14살에 시작하는 처음 물리학

청소년을 위한 본격 물리학 이론 배틀

곽영직 지음

북멘토 2019년 08월 13일 출간 종이책 : 2018년 09월 13일 출간

작품소개

책소개

지루한 규칙 설명서 NO! 경기 실황 중계로 즐기며 배우는 스포츠 Yes!
인류 최고의 천재들이 펼치는 9판의 물리학 이론 배틀 실중계!
재치있고 명쾌한 해설로, 뉴턴 역학부터 양자 역학까지
물리학의 핵심 이론과 개념이 머리에 쏘옥!

본격적으로 물리학을 공부하기 시작하는 청소년들을 위한 맞춤형 물리학 입문서. 뉴턴 역학, 전자기 이론, 원자론, 상대성 이론, 양자 역학 등 물리학의 주요 이론이 만들어지는 과정을, 이론 탄생의 씨앗이 된 학자들의 질문과 경쟁이론 간의 불꽃 튀는 대결로 드라마틱하게 풀어냈다.
‘입자설 vs 파동설 (빛은 알갱이일까, 파동일까?)’, ‘뉴턴 역학 vs 상대성 이론 (시간은 누구에게나 똑같이 흘러갈까?)’같이 잘 알려진 논쟁도 있고, ‘열소설 vs 에너지설 (열은 물질일까, 에너지일까?)’, ‘아인슈타인 vs 보어 (자연법칙을 확률로 해석할 수 있을까?)’와 같이 비교적 덜 알려졌지만 물리학 발전에 결정적인 논쟁도 있다.
축구 규칙을 제 아무리 잘 설명한 책이라도 실제 축구 경기를 보며 해설을 듣는 것만큼 축구에 대해 빨리, 잘 이해하기는 어렵다. 축구를 잘 모르는 사람이라면 더욱 그렇다. 이 책은 마치 스포츠 실황을 보며 해설하듯, 실험적 증거와 논리를 바탕으로 엎치락뒤치락 이론 대결을 벌였던 학자들의 경쟁을 친절하고 명쾌한 해설과 함께 실중계함으로써 물리학을 처음 배우는 청소년들이 낯선 물리 이론과 물리학의 핵심 개념을 보다 쉽고 분명하게 이해할 수 있도록 하였다. 더불어 물리학이 어떤 학문이고 물리학을 연구한다는 것이 무엇인지, 학문의 성격과 과학적 사고 방법도 배울 수 있다.
중·고등학교 과학 교과서를 비롯해서 어린이와 청소년, 성인에 이르기까지 다양한 독자들을 위한 수십 권의 과학 교양서를 집필·번역하고, 과학관에서 대중 강연을 하는 등 과학 대중화에 힘써온 수원대 물리학과 곽영직 명예 교수의 책이다.

목차

글쓴이의 말 : 물리학을 어떻게 시작해야 할까? 004
1장 세상의 중심은 어디일까? _ 지구 중심설 vs 태양 중심설 008
[물리학의 모퉁이] “그래도 지구는 돌고 있다” 032
2장 힘과 운동 사이에는 어떤 관계가 있을까? _ 아리스토텔레스 vs 뉴턴 034
[물리학의 모퉁이] 우주에도 끝이 있을까? 058
3장 빛은 알갱이일까, 파동일까? _ 입자설 vs 파동설 060
[물리학의 모퉁이] 우리가 다른 전자기파를 본다면 세상이 어떻게 보일까? 081
4장 전기와 자석은 어떤 관계일까? _ 길버트 vs 외르스테드 084
[물리학의 모퉁이] 에디슨과 테슬라의 전류 전쟁 107
5장 열은 물질일까, 에너지일까? _ 열소설 vs 에너지설 110
[물리학의 모퉁이] 인류의 오랜 꿈, 영구 기관 134
6장 물질을 이루는 가장 작은 알갱이가 있을까? _ 원소론 vs 원자론 136
[물리학의 모퉁이] “우리는 자연의 모든 작동에서 아무것도 창조하거나 파괴할 수 없다!” 158
7장 시간은 누구에게나 똑같이 흘러갈까? _ 뉴턴 역학 vs 상대성 이론 160
[물리학의 모퉁이] 중력파와 LIGO 184
8장 자연법칙을 확률로 해석할 수 있을까? _ 아인슈타인 vs 보어 186
[물리학의 모퉁이] 상보성 원리와 슈뢰딩거의 고양이 209
9장 우주는 어떻게 시작되었을까? _ 빅뱅 우주론 vs 정상 우주론 212
[물리학의 모퉁이] 또 다른 우주가 존재할까? 237
사진 및 도판 제공 240

