물리학 클래식

물리학 원전을 순례하다

이종필

출판사 사이언스북스 | 발행일 2012년 8월 31일 | ISBN 978-89-837-1438-1

패키지 반양장 · 변형판 148x220 · 400쪽 | 가격 16,000원

분야 물리학

책소개

10편의 논문, 12명의 위대한 물리학자가 펼치는 물리학의 향연.우주를 뒤흔들고 세계를 바꾼 물리학의 정수들!

클래식 음악을 하는 사람들은 흔히 지구가 멸망해서 우주선을 타고 지구를 탈출하는 순간에도 바흐의 「평균율 피아노」만 챙기면 클래식 음악을 모두 복구할 수 있다는 말을 하곤 한다. 그 우주선에 20세기 물리학의 논문 10편을 싣는다면 어떤 10편을 실어야 할까? 나는 그런 상상을 하며 10편의 논문을 골랐다. -본문에서

편집자 리뷰

아인슈타인에서 후안 말다세나까지상대성 이론과 양자 역학에서 표준 모형과 초중력 이론까지현대 물리학의 창조자들!

2012년 7월 4일, 전 세계 물리학자들의 시선은 오스트레일리아 멜버른에서 열린 한 국제 물리 학회에 고정되어 있었다. 세계 최대의 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기(LHC)를 운영하고 있는 유럽 입자 물리학 연구소(CERN)의 힉스 입자 관련 발표가 예고되어 있었기 때문이다. 힉스 입자는, 현대 입자 물리학의 기틀이 되는 표준 모형(Standard Model)의 완전성을 입증할 마지막 조각이지만 표준 모형이 완성된 지 반백년 가까이 된 지금까지 발견되지 않고 있어 호사가들과 언론인들 사이에서는 현대 물리학의 명운 자체를 뒤흔들 “신의 입자”라고 불리기도 하는 미지의 입자이다.
2010년 말부터 LHC에서 고에너지 입자 충돌 실험을 계속하면서 힉스 입자를 탐색해 온 CERN의  이날 발표는 인터넷을 통해 생중계되었고, 컴퓨터 앞에 삼삼오오 모여 앉은 전 세계 물리학자들은 현대 물리학의 명운을 건 발표에 숨을 죽였다. 발표에 나선 CERN의 연구자는 자신들이 힉스로 의심되는 신호를 ‘관측’했음을 발표했다. 물론, 자세한 검토와 추가적인 연구가 진행되어야 하지만, 전 세계의 물리학자들은 이것을 힉스 입자의 발견으로 받아들였고, 곧 트위터와 페이스북 같은 SNS와 블로그 등으로 전 세계에 알리기 시작했다. 현대 물리학의 클라이맥스 중 한 순간인 것이다.
현대 과학 기술 문명의 기초 중의 기초인 물리학은 20세기 여러 번의 혁명을 겪으며 현재와 같은 모습을 갖추게 되었다. 이번의 힉스 입자 발견은 20세기에 일어난 물리학 혁명의 마침표라 할 만하다. 아인슈타인의 상대성 이론, 플랑크가 스타트를 끊고 보어와 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등이 정초한 양자 역학, 우주 창조의 역사를 뒤바꾼 대폭발 이론, 전자 통신 혁명을 가능하게 한 고체 물리학 등으로 수놓아진 20세기 이후 현대 물리학의 역사는 갈릴레오와 뉴턴 이후 400년간 일어난 변화보다 더 많은 변화가 더 짧은 시간 동안 더 크고, 깊고, 넓게 일어난 혁명의 시대였다. 이 물리학 혁명의 시대를 거치며 인간의 지성은 창조의 순간을 엿보고, 4차원 너머의 11차원을 꿈꾸며, 우리 우주 밖의 다중 우주, 다우주를 계산하는 지점에 도달했다. 현대 물리학자들은 어떤 과정을 거쳐 여기까지 온 것일까, 그리고 우리를 어떤 상상 못할 세계로 이끌게 될까?
