물리의 정석 : 특수 상대성 이론과 고전 장론 편 (양장)

레너드서스킨드,아트프리드먼

저자:레너드서스킨드
뉴욕시티칼리지(CCNY)공학부를졸업하고코넬대학교에서물리학박사학위를받았다.1973년부터스탠퍼드대학교이론물리학교수로재직하고있다.
양자광학,기본입자물리학,우주론등이론물리학의모든분야에공헌했다.스티븐호킹에대항해블랙홀에빨려들어간정보는사라지지않는다고주장했다.쿼크속박이론,중입자생성,블랙홀상보성원리,홀로그래피원리등현대물리학계를뒤흔든여러개념들을발견해내기도냈다.
미국국립과학원(NAS)과미국학술원(AAAS)회원이며,세계최고의이론물리학연구기관중하나인캐나다페리미터이론물리학연구소의객원교수이다.우리나라고등과학원(KIAS)의석좌교수로강연하기도했다.저서로는『우주의풍경』,『블랙홀전쟁』,『물리의정석:고전역학편』,『물리의정석:양자역학편』등이있다.

저자:아트프리드먼
스탠퍼드대학교에서컴퓨터과학으로석사학위를받았다.미국IT기업휼렛패커드(HP)에서15년간소프트웨어공학자로재직했다.레너드서스킨드의스탠퍼드대학교평생교육프로그램수강생이다.

역자:이종필
서울대학교물리학과를졸업하고같은대학교대학원에서입자물리학으로석사,박사학위를받았다.한국과학기술원(KAIST)부설고등과학원(KIAS),연세대학교,서울과학기술대학교에서연구원으로,고려대학교에서연구교수로재직했다.현재건국대학교상허교양대학교수로재직중이다.저서로는『물리학클래식』,『대통령을위한과학에세이』,『신의입자를찾아서』,『빛의전쟁』,『우리의태도가과학적일때』등이있고,번역서로『물리의정석:고전역학편』,『물리의정석:양자역학편』,『최종이론의꿈』,『블랙홀전쟁』등이있다.

서문7
「특수상대성이론과고전장론편」을시작하며13

1강로런츠변환23
2강속도와4-벡터103
3강상대론적운동법칙123
4강고전장론169
5강입자와장221
막간이상한단위273
6강로런츠힘의법칙289
7강근본원리와게이지불변355
8강맥스웰방정식375
9강맥스웰방정식의물리적결과421
10강라그랑주로부터온맥스웰451
11강장과고전역학489

