익스트림 물리학

수식 없이 읽는 여섯 가지 극한의 물리

옌보쥔 지음 | 홍순도 옮김

그린북 2022년 05월 30일 출간 종이책 : 2022년 01월 17일 출간

작품소개

책소개

누구나 쉽게 양자역학을 이해할 수 있다?
과학적 호기심과 끈기만 있다면 가능한 일!

여섯 가지 극한 세계에서 펼쳐지는 흥미로운 물리학 사고실험
복잡하고 어렵게만 여겨졌던 물리학의 전 분야를 총망라하며 명쾌하게 해설한 책이 나왔다. 650페이지에 이르는 분량으로 물리학의 끝장을 보여주는 그린북 신간 《익스트림 물리학》이다. 제목에는 두 가지 의미가 있다. 물리학의 궁극을 보여주겠다는 의도가 첫 번째라면, 두 번째는 물리량의 극한을 파헤쳤다는 의미이다. 극한의 속도, 극한의 크기, 극한의 무게, 극한의 온도 등 인간
보도자료
의 감각을 바탕으로 하는 기본적인 물리량을 극한으로 보냄으로써 실재 세계와 가상 세계에서 일어나는 거의 모든 물리적 현상을 다루고 있다. 저자가 펼쳐놓는 흥미로운 사고실험과 핵심을 찌르는 원리 해설을 따라가다 보면 특수상대성이론, 일반상대성이론, 양자역학, 입자물리학, 열역학…… 난해하기만 한 물리학 이론들이 어느새 내 것이 될 수 있다.
이 책은 특히 복잡한 수식이나 공식 없이도 물리학의 기본 개념을 이해할 수 있도록 구성했다. 물리학을 어렵게 느끼는 것은 그 안의 수학적 계산이 어려워서이지, 기본 원리는 오히려 간단하다는 것이 저자의 주장이다. 물리학의 바탕을 이루는 거대한 이론일수록 그 원리는 더욱 간단해서 기초적인 과학 지식과 호기심, 저자의 안내에 따라 여섯 가지 극한 세계를 탐구할 수 있는 끈기만 있다면 누구나 물리학의 궁극에 다다를 수 있을 것이다.
저자는 중국 대륙에서 유명세를 떨치고 있는 물리학자이자, 천만 명에 이르는 팔로워와 회당 3억 뷰를 자랑하는 인플루언서이다. 예술 분야에도 조예가 깊어 다양한 온라인 매체에서 과학과 예술학을 강의하고 있으며, 어려운 지식을 대중들에게 쉽고 재미있게 전달하는 강사로 정평이 나 있다. 음성 콘텐츠 플랫폼인 히말라야FM의 〈하드코어 과학쇼〉, 교육 콘텐츠 플랫폼 더다오의 〈서양 예술학 강의〉 등으로 큰 화제를 모은 바 있고, 시사주간지 신저우칸이 뽑은 ‘최고의 온라인 강사 10인’ 중 한 명이기도 하다.
이 책은 우리나라에서 통용되는 공식 물리학 용어와 고등학교 물리학 교과서 용어를 대조하고 검증하기 위해 전문가의 감수를 받았다. 번역서라는 이물감 없이 청소년부터 대학생 전공·비전공자, 일반 독자들까지 누구나 몰입하여 읽을 수 있다. 물리학의 기본 개념을 처음부터 끝까지 확실하게 다지고 싶은 독자에게도, 과학책깨나 읽었지만 보다 새로운 시선을 펼치는 물리학 이론서를 찾고 있는 독자에게도 《익스트림 물리학》은 좋은 선택이 될 것이다.

목차

1부 The Fastest : 빛의 속도로 운동하면 무엇이 보일까
2부 The Largest : 우주의 기원
3부 The Most Massive : 일반상대성원리
4부 The Tiniest : 기묘한 미시적 세계
5부 The Hottest : 무질서 속에 질서가 있는 실재 세계
6부 The Coldest : 저온 상태에서의 질서

