빛의 물리학

EBS 다큐프라임 빛의 물리학 제작팀 지음

해나무 2014년 08월 07일 출간 종이책 : 2014년 05월 20일 출간

작품소개

책소개

빛에 매혹된 과학자들의 발자취를 따라가다!

빛이라는 키워드로 꿰뚫어보는 물리학의 역사『빛의 물리학』. EBS 다큐프라임《빛의 물리학》을 단행본으로 엮은 책으로, 빛을 키워드로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성 이론과 양자역학을 쉽게 풀어냈다. 역사상 가장 위대한 과학자들이 던졌던 탁월한 질문들과 끈질긴 탐구과정을 생생하게 담아냈다.

갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 코펜하겐 학파 과학자들부터 현대 끈이론 과학자들에 이르기까지, 빛이라는 하나의 키워드를 중심으로 현대 물리학의 역사를 들여다본다. 빛 속에 색이 있는 것인지 탐구했던 뉴턴, 빛처럼 빠른 속도로 날아가면 빛이 어떻게 보일지 궁금했던 아인슈타인 등 빛을 추적했던 물리학자들이 답을 찾아내가는 드라마틱한 순간들을 만나볼 수 있다.

이 책은 방송 프로그램의 내용을 충분히 살리면서도, 독자의 이해를 돕기 위해 시간상 방송에 담아내지 못한 세부적인 부분들을 꼼꼼하게 보충하였다. 아주 큰 세계를 탐구하는 상대성이론과 아주 작은 세계를 탐구하는 양자역학을 공식 없이 대중의 눈높이에 맞춰 살펴볼 수 있도록 하였으며, 빛의 이면을 좇으며 보편 법칙을 찾으려고 했던 과학자들의 끈질긴 실험, 통찰력이 깃든 직관, 양보 없는 논쟁 등을 다채로운 이미지와 함께 흥미롭게 읽을 수 있도록 하였다.

목차

감수의 말 _홍성욱 서울대학교 교수(과학사) _4
추천의 말 _이기진 서강대학교 교수(물리학) _11
머리말 _13

1 빛과 시간, 특수상대성이론 _18
갈릴레오 갈릴레이의 상대성 원리 | 입자와 파동, 그리고 에테르 | 과연 에테르가 있을까? | 빛과 진동 | 아인슈타인과 상대성 | 특수상대성이론의 의미 | 뮤온의 시간

2 빛과 공간, 일반상대성이론 _64
하늘의 달과 땅의 사과는 왜 다른가 | 관성의 법칙과 중력 | 만유인력의 법칙 | 중력과 가속도 | 가속이라는 골치 아픈 문제 | 메카는 어느 쪽에 있는가 | 휘어진 공간 | 에딩턴과 휘어져 들어오는 별빛

3 빛의 추적자 _116
갈릴레오의 빛 | 빛의 속도를 재는 과학자 | 뉴턴의 빛 | 패러데이의 빛 | 전자기 현상의 비밀 | 빛은 전자기파다

4 빛과 원자 _174
세상을 구성하는 기본 입자 | 전자의 발견 | 원자 속의 작은 핵 | 원자의 문 앞에서 | 보어의 양자와 궤도

5 빛과 양자 _228
전자 궤도를 버린 하이젠베르크 | 슈뢰딩거의 파동방정식 | 전자는 확률적으로 존재한다 | 관측한다는 것의 의미 | 슈뢰딩거의 고양이는 과연 죽었을까, 살았을까 | 하이젠베르크와 불확정성의 원리 | 다시, 1927년 솔베이 회의

6 빛과 끈_276
궁극의 이론을 찾아서 | 4가지 기본 힘 | 양자역학과 중력의 충돌 | 우주가 만들어진 최초의 시점 | 끈이론의 등장 | 끈이론은 만물이론이 될 수 있을까? | 위기에 봉착한 끈이론 | 11차원과 M-이론 | 다중우주는 존재할까?