부록A자기홀극:레니가아트를속이다545
부록B3벡터연산자복습565
옮긴이의글‘모든것의이론’을향한대가의포석573
찾아보기577

참된물리학지식을추구하는이라면
반드시읽어야하는책

공간,시간,질량및에너지의기본개념에대한이해에혁명을일으켜인류최고의천재라불리는알베르트아인슈타인.1년동안4편의논문을연달아내놓아물리학사에‘기적의해’로남은1905년에그는자신의최대역작으로평가받는논문을완성한다.바로「움직이는물체의전기동역학에관하여(ZurElektrodynamikbewegterK？rper)」이다.아인슈타인은움직이는물체의물리학에서무엇을읽어내고이런이름을붙인것일까?그리고왜이논문은특수상대성이론의탄생을알리는신호로평가받았을까?
인류가시간과공간을통합적으로이해할수있게만들어주었다고하는,그이름은누구나알지만정확하게이해하는이는드물었던특수상대성이론.2022년3월㈜사이언스북스신간으로출간된『물리의정석:특수상대성이론과고전역학편(SpecialRelativityandClassicalFieldTheory:TheTheoreticalMinimum)』은특수상대성이론에대해이처럼오랜목마름을품고있던독자를위해,레너드서스킨드(LeonardSusskind)의인기유튜브강의「최소한의이론(TheoreticalMinimum)」중특수상대성이론과고전장론관련강의10개를모은책이다.
레너드서스킨드는1973년부터지금까지스탠퍼드대학교교수로재직하며양자광학,기본입자물리학,응집물질물리학,중력이론등다양한분야에공헌한현대물리학의대가다.1940년출생으로여든이넘은나이에도불구하고여전히첨단연구와대중교육을주도하고있는그는2018년에는스웨덴스톡홀름대학교에서리사랜들,킵손,샐던글래쇼등유수의과학자들이물리학자오스카르클라인을기리는의미에서매년주최해온강좌를진행하고기념메달을받았으며,대한민국고등과학원(KIAS)에서석좌교수로도재직하고있다.
「최소한의이론」은그가2007년부터스탠퍼드대학교에서진행한최고의인기강의로리처드파인만,스티븐호킹과어깨를나란히하는대가의관점에서물리학의전분야를통합하고관통하며그정수를소개한다.물리학과학부생이나대학원생이아니라일반인을위해개설되어스탠퍼드대학교에서별도페이지가생성되어있는이강연은6개의핵심과정(고전역학,양자역학,특수상대성이론과고전역학,일반상대성이론,우주론,통계역학)에9개의추가과정을더해도합138개의동영상으로이루어져있고,2022년3월기준누적조회수2000만을돌파했다.
이중첫두핵심과정의내용을서적화한책이바로2017년과2018년에국내에번역출간되어물리학마니아들의입소문속에누적판매2만부를돌파한『물리의정석:고전역학편』과『물리의정석:양자역학편』이다.이를잇는후속작『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』은현대물리학의절대적중심인두학문의정수를레너드서스킨드가직접엮은것으로,여기에미국IT기업휼렛패커드(HP)에서15년간재직한소프트웨어공학자이자실제레너드서스킨드의스탠퍼드대학교평생교육프로그램수강생인아트프리드먼(ArtFriedman)이공저자로참여해일반인입장에서독자들이길을잃을수있는부분들을세심하게다듬었다.《월스트리트저널》‘최고의책’으로선정되기도한전작의방식과논리를그대로유지하면서고전물리학의가장위대한업적인특수상대성이론과뉴턴,맥스웰이론의기초인고전장론을연결하는『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』은현장연구자들이필수적으로사용하는최소한의개념과원리를정확하게짚어소개하는‘물리학의정석(定石)’으로참된물리학지식을추구하는이라면반드시읽어야하는책이다.

‘모든것의이론’을
향한대가의포석

맥스웰이론에얽힌문제는이이론이갈릴레오갈릴레이가처음으로밝혔고아이작뉴턴이명확하게언급한하나의기본원리,즉“모든운동은상대적”이라는원리와부합하지않는것처럼보인다는점이었습니다.어떤(관성)기준틀도자신이정지해있다고여길자격이여느다른기준틀보다더많지는않습니다.그러나이원리는전자기이론과는불화를일으킵니다.전자기이론은빛이초속미터라는고유한속도로움직인다고예측합니다.어떻게모든기준틀에서빛이똑같은속도를갖는게가능할까요?어떻게빛이기차역이라는정지틀에서도,그리고또속도를높이고있는기차라는기준틀에서도똑같은속도로움직일수있을까요?
-본문에서

부록을포함해총13개의강의와막간강의1개로구성된『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』의목표는전작에서그동안다루지않았던특수상대성이론의영역인빛을설명하고,이를통해특수상대성이론의맥락에서고전장론을바라보는것이다.이때고전장론은파동,하전입자에작용하는힘등을다루는전자기이론이된다.이목표를위해이책은19세기중반맥스웰방정식-1905년특수상대성이론으로이어지는시간적순서대신,특수상대성이론을먼저설명하고이관점에서전자기학을기술하는방식을택한다.
책의처음3강의주제인특수상대성이론을통해서성립하는길이수축,시간팽창,쌍둥이역설같은놀라운내용도물론흥미롭고중요하지만,상대성이론의더본질적이고큰의미는이이론이좌표를변환하더라도변하지않는물리법칙을이야기하고있다는점이다.아인슈타인이상대성이론을구상한출발점도바로이곳이다.특히아인슈타인에게각별했던물리법칙은제임스맥스웰이19세기에완성한고전전자기학이었다.그래서특수상대성이론논문의제목이「움직이는물체의전기동역학에관하여」였던것이다.움직이는좌표로변환하더라도맥스웰방정식으로정리되는전자기이론이그모습을그대로유지할것인지는물리학에서굉장히중요한문제이다.
서스킨드는책의4강부터고전장론의기법을이용해바로이지점을보여주려한다.고전장론을이런관점에서고찰하는것은이후의주제를다루기위한사전포석의의미가있다.미래를위한무기를미리마련해두는셈이다.책에서전자기학과고전역학을연결하는고리로사용되는최소작용원리,라그랑지안구축,해밀토니안기법의활용등은일반상대성이론이나양자장론,끈이론같은현대물리학에서도가장핵심이되는요소이다.서스킨드는이목적을위해고전역학과양자역학,상대성이론을자신의표현대로‘다소변칙적인’방법으로아우르려하고있는것이다.