출판사 서평

특수상대성이론에서 응집물질물리학까지,
물리학 전 분야의 핵심 파헤치기

1부 The Fastest : 빛의 속도로 운동하면 무엇이 보일까
특수상대성이론의 기본 토대인 상대성 원리와 광속 불변의 원리를 소개한다. 이 두 가지 원리를 바탕으로 특수상대성이론의 모든 효과를 논리적으로 이끌어낼 수 있다. 그러나 특수상대성이론은 이상적인 상황에 대한 논리적 추론으로, 대부분 현실에는 적용되지 않는다. 유명한 사다리 역설, 재료의 성질에 대한 강체 역설, 시공간의 휘어짐을 보여주는 에렌페스트 역설, 쌍둥이 역설 등을 알아본다. 또한 1부에서는 빛의 속도에 이르기 위해 넘어야 할 기술적 걸림돌에 대해 알아보면서 공기역학에 관련한 지식을 실제 현상을 근거로 상세하게 소개한다.

2부 The Largest : 우주의 기원
2부에서는 공간의 크기와 시간의 길이를 극한으로 보내본다. 우리가 생각할 수 있는 최대 크기는 물론 우주이다. 우선 빅뱅이론에 근거해 우주의 탄생과 발전 과정, 우주의 미래에 대해 알아본다. 그리고 우주에 무엇이 있는지 알아본다. 항성, 행성, 위성, 혜성, 중성자별, 백색왜성, 적색왜성, 흑색왜성, 적색거성, 초신성 등 다양한 천체에 대해 정리하고 천체의 진화 방향을 결정하는 질량 등급에 대해 설명한다.
또 2부에서는 만유인력을 바탕으로 천체들의 상호작용을 해설하며, 뉴턴이 케플러와 갈릴레이 두 과학자의 도움으로 만유인력의 법칙을 정립한 과정을 소개한다.

3부 The Most Massive : 일반상대성원리
만유인력 법칙으로 설명할 수 없는 더 큰 차원의 공간과 시간을 설명하기 위해 아인슈타인의 일반상대성이론을 알아본다. 물리학 분야 전체에서도 ‘고고한’ 지위를 차지하고 있는 일반상대성이론의 천재적인 발견과 현대 우주학의 탄생을 알아본다. 일반상대성이론에 근거해 중력이 ‘힘’이 아니라 공간의 휘어짐에 따른 가속운동 효과라는 것을 알 수 있다. 중력파, 위성항법장치(GPS), 블랙홀에 대해서도 탐구해 본다.

4부 The Tiniest : 기묘한 미시적 세계
4부에서는 극한의 작은 크기, 즉 미시적 세계의 물리법칙을 다룬다. 물질의 최소 구성 단위에 대해서는 현대 물리학에서도 결론이 나지 않은 상태이다. 우선 원자물리학 세계를 탐구한다. 고전 이론이 원자 구조 앞에서 무너지고 양자역학이 탄생한 과정을 알아본다. 양자역학으로 원자 내부의 전자 운동을 해석할 수 있으며, 슈뢰딩거 방정식과 코펜하겐 해석으로 전자 운동을 이해할 수 있다. 또한 원자의 수천조분의 1 크기인 원자핵을 살펴본다. 원자핵을 구성하고 있는 양성자와 중성자의 상호작용과 핵 반응에 대해서도 알아본다.
이어 한층 더 미시적인 세계인 입자물리학을 엿본다. 양성자와 중성자를 구성하는 최소 단위 쿼크를 소개하고, 기본 입자를 설명하는 양-밀스 장 이론과 표준 모형 이론에 대해 알아본다.

5부 The Hottest : 무질서 속에 질서가 있는 실재 세계
5부는 다입자계와 앙상블의 세계, 즉 개별 대상의 이론적인 물리적 상태가 아닌 실재하는 세계를 들여다본다. 그러기 위해서 먼저 온도가 무엇인지 알아본다. 대량의 입자들이 가진 평균 운동에너지 값으로 온도의 개념을 정의하고, 물질의 다양한 특성과 온도의 관계를 살펴본다. 계의 물리적 성질과 온도의 관계는 열역학이라는 학문으로 발전되었다. 열역학의 이론과 법칙을 살펴보고 통계역학으로 발전하면서 정립된 엔트로피 정의도 살펴본다. 이어 온도 상승에 따른 물질 상태의 변화, 그리고 핵 반응을 일으킬 수 있는 고온 환경을 만드는 방법에 대해서도 알아본다. 5부에서는 또한 복잡계 과학을 설명하여 삼체 문제, 나비효과, 카오스 시스템에 대해서도 해설한다.