책 속으로

“천체들이 타원 궤도를 도는 건 태양과 천체들 사이에 거리 제곱에 반비례하는 힘이 작용하기 때문입니다. 거리 제곱에 반비례하는 힘이 작용하면 타원 운동을 한다는 것을 쉽게 증명할 수 있습니다. 저는 이 문제에 대한 계산을 이미 오래전에 끝내 놓았습니다.” 자신들이 그렇게 고민하고 있던 문제에 대해 거침없이 대답해 버리는 뉴턴을 보고 핼리는 깜짝 놀랐다. 게다가 이미 계산까지 끝마쳤다니! 뉴턴의 계산을 보고 싶어 하는 핼리에게 뉴턴은 “궁금하다면 내가 계산한 결과를 정리해서 보내 드리지요.” 하고 약속했다. _37쪽

그렇다고, 광전 효과를 설명하기 위해 여러 실험으로 증명된 파동설을 포기할 수도 없었다. 그러나 한 젊은 과학자는 다른 사람들이 하지 못한 과감한 가정을 했다. 그 과학자는 바로 스위스에 있는 취리히 연방 공과 대학에서 물리학을 공부하고 베른에 있는 특허 사무소에 근무하고 있던 26세의 아인슈타인이었다. 아인슈타인은 빛을 파동이 아닌 입자로 가정하자고 제안했다. _78쪽

“이런, 깜짝 놀랄 일이 일어났군요. 도선에 열이 발생하는 것을 보기 위해 도선을 볼타 전지에 연결했는데 나침반이 돌아갔네요. 왜 그런지 알아보기 위해 다시 실험해 봐야겠어요. 학생들은 잠시 기다려 주세요.” 외르스테드는 볼타 전지의 방향을 바꾸어 전류가 반대 방향으로 흐르도록 해 보았다. 그러자 나침반의 바늘이 180° 회전했다. 이번에는 전류가 흐르는 도선을 이리저리 움직여 보았다. 그러자 나침반의 바늘도 따라 움직이며 항상 도선과 수직 방향을 가리켰다. 외르스테드는 자신이 중요한 사실을 발견했다는 것을 알아차렸다. 220년 전, 전기와 자석은 아무런 관계가 없다고 했던 길버트가 틀렸다는 것을 말이다. _87쪽

열기관의 작동 원리를 이해하고자 고심하던 과학자들은 열이 눈에 보이지 않는 ‘열소’라는 물질의 화학 작용이라고 설명했다. 매운 고추를 먹었을 때 혀가 얼얼할 정도로 매운 맛을 느끼는 까닭은 고추 속에 들어 있는 화학 물질이 혀를 자극하기 때문이다. 이와 마찬가지로 뜨겁다고 느끼는 것도 열소라는 화학 물질이 우리 피부를 자극하기 때문이라는 것이다. 이처럼 열을 열소라는 물질의 화학 작용이라고 설명하는 이론이 ‘열소설’이다 _121쪽

돌턴이 원자론을 제안했다는 것은 잘 알려져 있다. 그러나 돌턴이 제안한 원자론이 받아들여지는 데 50년 이상의 긴 세월이 걸렸다는 사실을 아는 사람은 많지 않다. 이는 원자론을 받아들이는 것이 생각보다 어려운 일이었다는 것을 말해 준다. 과학자들이 원자론을 쉽게 받아들이지 못한 것은 무엇 때문이었을까? 그리고 원자론이 탄탄하게 자리 잡는 데에 중요한 계기가 된 아보가드로의 가설은 무엇일까? 원자는 더 쪼개질 수 없다는 원자론의 주장은 과연 맞을까? _140쪽

