★전국과학교사모임추천 ★일대일친절한과학수업
★이공계진학예정자필독서 ★노벨상수상논문영문본수록
천재물리학자의상상에서출발해
현대물리학의저변을넓힌위대한연구를엿보자!
디랙은양자역학과특수상대성이론의연결고리가된디랙방정식을만들었다.그결과양의에너지를가진입자에대응하는음의에너지의입자가반드시존재한다는것을알아냈다.이음의에너지를가진입자가바로반입자이다.반입자는기존입자와운동방식이정반대인입자를말한다.기존입자에힘을작용하면힘이작용한방향으로속도가빨라지지만,반입자에힘을작용하면힘이작용한방향으로속도가느려진다.
말보다조금작은노새라는동물이있다.몸이튼튼하고힘이세어무거운짐을나르는데쓰인다.노새는본래유순한동물이지만불만이있으면주인이앞으로가자고끌어도뒷걸음친다.디랙은음의에너지를가진전자가노새처럼운동방향으로에너지를주어도오히려속도가작아지는행동을보이기때문에‘노새전자’라고이름을붙였다.
훗날앤더슨이이노새전자,즉전자의반입자를발견하여그이름을양전자라고부르게되었다.체임벌린과세그레는양성자에대해질량과전하량의크기는같고부호가반대인반양성자를발견한다.차례로반중성자,반수소,반헬륨등이발견되었고과학자들은현재도더많은반물질을찾고있다.
《세상에서가장쉬운과학수업반입자》는디랙방정식과그결과로반입자의존재를예언한디랙의1928년논문을중심주제로이야기를풀어간다.
노새입자,디랙의바다와구멍이론,양전자발견...
흥미진진한새로운입자발견과정
PET검사라는단어를들어본적이있을것이다.큰병원에서주변사람이검사를받기도하고요새텔레비전등에서도종종나오곤한다.여기서PET는PositronEmissionTomography의약자로우리말로는‘양전자방출단층촬영’이라고한다.양전자를방출하는방사성의약품을투여하고촬영해우리몸의조직대사와형태를판단하는검사이다.어떤조직이신진대사를많이하는지,장기가원래의형태를유지하고있는지관찰한다.PET검사는암,심장질환,뇌질환치료등에도움이된다.
여기서잠깐!‘양전자’라는단어가생소하지않나?전자는많이들어봤는데대체양전자는뭘까?전자는음(-)의전하를가진입자인데양(+)이라는말이앞에붙은게어색하다고?
이궁금증을해결해줄책이여기있다.바로《세상에서가장쉬운과학수업반입자》이다.
1장은이책의주제논문과배경지식에필수요소인미적분으로이야기를시작한다.뉴턴과독립적으로미적분을발견했지만표절의혹에시달린라이프니츠의고뇌와더불어,삼각함수,오일러공식,미분방정식,편미분등을설명했다.
2장은입자의기본인수소입자를논하기위해3차원역학을다룬다.나폴레옹으로부터일류수학자이지만관리능력은꽝으로평가받은라플라스의일화도등장한다.
3장은디랙의논문에가장큰영향을준제이만효과를중심으로슈타르크효과,양자역학의탄생역사,구좌표계,자기장속의슈뢰딩거방정식등을설명했다.
4장은비정상제이만효과를설명하는데필요한제4의양자수,즉스핀을발견하고양자역학에도입한파울리의논문을소개했다.논문의주된도구인행렬도다루었다.
5장은이책의주인공디랙과함께,1928년그의논문으로발표된디랙방정식,그것으로예언된반입자를소개했다.반입자의존재를예측하며노새입자,디랙의바다,구멍이론등새로운가설을세우고상상하는디랙의연구가매우흥미롭게전개된다.뒤에는실제로그존재를확인한학자들의발견들도소개했다.
뒤편의부록에는파울리와디랙의논문영문본과노벨물리학상수상자목록도함께실었다.이책에는30명정도의노벨상수상자가나오는데그들의연구와일화를찾아보는재미도있을것이다.
연구자의지식과고뇌를모두담아낸것이바로논문이다.노벨상수상자의논문을읽는것은그위대한연구결과를완성하기까지애쓴인물의생애도함께경험하는것이다.《세상에서가장쉬운과학수업반입자》를통해디랙을비롯한수많은과학자의연구와생애를엿보고끈기와집념을배우는시간이되길소망한다.
영국의아인슈타인으로불리는괴짜이자천재물리학자
폴디랙의집념이남긴위대한업적
폴디랙(PaulDirac)이라는이름을들어보았는가?물리학을깊이공부한이들을제외한대부분사람에게는생소할것이다.우리에게익숙한인물과비교하자면,디랙은영국의아인슈타인으로불린다.조금은짐작이가는가?괴짜이자천재물리학자.그가디랙이다.