6부 The Coldest : 저온 상태에서의 질서
5부에 상대되는 6부에서는 온도를 실온에서 절대 0도까지 내리면서 일어나는 현상에 대해 알아본다. 먼저 비교적 낮은 온도에서 물질이 보편적으로 고체 상태로 존재하는 사실을 바탕으로 고체의 물리적 속성을 파헤쳐 본다. 고체의 역학적, 열적, 전기적, 자기적 성질을 살펴보면서 재료물리학의 핵심을 이해할 수 있다. 그리고 양자역학을 바탕으로 하는 고체의 여러 가지 속성, 즉 고체물리학의 내용을 정리해본다. 마지막으로 온도가 절대 0도에 근접할 때 일어나는 양자역학적 현상인 초유체 현상, 초전도체 현상, 양자홀 효과에 대해 알아보며 응집물질물리학 분야를 소개한다.

꼭 필요한 기초물리학 실력, 준비는 안 됐는데 교과서는 펼치기 싫다면?
《익스트림 물리학》이 답이다!

이공계 대학 신입생들의 기초과학 역량이 떨어져 수업에 어려움을 겪는가 하면 전공을 중도 포기하는 학생들도 많다고 한다. 일부 대학은 신입생을 대상으로 고등학교 수준의 물리, 화학 보충수업을 시키기도 한다. 입시 편의를 위해 선택 과목을 늘리다 보니, 학생들이 어려운 과목을 공부하기를 꺼

작가정보

저자(글) 옌보쥔

저자 : 옌보쥔
홍콩과학기술대학에서 물리학과 수학을 전공하고, 동대학원에서 물리학 석사학위를 받았다. 현재 미국 브라운대학교 물리학 박사과정에서 연구하고 있다. 예술 분야에도 조예가 깊은 저자는 다양한 온라인 매체에서 과학과 예술학 관련 강의를 하고 있다. 천만 명에 이르는 팔로워와 회당 3억 뷰를 자랑하는 인플루언서이며, 시사주간지 신저우칸新周刊이 뽑은 ‘최고의 온라인 강사 10인’에 들기도 했다. 인기를 모은 강의로는 음성 콘텐츠 플랫폼 히말라야喜馬拉雅FM의 〈하드코어 과학쇼硬派科普秀〉와 교육 콘텐츠 플랫폼 더다오得到의 〈서양 예술학 강의西方藝術課〉 등이 있다. 《익스트림 물리학》으로 제16회 문진도서상을 수상했으며 다른 저서로는 《놀라운 물리了不起的物理》가 있다.

역자 : 홍순도
경희대학교 사학과를 졸업하고 독일 보쿰대학교에서 국제정치학과 석사과정을 수료했다. 매일경제신문과 문화일보 국제부 기자로 일했으며, 문화일보 베이징 특파원으로 활동했다. 이후 중국 런민르바오人民日報 한국대표처 대표, 아시아투데이 사회부장과 편집국장을 지냈으며 현재 아시아투데이 베이징 특파원으로 일하고 있다. 소설 《따꺼 1~2》와 《황혼의 상하이탄》을 비롯해 《중국을 움직이는 CEO들》 《베이징 특파원 중국 문화를 말하다》 《시진핑과 중난하이 사람들》 등을 썼으며, 옮긴 책으로는 《화폐전쟁 2, 3, 4》 《삼국지 강의 2》 《진시황 강의》 《강희대제 1~12》 《옹정황제 1~12》 《건륭황제1~18》 등이 있다.

감수 : 안종제
서울대학교 사범대학 물리교육학과를 졸업하고 동대학원에서 석사학위 취득 후 박사과정을 수료했다. 학생들에게 물리학을 쉽고 재미있게 설명하는 교사로 36년간 일했으며, 지금은 컴퓨터를 이용하여 공학과 물리학을 연구하는 방법에 관한 책을 쓰고 있다. 서울대학교 사범대학 과학교육학과에서 강의하며 고등학교에서 피지컬 컴퓨팅, 기계학습 등에 관한 특강을 하기도 한다. 교과서 《고등학교 물리학Ⅰ》을 집필했으며 그 밖에 《MEET/DEET 일반물리》 《세상을 바꿀 미래 과학 설명서》 등을 썼다.

번역 홍순도