회의에 참석했던 한 수학자는 이 회의의 분위기를 다음과 같이 묘사했다. “그것은 장엄한 연극의 클라이맥스와 같았다. 회의 참가자들은 역사적으로 가장 위대한 순간을 직접 목격했다. 커다란 뉴턴의 사진이 걸려 있는 홀에서 개최된 이 회의에서 우리는 과거 200년 이상 절대적 권위를 가지고 있던 뉴턴 역학을 수정해야 한다고 선언했다.” _162쪽

아인슈타인은 보어가 제안한 양자 역학의 문제점을 조목조목 반박했다. 토론은 매일 아침 식사 시간에 아인슈타인이 보어의 양자 역학에 어긋난다고 여겨지는 사고 실험을 제안함으로써 시작되었다. 회의에 참석한 물리학자들은 하루 종일 아인슈타인이 제안한 사고 실험을 검토하고 토론했다. 저녁 식사 시간에는 보어가 아인슈타인이 제안한 사고 실험으로도 양자 역학을 반박할 수 없다는 것을 증명했다. 그러나 다음 날 아침이 되면 아인슈타인은 더 복잡한 사고 실험을 제안했다. 하지만 아인슈타인의 시도는 번번이 실패했다. 비슷한 논쟁이 며칠 동안 계속되자 회의에 참석한 물리학자들은 아인슈타인에게 “당신은 당신의 적들이 상대성 이론을 반대했던 것과 똑같은 방법으로 새로운 양자 이론에 반대하고 있습니다. 이제 그 정도에서 끝내는 것이 어떻겠습니까?” 하고 충고했다. 그러나 아인슈타인은 그런 충고마저 들으려 하지 않았다. _189~190쪽

이런 가정은 당시 모든 사람들이 옳다고 믿고 있던 뉴턴 역학이나 전자기학의 법칙으로는 설명할 수 없는 것으로, 보어의 창의적인 아이디어였다. 따라서 어떻게 생각하면 아무런 이론적 근거나 과학적 정당성이 없는 원자 모형이라고도 할 수 있었다. 하지만 수소 원자가 내는 스펙트럼의 종류를 잘 설명했기 때문에 과학자들은 보어의 원자 모형이 의미 있다고 생각했다. _196쪽

둘은 모든 부품을 깨끗이 닦고 알루미늄 테이프로 감싸기까지 했다. 그러자 잡음이 약간 줄어들었다. 하지만 사라지지는 않았다. “혹시 저 비둘기 똥 때문은 아닐까?” 둘은 혹시나 하는 마

출판사 서평

책은 총 9개의 장으로 이루어져 있으며, 각각의 장은 세 부분으로 구성되어 있다.

- 극적인 한 장면과 질문으로 호기심을 증폭시키는 도입
갈릴레이가 가톨릭 종교 재판소에서 재판을 받던 순간, 뉴턴을 방문한 핼리가 자신이 그토록 고민하던 행성 운동에 관한 방정식을 뉴턴이 이미 다 풀어놓은 것을 보고 놀라서 책(『프린키피아』)의 출판을 재촉하는 장면, 외르스테드가 학생들과 수업을 하다 전류의 자기 작용을 처음 관찰하는 순간 등 물리학 역사에서 중요하고 극적인 순간을 생생하게 되살린 도입은 단숨에 독자들의 흥미와 호기심을 낚아챈다. 특히, 1919년 11월 6일에 왕립 천문 학회와 왕립 협회가 공동으로 주관한 회의에서 아서 에딩턴이 탐사 결과를 발표하면서 뉴턴 역학을 수정해야 한다고 선언하는 장면은 가히 압권이다.(7장) 그런가 하면, 제 5차 솔베이 회의에 참석한 아인슈타인이 아침마다 사고 실험을 제안하며 보어의 양자론에 ‘딴지’를 거는 모습은 천재들의 인간적인 면모와 함께 양자 역학이 얼마나 곤혹스러운 이론이었는지를 잘 보여 준다.(8장) 도입 말미에서는 ‘아인슈타인과 보어는 서로 존경하는 사이였지만 학문적으로는 끝까지 화해하지 못했다. 그렇다면 아인슈타인이 그토록 반대한 양자 역학은 어떤 내용일까? 그리고 아인슈타인은 왜 그렇게 양자 역학을 반대했을까?(190쪽)’와 같은 질문으로 호기심을 증폭시킨다.