이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 이종필 박사의 『물리학 클래식』은 이런 문제 의식을 바탕으로, 현대 물리학의 근원을 찾아 순례를 떠난다. 고에너지 물리학자로 기본 입자의 세계를 탐구해 온 이종필 박사는 물리학의 역사에서 ‘기적의 해’였던 1905년에 발표된 아인슈타인의 특수 상대성 이론 논문인 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여」을 시작으로 현대 이론 물리학자들의 핵심 연구 주제인 초끈 이론을 새로운 차원을 이끈 후안 말다세나 「큰 N 극한에서의 초등각장론과 초중력」(1998년) 논문까지 현대 물리학의 역사에서 비가역적인 전환점을 마련한 10편의 논문 원전을 순례하면서 그 논문이 등장하게 된 물리학사적 배경과 그 논문이 등장함으로써 만들어진 영향을 살피고, 선배 물리학자들의 창의성의 원천이 무엇이었는지 치밀하게 살핀다.
아인슈타인과 말다세나의 논문 외에도, 원자핵이 존재한다는 사실을 세상에 알린 어니스트 러더퍼드의 「물질에 의한 알파 및 베타 입자의 산란과 원자의 구조」(1911년), 우주 팽창의 증거를 발견한 에드윈 허블의 「외계 은하 성운들의 선속도와 거리 사이의 관계」(1929년), 현대 전자 문명의 기초가 된 트랜지스터를 발명한 존 바딘, 월터 브래튼의 「트랜지스터, 3극 반도체」(1948년), 대폭발 이론의 확실한 증거인 우주 배경 복사를 발견한 아노 펜지어스, 로버트 윌슨의 「4,030Mc/s에서 초과 안테나 온도의 측정」(1965년)처럼 물리학의 역사를 그 이전과 그 이후로 돌이킬 수 없을 정도로 바꾼 ‘획기적 발견’을 이룬 논문들과, 아인슈타인의 「중력의 장 방정식」(1915년), 베르너 하이젠베르크의 「운동학적 역학적 관계들에 대한 양자 이론적 재해석」(1925년)처럼 인류의 세계관을 근본적으로 뒤흔든 ‘인식의 혁명’을 가지고 온 논문들, 초전도 현상을 설명해 낸 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 슈리퍼의 「초전도성 이론」(1957년) 논문과, 입자 물리학의 큰 틀을 그린 스티븐 와인버그, 「경입자 모형」(1967년)처럼 새로운 발견과 패러다임 혁명 속에서 역사상 전례가 없을 정도로 성공적인 ‘이론적 완성’을 빚어낸 논문들을 순례함으로써, 저자는 물리학자들의 놀랍고 위대한 성과물들이 어느 날 갑자기 하늘에서 뚝 떨어져 만들어진 것이 아니라, 선배 물리학자들의 축적된 성과 위에서, 동료 학자들 사이에 치열한 소통 속에서, 그리고 인류의 거대한 지적 여정 속에서 생성된 것임을 생생하게 보여 준다.