차례
감사의 말 _322
참고문헌 _324

책 속으로

“아인슈타인에게 동시에 일어난 사건이란 처음부터 존재하지 않는다. 시간이 모든 사람에게 다르게 흘러가기 때문이다. 절대적인 시간이란 원래부터 없었던 것이다.”(p. 59)

"가속도의 힘이 존재하는 공간, 즉 중력이 존재하는 공간은 모든 물체를 휘게 한다. 다른 말로 하자면, 질량이 있는 곳에서 공간은 휘어진다. 태양 주변도 마찬가지다. 태양 뒤에서 오는 별빛은 직진하고 있지만 휘어진 공간을 따라 오게 된다. 에딩턴이 지구에서 볼 수 없었던 별 사진을 찍은 것도 별빛이 휘어졌기 때문이었다. 중력은 잡아당기는 힘이 아니라 공간이 휘어지기 때문에 생기는 것이다. 아인슈타인의 답이었다."(p. 110)

"맥스웰이 계산한 전자기파의 속도는 대략 310,740,000m/s였다. 초속 31만 킬로미터라니, 익숙한 숫자이지 않는가! 그렇다, 바로 빛의 속도다. 당시 측정됐던 빛의 속도는 초속 31만 킬로미터였다. 맥스웰이 계산한 전자기파의 속도와 빛의 속도가 비슷한 값이었던 것이다. 이것은 무슨 뜻일까? 빛과 전자기파가 같은 것이었다. 우리 눈에 보이는 빛은 온전한 모습이 아니고 전자기파의 일부다. 이것이 맥스웰이 내린 결론이었다." (pp. 168~169)

"아주 작은 양자의 세계에서는 에너지가 불연속적으로 흐르고 있다. 믿기지 않지만 말이다. 하지만 우리가 사는 세상은, 우리가 경험하는 세상은 그렇게 보이지 않는다. 연속적이고 흐름은 건너뛰지 않는다. 그러나 이 고정관념은 마침내 깨지게 된다."(p. 212)

"이것이 바로 하이젠베르크의 ‘불확정성의 원리’다. 위치를 정확히 재려고 하면 전자의 운동량이 불확실해지고, 전자의 운동량을 보려고 하면 어디에 있는지 위치가 정확히 파악되지 않는다. 즉 위치와 운동량을 동시에 정확하게 잴 수가 없다."(p. 269)

"한 차원 높은 11차원에서 보니 문제가 아주 단순했다. 5개가 아니라 하나였던 것이다. 2차원 위에 있는 개미는 자신이 어디의 일부에 있는지 모르지만 우리는 개미가 어디 있는지 안다. 11차원의 관점에서 10차원을 내려다보는 것도 이와 마찬가지였다. 다섯 개의 끈이론들은 한 이론이 갖고 있는 5개의 단면에 불과했다. 이로써 끈이론은 아주 다른 이론이 되어버렸다. 우주의 모든 물질이 거대한 막 구조에 연결되어 있다는 놀라운 결론! 이렇게 M-이론이 등장했다."(p. 315)

출판사 서평

★ 대한민국과학문화상(김시준 PD)!
★ EBS 방송대상 대상!
★ YMCA ‘좋은 방송’ 최우수상
★ 방송통신심의위 ‘이달의 좋은 프로그램’ 수상

“빛의 여정, 물리학의 오디세이로 당신들을 초대한다.” _홍성욱 서울대 교수(과학사)
“교과서에서 볼 수 없는 드라마 같은 이야기를 나는 이 책을 통해 흥미롭게 접할 수 있었다.” _이기진 서강대 교수(물리학)

책소개
빛을 키워드로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성이론과 양자역학을 쉽게 소개한다. 화제의 다큐프로그램 EBS 다큐프라임 <빛의 물리학>을 단행본으로 엮은 책이다. 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등 빛의 정체를 파헤친 과학자들의 발자취를 따라가면서, 우주와 물질이 무엇이며 어떤 법칙으로 움직이는지에 대한 현대 물리학의 답변을 보여주고자 한다. 이 책의 가장 큰 장점은 아주 큰 세계를 탐구하는 상대성이론과 아주 작은 세계를 탐구하는 양자역학을 공식 없이 대중의 눈높이에 맞춰 살펴본다는 점이다. 역사상 가장 위대한 과학자들이 던졌던 탁월한 질문들과 끈질긴 탐구 과정을 다양한 이미지와 함께 흥미롭게 담았다.