로런츠변환,맥스웰방정식,게이지불변을
자기손으로유도하는즐거움

내나름의교수법은과감하게처음부터맥스웰방정식으로시작하는것이다.(심지어학부생들도)각각의방정식을붙잡고그의미를분석하며그런식으로쿨롱법칙,앙페르법칙,패러데이법칙을유도한다.이는맥스웰방정식을배우는‘찬물샤워’스타일의방법이지만,학생들은역사적인방식으로배울때수개월이걸렸을내용을1~2주안에이해한다.
-본문에서

이같은서스킨드특유의강의를한국독자들에게있는그대로전달하기위해,「물리의정석」시리즈2권과『블랙홀전쟁』까지사이언스북스에서서스킨드의저서를전담하고있는이종필교수가이번에도번역을맡았다.현재건국대학교상허교양대학에서재직중인이종필교수는스티븐와인버그『최종이론의꿈』을번역한이론물리학자이면서,『물리학클래식』과『이종필의아주특별한상대성이론강의』출간,EBS‘상대성이론으로의초대’스타강사특강등의다양한방식으로대중에게상대성이론의참뜻을전달해온‘글쓰는과학자’이기도하다.
그만의간결하고정확한번역에더해,이번에는「고전역학편」출간이후5년이라는시간이지난시점에서고전장론이해의기초가될고전역학공부의기억을다시되살리는차원에서당시이종필교수가진행했던1권의인터넷해설강의를사이언스북스유튜브채널에서공개하고있다.이후에는특수상대성이론과고전장론의핵심을짚어주는역자특강이오프라인에서진행될예정이다.
또한이시리즈의강점중하나로손꼽히는것이,바로책곳곳에서독자들이손수과제를풀며이해할기회를제공해주는연습문제이다.이때어려움을겪는독자를위해전작과같이㈜사이언스북스가제작하고이종필교수가감수한연습문제풀이집이『물리의정석솔루션:특수상대성이론과고전역학편』이란이름의사은품으로제공된다.책에‘연습문제’로별도로표시된문제에더해저자가본문중에서독자에게과제로남겨둔문제들의풀이까지모두담은이소책자와함께라면서스킨드의강의를더욱효과적으로체득할수있을것이다.

여러분의물리학모험은
이제부터시작입니다

글쎄요.조금지나친표현일지도모르겠습니다만,초심자에게상대론적세상은위험한퍼즐과믿기힘든역설로가득찬이상하고도경이로운유령의집입니다.하지만그여정이힘들어질때면우리가거기서여러분의손을잡아줄겁니다.미적분과선형대수학의몇가지기본적인기초지식만있으면앞길을헤쳐나가기에충분합니다.
-본문에서

유튜브무료강연「최소한의이론」을통해서스킨드가품었던꿈처럼,2017년한국판1권출간이후5년이라는시간동안대한민국에서손수물리학에도전하려는사람들의든든한버팀목이되어준「물리의정석」시리즈.
엔트로피,반물질,양자역학이영화소재로쓰이고(「테넷」)‘원자폭탄의아버지’라불리는과학자의전기영화(「오펜하이머」)가나오는등물리학이현대인에게빼놓을수없는필수교양으로받아들여지고있는지금,사이언스북스신간『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』을통해전작들이쌓아놓은기초위에서현대물리학이어디까지왔고,어디까지갈수있을것인지알아보는여행을함께떠나보길바란다.사이언스북스또한이책에서도솔루션배포,역자특강등의수단을통해사전지식없는일반인부터시리즈의팬인아마추어물리학자까지더한층쉽게물리의풍미를느낄수있도록도울예정이다.