디랙은그의이름을딴방정식을만들었다.이방정식이해낸아주중요한역할이있다.
양자론과상대론은현대물리학의두기둥으로초창기에는따로발전해왔다.둘은별다른접점이없어보였다.양자론과상대론을각각대표한보어와아인슈타인은늘실랑이하며서로가옳다고내세우고있었으니까말이다.
이렇게달라보이던두이론을연결한것이디랙방정식이다.뉴턴물리학으로양자역학을해석했던슈뢰딩거방정식을대신하여,특수상대성이론을적용하며디랙방정식을이용하게된것이다.덕분에현대물리학의폭은훨씬넓어졌다.
여기에또하나!중요한성과가있었다.바로반입자의발견이다.디랙방정식의결과로반입자의존재를예측하게된것이다.이후다른학자들이반입자의실체를발견했다.그결과세상에알려진물질의종류는2배로늘어났다!
지금까지《세상에서가장쉬운과학수업반입자》의주인공들을소개했다.폴디랙이만든디랙방정식,그결과로입증된반입자의존재.더불어방정식에쓰이는각종수학,방정식을완성하기까지디랙에게영감을주었던많은이론과과학의역사.디랙의발견이후현재까지꾸준히이어지는수많은연구들.
어떠한가?낯설기만했던이름폴디랙에조금은흥미가생기지않았나?
디랙은매우과묵했다고한다.케임브리지대학에서그의동료들은한시간에디랙이한마디를말한다는1디랙단위를정의하기도했다.
뛰어난업적을남긴천재물리학자디랙은매우겸손한걸로도유명했다.자기업적을자랑하기보다는함께연구한다른사람들을추켜세웠다.지금은페르미·디랙통계라불리는통계학도본인이강의할때는항상페르미통계학으로불렀다고한다.
한편그는지나칠만큼논리적이었다.논리에맞지않으면자기가생각한가설을수정하고새로운쪽으로방향을돌렸다.덕분에논리적으로완벽한수많은연구들이그의머릿속에서계속되었던것같다.이렇게위대한연구를완성하기까지집념을보인디랙의성격을엿볼수있는그의말이책에등장한다.
“우리는수학이알려주는방향을순순히따라가야한다.수학은대칭적인상태와반대칭적인상태를함께생각하게만든다.우리는이런수학적인사고를좇아야하고그결과가무엇인지찾아야한다.그것이비록우리가처음시작했던곳과완전히다른지점에도착하더라도말이다.”-디랙
전공서보다는가볍게,교양서보다는묵직하게
겉핥기가아닌깊이있는물리책을찾는다면!
이공계로진학할예정인가?물리학에관심이많다고?과학사외에도이론을심도있게설명하는책을찾고있나?여기<노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학>시리즈가있다.
말그대로노벨상수상자들이쓴오리지널논문을통해과학이론을배우는책이다.교과서나다른매체로가볍게접한유명이론을과학자가논문에서어떻게풀어냈는지큰줄기를중심으로차근차근설명해간다.정교수와물리군의일대일대화를통해서말이다.그배경을이루는과학사는덤이다.이론을완성하는밑바탕이된다른이론들도함께설명한다.
줄글만으로설명하지는않았다.과학의언어는수학이라고한다.즉,수학을빼고는과학이론의핵심을제대로파악하기어렵다.너무걱정하지는말자.고등학교수준의수학지식만있으면이해하도록친절하게설명했으니까.그리고수식은건너뛰면서보아도이론을받아들이기는어렵지않다.어렴풋이이해하는것만으로도왠지내거가된느낌이다.다읽고난다음차근차근돌아보아도좋다.책은어디로사라지지않으니까!
논문의느낌을직접체험할수있도록책의뒤편에부록으로실었다.과학자들의논문은영어뿐아니라독일어,프랑스어등여타언어로쓰였기때문에우리가그나마쉽게읽을수있는영문본을수록했다.
특별히이시리즈는20권으로기획했다.주된분야는물리학이다.물리학자아인슈타인,마리퀴리,플랑크,보어,하이젠베르크등의대표이론들을한책에하나씩다룬다.보통이렇게분야를세세하게나누어한권에한주제씩시리즈로묶은책은아동을대상으로한도서가많다.그래서이시리즈의기획이좀독보적이다.
여기서저자의진가가발휘된다.국제학술지에300여편의논문을게재한연구자로,수백권의교양서를쓴저자로,대학에서물리학을가르치는교수로,활발히활동하는저자의전문지식을바탕으로신선한기획이또다른새로움을낳았다.
이론을제대로알고싶은데전공서적을보자니너무어려울것같고,일반교양서를읽자니수준이너무얕게느껴진다면이시리즈를펼쳐보는건어떨까?과학의세계로한걸음더깊이들어가보자!