빛이라는 키워드로 꿰뚫어보는 물리학의 역사
위대한 과학자들의 발상의 원천은 ‘빛’이었다!
위대한 과학자들은 하나같이 운명처럼 빛에 빠져들었다. EBS 다큐프라임 <빛의 물리학>을 단행본으로 엮은 이 책은 빛을 실마리로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성이론, 양자역학을 공식 없이 가장 쉬운 언어로 풀어낸 책이다. 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 코펜하겐 학파 과학자들, 현대 끈이론 과학자들에게 이르기까지, 빛이라는 하나의 키워드를 중심으로 현대 물리학을 관통해 나간다.
그런데 왜 빛일까? 갈릴레오는 빛의 속도를 처음으로 재려 했던 과학자였고, 뉴턴은 태양 빛의 정체를 밝히려다 시력을 잃을 뻔했으며, 아인슈타인의 상대성이론은 빛에 대한 호기심에서 출발해 별빛에 의해 증명됐다. 양자역학은 빛을 불연속적인 형태로 바라보는 시각에서 출발했다.
우주와 물질의 수수께끼에 대해 현대 물리학이 제시하고 있는 대답들을 이해하기란 쉽지 않다. 더욱이 빛에 매혹된 과학자들이 우리를 안내하는 곳은 기이한 세계다. 절대적인 시간이란 존재하지 않으며, 우리는 모두 서로 다른 시간을 살아간다. 질량을 가진 모든 물체는 주위의 공간을 휘게 만들고, 빛은 그 휘어진 공간 속을 나아간다. 빛은 입자의 성질뿐 아니라 파동의 성질도 갖고 있다. 또 빛은 아주 작은 양의 에너지 덩어리인 양자로 움직인다!
그러나 빛을 좇다보면 자연스럽게 현대 물리학을 떠받치고 있는 상대성이론과 양자역학을 큰 틀에서 만나게 된다. 적어도 상대성이론과 양자역학이 어떤 질문에서부터 등장하였으며, 과학자들이 어떤 과정을 통해 이론을 구체화시켜 나갔는지를 머릿속으로 그릴 수 있게 된다. 가령 아인슈타인이 어떻게 질량을 가진 물체는 주위의 공간을 휘게 만든다는 것을 깨달았는지, 맥스웰은 어떤 과정을 통해 빛이 전자기파라는 것을 알아차렸는지, 보어는 왜 전자가 원자 안에서 불연속적으로 이동한다고 생각했는지 등을 알 수 있다.
빛 속에 색이 있는 것인지 탐구했던 뉴턴, 빛처럼 빠른 속도로 날아가면 빛이 어떻게 보일지 궁금해했던 아인슈타인, 수소 원자가 방출하는 빛의 선 스펙트럼이 무엇을 말해주는지 물고 늘어졌던 보어 등 빛을 추적했던 물리학자들이 답을 찾아내가는 순간들은 드라마틱하게 보이기까지 한다.
상대성이론은 가장 큰 세계와 관련된 이론이고, 양자역학은 가장 작은 세계와 관련된 이론이다. 현대 물리학의 두 기둥인 이들 이론의 문턱은 높기는 하지만, 일단 이 높은 문턱만 넘으면 과학자들이 우주, 물질, 시간에 대해 어떠한 해답을 내놓았는지 대해 어렴풋하게나마 이해할 수 있다. EBS 다큐프라임〈빛의 물리학>을 만든 제작팀의 목표도 하나였다. 바로 “이 프로그램을 본 대한민국 국민이 상대성이론과 양자역학을 이해하는 것”이었다. 이 책은 방송 프로그램의 내용을 충분히 살리면서도, 독자의 이해를 돕기 위해 시간상 방송에 담아내지 못한 세부적인 부분들을 보충했기 때문에, 방송을 통해 미처 이해하지 못한 부분들을 머릿속으로 정리하는 데 도움이 될 것이다.
또한 독자들은 위대한 과학자들이 던졌던 최초의 질문에서 결정적인 깨달음을 얻는 순간까지, 빛의 이면을 좇으며 보편 법칙을 찾으려고 했던 과학자들의 끈질긴 실험, 통찰력이 깃든 직관, 양보 없는 논쟁 등을 다채로운 이미지와 함께 흥미롭게 읽을 수 있을 것이다.

