주기만알아도그행성의공전궤도장반경을알수있으니말이다.이미알려진사실들로부터편견없는중립적인분석을행함으로써보편법칙을끄집어내면그로부터새로운현상을예외없이예측할수있다!케플러가바로이위대한업적을이룬것이다.인간이범접할수없는완벽한세상이던천상계에서대체무슨일이벌어지는지를처음알아낸셈이었다.그것이과학의힘이다.근대과학은이처럼천상의비밀을밝히면서그혁명의여정을시작했다.천상의비밀을밝히는것은21세기과학에서도여전히가장중요한임무다
_과학혁명은천상에서부터,29쪽

요즘주방에서자주쓰는인덕션도전자기유도현상을활용한조리기구다.인덕션induction이라는말자체가(전자기)유도를뜻한다.인덕션내부에서자기장을변화시키면그위에올려진금속용기에전류가유도된다.인덕션내부에서자기장을만드는방법도결국엔도선에전류를흘려주변에자기장을유도하는방식이다.이때용기의전기저항이적당히크면유도된전류가흐를때뜨겁게데워진다.그러니까전류가잘흐르지않거나전기저항이작은용기는잘데워지지않는다.
_전기문명의불을밝힌맥스웰과패러데이,66~67쪽

열은항상뜨거운곳에서차가운곳으로흐른다.그방향으로엔트로피가증가하기때문이다.아메리카노에얼음덩어리를넣으면아이스아메리카노가된다.만약열이얼음에서아메리카노로흘러얼음이더차가워지고아메리카노가더뜨거워지는걸가정하더라도에너지는보존되지만,결코그런일은일어나지않는다.열이그런식으로흐른다면우리는차가운방을데우기위해보일러로물을끓이기보다더차가운얼음조각을바닥에깔아야할것이다.
_열역학과엔트로피,77~78쪽

특수상대성이론에서똑같음의기준이광속과물리법칙이라면,고전적인상대성이론에서는그똑같음의기준이무엇이었을까?그것은바로모두가당연하다고암묵적으로받아들였던시간과공간이었다.시간과공간이상대적인운동에따라달라진다는상상을하기란쉽지않다.그건원래부터,애초에이우주가세팅이될때부터그냥우리우주의붙박이로장착된고정불변의백그라운드라고여기는게자연스럽다.아인슈타인은이점을뒤집은것이다.
_상대성이론:시공간의혁명,90쪽

물리학을연구하는작업은인간의가장창의적인분야중하나라서인공지능이대체할수있는마지막영역이라는추측이많다.그러나복잡한데이터를분석하고그속에서어떤패턴을찾아내는일은지금도인공지능이인간보다훨씬더잘할수있다.(…)만약인공지능물리학자가우주에서관측한수많은데이터를분석해인간이아직발견하지못한새로운방정식을제시한다면,우리는과연그결과를어떻게받아들여야할까?마치바둑기사들이인공지능프로그램의수를연구하면서일종의협업이이루어지는것과비슷한상황이연출되지않을까?
_에필로그,167~168쪽