 

획기적 발견, 인식의 혁명, 이론적 완성

클래식 음악을 하는 사람들은 흔히 지구가 멸망해서 우주선을 타고 지구를 탈출하는 순간에도 바흐의 「평균율 피아노」만 챙기면 클래식 음악을 모두 복구할 수 있다는 말을 하곤 한다. 그 우주선에 20세기 물리학의 논문 10편을 싣는다면 어떤 10편을 실어야 할까? 나는 그런 상상을 하며 10편의 논문을 골랐다. -본문에서

현대 물리학, 20세기 물리학을 대표할 물리학 논문을 고른다면, 물리학자에 따라, 전문 분야에 따라, 그리고 취향에 따라 달라질 수밖에 없을 것이다. 누가 어떤 논문을 고르든, 항의를 막을 수 없다.  국내파 이론 물리학자인 이종필 박사는 이 책에서 인류가 멸망했을 때, 우주선을 타고 지구를 탈출할 때 어떤 논문을 챙겨야 현대 물리학을 복원할 수 있을까 하는 관점에서 논문을 고른다. 그래서 저자는 현대 물리학을 그 전과 그 후로 돌이킬 수 없게 바꾼 획기적 발견, 인류의 세계관을 송두리째 뒤흔든 인식의 혁명, 새로운 발견과 패러다임의 혁명을 온전하게 담아낸 이론적 완성을 선정 기준으로 삼아 제시한다. 이 기준들을 하나의 축으로 삼아 뉴턴의 고전 역학을 전복해 버리고, 전자 혁명의 방아쇠를 당기고, 우주 탄생과 진화를 설명하는 거대한 이론을 구축해 낸 현대 물리학의 역사를 직조해 나간다.그리고 각 논문 속으로 들어가 각 논문을 써낸 12명의 물리학자들이 머리를 싸매고 고민한 문제들, 그들이 우연히 마주친 수수께끼들, 그리고 그들을 문제 해결로 안내한 아이디어들을 또 하나의 축으로 삼아, 놀라운 발견이 일어나고, 새로운 이론이 탄생하며, 천재성과 천재성이 충돌하고, 낡은 세계관이 새로운 세계관을 전복되는 순간을 과학자들의 생각의 흐름을 추적하면서 생생하게 재현해 낸다. 이로써 실제로 현장에서 이론과 실험 결과를 다루며 연구하는 현장 연구자만이 느낄 수 있었던 선배 과학자들의 숨결을 공유할 수 있게 해 준다.  이 책에서 소개하는 논문들은 다음과 같다.

1장 뉴턴 역학이 무너지다:
알베르트 아인슈타인, 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여」(1905년)20세기 물리학은 뉴턴의 고전 역학을 전복하며 시작되었다. 아인슈타인의 이 논문은 특수 상대성 이론이라는 혁명적인 이론의 탄생을 알리는 논문이다. 광속 불변의 원리, 좌표계에 따른 물리 법칙의 절대성을 전제로 한 특수 상대성 이론은 시간과 공간에 대한 인류의 오랜 관념을 일신했고, 시간과 공간을 통합적으로 이해할 수 있게 만들어 주었다.

2장 핵의 시대를 열다: 어니스트 러더퍼드, 「물질에 의한 알파 및 베타 입자의 산란과 원자의 구조」(1911년)물질의 가장 기본적인 단위라고 생각했던 원자 역시 원자핵과 전자로 이뤄져 있다는 충격적인 사실을 밝힘으로써 원자의 내부 구조를 이해하는 데에 획기적인 진전을 이룬 논문이다. 원자 구조에 대한 새로운 이해는 핵물리학이라고 하는 새로운 학문 분야의 출발점이 되었고, 원자력이라는 새로운 에너지원과 핵무기라는 공포의 권능을 인류에게 동시에 안기게 되었다.

3장 우주의 구조를 꿰뚫어 보다: 알베르트 아인슈타인, 「중력의 장 방정식」(1915년)상대론적 중력 이론인 일반 상대성 이론은 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 발표한 지 10년 만에 세상에 나왔다. 이 이론을 통해 수백 년을 이어 온 뉴턴의 만유인력의 법칙은 그 권좌에서 내려오게 된다. 일반 상대성 이론 덕분에 과학자들은 우주가 어떻게 생겨났고 또 어떻게 진화해 왔는지를 이론적으로 규명할 수 있게 되었다. 대폭발 이론, 블랙홀 이론, 다중 우주 이론 등 수많은 현대 물리학 이론의 출발점이기도 하다.

4장 이상한 양자 나라의 하이젠베르크: 베르너 하이젠베르크, 「운동학적 역학적 관계들에 대한 양자 이론적 재해석」(1925년)양자 역학은 상대성 이론과 함께 20세기 지성사에 가장 큰 영향을 끼친 과학적 발견이다. 이 논문의 저자인 하이젠베르크는 이 양자 역학을 정초한 공로를 인정받아 1932년에 노벨상을 받았다. 상대성 이론이 아인슈타인이라는 걸출한 스타 한 명이 거의 혼자서 완성한 것이라면 양자 역학은 시대의 천재들이 머리를 맞대고 고군분투한 결과물이다. 이 논문은 수많은 천재들을 한데 엮은 양자 역학 혁명의 출발점이라 할 만하다.