* EBS 다큐프라임 <빛의 물리학> 소개
빛을 키워드 삼아 현대 물리학을 다룬 6부작 다큐멘터리 프로그램. 역사상 가장 위대한 과학자로 꼽히는 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크의 발자취를

작가정보

저자(글) EBS 다큐프라임 빛의 물리학 제작팀

EBS 다큐프라임 《빛의 물리학》제작팀은

프로듀서: 김형준
1997년 EBS에 입사하여, 음악과 여행 관련 프로그램을 비롯해 여러 편의 주목받는 과학 다큐멘터리를 연출했다. 대표작으로 <스페이스 공감>, <수학 대기획2-생명의 디자인>, <문명과 수학>, <마테마티카-수학의 원리>, <빛의 물리학> 등이 있다. 대한민국과학문화상(2012), 백상예술대상 교양 작품상(2012), 한국방송대상 프로듀서상(2012), 방송통신위원회 방송대상 대통령상(2012)을 수상했다.

프로듀서 : 김시준
1997년 EBS에 입사하여, 과학 분야의 다양한 프로그램을 연출했다. 대표작으로 <원더풀 사이언스>, <자연사 대기획-생명, 40억년 비밀>, <한반도의 매머드>, <빛의 물리학> 등이 있다. 대한민국과학문화상(2013)을 수상했다.

방송작가 : 김미란
주로 다큐멘터리를 집필했으며, 대표작으로 <시대의 초상>, <자연다큐멘터리 바람의 혼 참매>, <문명과 수학>, <빛의 물리학> 등이 있다. 한국방송작가협회 방송작가 대상 교양부문(2007), 방송대상 작가상(2012), 지식경제부장관표창(2012)을 수상했다.

감수 홍성욱

감수자 홍성욱 서울대 교수(생명과학부, 과학사 및 과학철학 협동과정 교수)는 서울대학교 물리학과를 졸업하고, 같은 대학교 과학사 및 과학철학 협동과정에서 과학사로 석사 및 박사학위를 받았다. 1995년 캐나다 토론토 대학에서 과학기술사철학과 조교수로 임용되었고, 2000년에 종신교수가 되었다. 매사추세츠 공과대학 디브너연구소 연구원을 지냈으며, 현재 서울대학교 생명과학부 교수로 재직하면서 과학사 및 과학철학 협동과정의 전공주임을 맡고 있다. 슈만상(1992), IEEE 종신회원상(1996)을 수상한 바 있다. 저서로 『잡종, 새로운 문화 읽기』 『생산력과 문화로서의 과학 기술』 『네트워크 혁명, 그 열림과 닫힘』 『파놉티콘, 정보사회 정보감옥』 『하이브리드 세상 일기』 『과학은 얼마나』 『홍성욱의 과학 에세이』 『그림으로 보는 과학의 숨은 역사』 등이 있다. EBS 다큐프라임 <빛의 물리학>의 자문을 맡았고, 과학과 예술의 융합을 도모한 전시 (2014, 아르코미술관)를 공동 기획했다.