물질의 물리학

고대 그리스의 4원소설에서 양자과학 시대 위상물질까지

한정훈 지음

김영사 2020년 10월 08일 출간 종이책 : 2020년 09월 25일 출간

작품소개

책소개

“모든 물질은 양자 물질이다. 우리 몸과 빛조차도!”
현대물리학의 가장 큰 분야, 응집물질물리학을 소개하는 최초의 교양서
탁월한 스토리텔링과 비유로 이해하는 양자 물질의 역사

질량은 어떻게 생겨나는가? 빛도 물질인가? 자석은 왜 자석인가? 왜 어떤 물질은 전기를 통하고 다른 물질은 그러지 못하는가? 2차원, 1차원 물질도 있는가? 도대체 ‘물질’이란 무엇인가?
《물질의 물리학》은 물리학의 근원적인 질문들을 탐구해가는 과정에서 발견된 그래핀, 초전도체, 양자 홀 물질, 위상 물질 등 기묘한 물질들의 세계를 탁월한 스토리텔링과 독창적인 비유로 직관적이고도 자세하게 풀어낸 책이다. 저자인 한정훈 박사는 지도교수 데이비드 사울레스의 2016년 노벨 물리학상 수상을 계기로 여러 차례 대중 강연을 하고 해설을 기고하면서, 제한된 시간과 지면에 답답함을 느껴 좀 더 긴 호흡으로 ‘물질’에 대해 대중과 이야기를 나누고자 이 책을 구상했다. 그는 이 책에서 고대 그리스의 4원소설에서부터 양자과학 시대의 위상 물질에 이르는 ‘물질’의 역사를 물리학자들의 삶과 당시의 시대 배경, 자신의 경험을 씨실과 날실로 엮어 흥미롭게 소개하고 있다. 현대물리학에서 가장 많은 과학자들이 다루는 대상은 ‘물질’(응집물질물리학)인데 국내 물리학 교양서 대부분은 ‘우주’(천체물리학)와 ‘입자’(입자물리학)가 차지하고 있는 현실에서, 현대물리학의 최신 흐름에 목말라 했던 독자들에게 이 책은 가뭄의 단비와 같은 책이 될 것이다.

목차

추천의 글
머리말

1. 최초의 물질 이론
내 별명은 헬로 / 그리스의 자연철학자: 엠페도클레스, 데모크리토스 / 플라톤의 티마이오스 / 부분과 전체 / 현대 물질 이론 / 30년 후
2. 꼬인 원자
헬름홀츠 / 소용돌이 / 소용돌이 원자론 / 위상 원자 이론의 몰락, 부활, 몰락, 그리고…
3. 파울리 호텔
배타적 전자 / 물질의 분류 / 제이만, 로런츠, 파울리 / 전자의 사회학 / 블로흐의 증명
4. 차가워야 양자답다
절대영도의 세계 / 오너스의 냉장고 / 양자다운, 너무나 양자다운 / 초전도체와 힉스 입자 / 두 종류의 액체헬륨 / 과학적 낙수 효과
5. 빛도 물질이다
그때는 틀리고 지금은 맞다 / 빛에 대한 공학적 접근: 빛을 나누는 장치 / 빛은 파동이다: 맥스웰의 대발견 / 빛도 입자다! 난로와 전자레인지의 교훈 / 파동의 물질성, 물질의 파동성 / 아인슈타인이 '놓친' 노벨상
6. 양자 홀 물질
전자를 움직이는 힘: 전기력과 자기력 / 맥스웰의 실수, 홀의 발견 / 가장 얇은 금속 / 클리칭의 우연한 발견 / 시애틀, 위상 숫자
7. 그래핀
선배 / 2차원 물질 / 탄소 물질 / 그래핀 발견 / 상대론적 전자계 / 호프스태터 나비 / 놓친 기회, 새로운 기회
8. 양자 자석
입자는 자석이다 / 자석은 정보다 / 위상 자석 / 차원의 반전 / 땅콩 크기만한
9. 위상 물질 시대
샤모니의 추억 / 위상이란 이름 / 제3의 고체 / 양자 스핀 홀 효과 / 짝수 절연체, 홀수 절연체 / 상대론적 금속

꼬리말
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출판사 서평

리학의 원리를 제대로 보기 위해서는 극한의 환경이 필요하다. 이런 맥락에서 물질의 양자적인 속성은 저온 상태에서 더 잘 드러나는데, 이 문제에 결정적인 기여를 한 것이 바로 오너스가 만든 냉장고다. 오너스가 1882년 29세의 나이로 레이던대학교의 교수로 취임할 때까지 액화시키지 못한 유일한 기체는 헬륨이었는데, 오너스는 이 주제를 파고들어 그로부터 26년 후 액체 헬륨을 얻는 데 성공한다. 어떤 물질이든 절대영도(섭씨 영하 273.15도) 근방까지 낮출 수 있는 ’절대 냉장고‘가 탄생한 것이다. 이 냉장고는 20세기 전반에 걸쳐 양자 물질의 비밀을 풀어내는 데 필요한 단서를 하나씩 제공해주었다.
이렇게 발견된 물질들, 저항이 전혀 없는 금속과 액체, 즉 초전도체와 초액체는 노벨 물리학상의 영광을 누렸을 뿐만 아니라 이미 대형 병원에 설치된 MRI 같은 기계에 널리 쓰이고 있다. 또 저자가 공헌한 분야인 ’스커미온‘을 이용해 기억소자를 만들 수 있다면 지금 정도의 성능을 지닌 기억장치 크기를 땅콩 한 알 정도로 줄일 수도 있다. 이 분야가 품고 있는 이론과 실험, 기초과학의 깊이와 응용의 폭을 생각해보면 왜 ’물질의 물리학‘ 즉 응집물질물리학이 현대물리학에서 가장 큰 분과인지 알 수 있을 것이다.

작가정보

저자(글) 한정훈

저자 : 한정훈
성균관대학교 물리학과 교수. 1997년 워싱턴대학교에서 데이비드 사울레스 교수(2016년 노벨 물리학상 수상)의 지도 아래 박사학위를 받은 후 아시아태평양이론물리센터(1997~1999), 버클리대학교(1999~2001) 연구원, 건국대(2001~2003) 교수를 거쳐 성균관대(2003~현재)에 재직 중이다. 주요 연구 분야는 양자 자성체, 양자 스핀계 이론이다. 다강체 이론, 스커미온 이론, 양자 스핀계의 수송 이론 등에서 독보적인 연구 업적이 있다. 고등교육재단 해외 유학 장학생에 선발된 바 있고, 워싱턴대학교의 서배스천 카러 상Sebastian Karrer Prize, 삼성미래기술육성재단 연구비 등을 받았다. 지도교수의 노벨상 수상을 계기로 여러 차례 대중 강연을 하고 해설을 기고하기도 했다. 80여 편의 학술 논문과 함께 전공 서적 《응집물질에서의 스커미온Skyrmions in Condensed Matter》(Springer, 2017)을 출판했다. 2019년부터는 고등과학원에서 발행하는 웹진 〈호라이즌〉의 편집자로 참여해 대중 과학 원고 섭외, 편집, 출판을 돕고 있다.