5장 팽창하는 우주, 20세기의 가장 위대한 발견: 에드윈 허블, 「외계 은하 성운들의 선속도와 거리 사이의 관계」(1929년)이 논문을 통해 ‘허블 법칙’이 발표되었다. 허블 법칙은 지구에서 은하까지의 거리와 그 속도 사이에 특별한 관계가 있음을 가르쳐 준다. 그리고 그 관계 속에 우주 전체의 운명이 담겨 있음도. 이 논문을 통해 우리 우주가 고정된 존재가 아니라, 살아 움직이며 진화하는 존재임을 알게 되었다. 스티븐 호킹이 20세기에 가장 위대한 발견이라고 평한 발견이 이 논문 속에 담겨 있다.

6장 트랜지스터, 전자 혁명의 방아쇠를 당기다: 존 바딘, 월터 브래튼, 「트랜지스터, 3극 반도체」(1948년)20세기는 뭐니 뭐니 해도 전자 혁명의 시대다. 전자 혁명의 주도자는 반도체였고 그 핵심에 트랜지스터가 있다. 1948년에 태어난 트랜지스터는 진공관을 밀어냈다. 트랜지스터의 탄생은 말 그대로 혁명이었다. 20세기 후반 사람들은 온갖 전자 제품 없이는 살 수 없게 되었고, 그 전자 제품의 핵심이 바로 트랜지스터였다. 트랜지스터의 발견의 순간을 이 논문을 통해 살피다.

7장 고체 물리학의 새 장을 연 초전도 이론: 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 슈리퍼, 「초전도성 이론」(1957년)초전도 현상은 20세기 들어 인류가 발견한 가장 신비로운 현상 가운데 하나이다. 초전도 현상이란 금속의 온도를 극저온으로 낮추었을 때 전기 저항이 0이 되는 현상이다. 1911년 초전도 현상이 처음으로 관측된 이후 수많은 과학자들이 초전도체의 성질을 연구했고 초전도 현상의 근원을 이해하기 위해 노력했다. 이 논문은 초전도 현상에 대한 가장 근원적인 이론으로 꼽히는 BCS 이론의 탄생 과정을 담고 있다.

8장 대폭발의 화석을 줍다: 아노 펜지어스, 로버트 윌슨, 「4,030Mc/s에서 초과 안테나 온도의 측정」(1965년)이 논문에서 다루고 있는 발견은 “500년 근대 천문학사에서 가장 위대한 발견”으로 꼽힌다. 이 발견으로 대폭발 이론은 가장 강력한 실험적 증거를 갖게 되었다. 이후 계속해서 이 발견의 성과인 극초단파 우주 배경 복사를 연구한 결과 과학자들은 우주 탄생의 신비를 하나씩 풀 수 있었다. 오늘날에도 전 세계 수많은 과학자들이 우주에서 그리고 지상에서 우주 배경 복사에 대해 연구하고 있다. 21세기 물리학 혁명은 바로 이 우주 배경 복사에서 시작될지 모른다.

9장 대통합을 향한 첫걸음: 스티븐 와인버그, 「경입자 모형」(1967년)“세상은 무엇으로 만들어졌을까?” 하는 질문은 인류가 유사 이래 품어 온 가장 오래되고 근본적인 의문 중 하나이다. 사물과 자연의 근본 이치를 탐구해 온 그 유구한 역사 속에서 인류가 다듬어 온, “세상은 무엇으로 만들어졌을까?”에 대한 가장 모범적인 답안이 바로 입자 물리학의 표준 모형(Standard Model of particle physics)이다. 표준 모형의 기초를 놓은 논문이자, 역사상 가장 많이 인용된 논문에 대한 소개가 담겼다. 힉스 입자의 발견으로 이 논문이 내놓은 숙제가 비로소 완결되게 되었다.

10장 양자 중력의 새로운 돌파구: 후안 말다세나, 「큰 N 극한에서의 초등각장론과 초중력」(1998년)이 논문은 현대 물리학의 최대 난점인 양자 역학과 아인슈타인의 상대성 이론을 통합해 양자 중력 이론을 만드는 문제에 대한 해법을 제시했다. 현대 물리학의 최전선일 양자장론과 초끈 이론의 지평을 확장함으로써 21세기에 일어날 물리학 혁명의 출발점을 마련한 논문으로 평가되고 있다.

목차

차례
머리말: 물리학 원전 순례를 시작하며
1장 뉴턴 역학이 무너지다: 알베르트 아인슈타인, 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여」(1905년)
2장 핵의 시대를 열다: 어니스트 러더퍼드, 「물질에 의한 알파 및 베타 입자의 산란과 원자의 구조」(1911년)
3장 우주의 구조를 꿰뚫어 보다: 알베르트 아인슈타인, 「중력의 장 방정식」(1915년)
4장 이상한 양자 나라의 하이젠베르크: 베르너 하이젠베르크, 「운동학적 역학적 관계들에 대한 양자 이론적 재해석」(1925년)
5장 팽창하는 우주, 20세기의 가장 위대한 발견: 에드윈 허블, 「외계 은하 성운들의 선속도와 거리 사이의 관계」(1929년)
6장 트랜지스터, 전자 혁명의 방아쇠를 당기다: 존 바딘, 월터 브래튼, 「트랜지스터, 3극 반도체」(1948년)
7장 고체 물리학의 새 장을 연 초전도 이론: 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 슈리퍼, 「초전도성 이론」(1957년)
8장 대폭발의 화석을 줍다: 아노 펜지어스, 로버트 윌슨, 「4,030Mc/s에서 초과 안테나 온도의 측정」(1965년)
9장 대통합을 향한 첫걸음: 스티븐 와인버그, 「경입자 모형」(1967년)
10장 양자 중력의 새로운 돌파구: 후안 말다세나, 「큰 N 극한에서의 초등각장론과 초중력」(1998년)
맺음말: 순례를 마치며참고 문헌 / 용어 해설 / 찾아보기 / 도판 저작권

작가 소개

이종필

서울 대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학교 대학원에서 입자 물리학으로 석사, 박사 학위를 받았다. 한국과학기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS), 연세 대학교 연구원, 서울과학기술대학교에서 재직했다. 현재 건국 대학교 상허 교양 대학 교수로 재직 중이다. 저서로는 『대통령을 위한 과학 에세이』, 『신의 입자를 찾아서』가 있고, 번역서로 『최종 이론의 꿈』, 『블랙홀 전쟁』이 있다.

독자 리뷰(3)
  1. 정디귿
    2013년 11월 8일 5:55 오후

    p 20
    ‘아인슈타인은 막스 플랑크의 광장자 가설을 과감하게 받아들여 광전효과를 깔끔하게 설명했다.’ 라고 되어있는데 제가 조사해 본 바로는 아인슈타인이 받아들인 막스 플랑크의 가설은 양자가설이고 이걸 토대로 아인슈타인이 광전효과를 설명해 낸 가설은 광양자가설이더군요. 빠른 수정 바랍니다.

  2. ?
    2013년 8월 4일 11:26 오후

    77쪽에 양성자(positron) 이라고 나와있군요.
    양성자는 proton, 양전자가 positron

  3. 시누
    2013년 4월 8일 12:44 오후

    사이언스북스 블로그에 잘 정리가 되어 있고, 오마이뉴스 팟캐스트에서 이종필님의 강의가 있으니 좋은 참고가 된다. 그러나, 이 책을 정독하는게 중요하다고 생각된다. 10개 논문이지만 비전문가입장에서는 녹녹찮은 논문들이다. ( 잘 풀어적기는 했지만.) 스포일러는 아니자만 상대성이론, 양자역학, 천문학의 주요발견에 대한 부분에 대한 기본적인 이해?만 해도 정말 많이 얻은 것이라고 생각한다.개인적으로는 물리학이라는 새로운 장을 내게 열어주고, 이에 관련된 다양한 접근이나 힌트를 통해서 상식을 넓히고 있는 중이다. 이 땅에 과학자/공학자라고 생각하는 사람들이 상식선에서 읽어야 할 거 아닌가 생각된다.

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