- 경쟁이론 간의 흥미진진한 대결과 대결 과정에서 밝혀진 놀라운 사실들을 소개하는 본문
본문에서는 본격적인 맞대결이 펼쳐진다. 저자는 누가 왜 어떤 근거로 그런 이론을 제안했는지, 각각의 이론이 지닌 한계는 무엇인지, 어떤 자연 현상이 과학자들을 곤혼스럽게 만들었는지를 구체적이고 친절하게 이야기한다. 경쟁 이론의 차이를 콕콕 짚어가며 비교하는 명쾌한 해설 덕분에 힘과 운동의 관계, 입자와 파동의 차이, 원소와 원자의 구분이 명확해진다. 더불어, 오직 자연이라는 심판관을 앞에 두고 엎치락뒤치락 승부를 겨루며, 더 나은 이론을 찾기 위해 때론 과감하게 때론 조심스럽게 생각을 바꾸고 발전시키는 과학자들의 모습은 과학을 한다는 것이 무엇인지 깨닫게 한다. ‘디케의 연구 팀은 우주 배경 복사에 대한 이론을 가지고 있었지만 관측 자료가 없었던 반면 펜지어스와 윌슨은 우주 배경 복사에 대한 이론은 모르는 채 관측 자료만 가지고 있었던 것이다. 프린스턴과 벨 연구소의 연구 결과를 결합하자 그들을 괴롭혔던 문제가 위대한 성공으로 바뀌었다.(본문230쪽)’와 같이 과학 또한 여러 사람들의 협력으로 완성된다는 사실도 일깨운다. 본문 마지막 단락에서는 현대 과학의 관점에서 각 장의 주제를 정리하고, 경쟁했던 두 이론을 평가한다. ‘어떻게 생각하면 더 복잡한 수학 계산을 통해 태양계 천체들의 운동을 상당히 성공적으로 설명한 지구 중심설이 훨씬 더 놀라운 학설이라고 할 수도 있을 것이다. 지구 중심설은 틀린 학설이 아니라 단지 복잡한 학설이었던 것이다.(본문31쪽))’와 같은 평가는 그동안의 편견을 바로잡아 준다.

- 통합적 사고를 자극하고 상상력을 확장시키는 ‘물리학의 모퉁이’
모퉁이를 돌면 다른 면을 만나고, 다른 풍경이 보인다. 장별 부록인 ‘물리학의 모퉁이’에서는 물리학과 모서리를 맞대고 있는 철학이나 기술의 관점에서 각 장의 주제를 새롭게 살펴봄으로써 생각의 차원을 확장한다. 재판을 마친 갈릴레이가 외쳤다는 ‘그래도 지구는 돈다’(1장)는 말의 의미를 곱씹으며 과학과 종교의 관계를 생각해 보고, ‘상보성 원리와 슈뢰딩거의 고양이’(8장)를 읽으며 측정의 의미와 과학의 본질에 대해 질문을 던져 본다. ‘에디슨과 테슬라의 전류 전쟁’(4장), ‘중력파와 LIGO’(7장)를 통해서는 기술과 과학의 상호작용을 이해할 수 있다.

작가정보

저자(글) 곽영직

저자 곽영직
서울대학교 자연과학대학에서 물리학을 공부한 후 미국 켄터키대 학교 대학원에서 박사 학위를 받았다. 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연대학장, 대학원장 등을 역임했으며, 현재는 명예교수로 있다. 『양자역학으로 이해하는 원자의 세계』, 『세상을 바꾼 과학 이야기』, 『과학자의 철학노트』 등 많은 책을 썼고, 『우주의 기원 빅뱅』, 『힉스 입자 그리고 그 너머』, 『우주의 시작과 끝 : 아리스토텔레스에서 호킹까지』, 『BIG QUESTIONS 118 원소』 등을 번역했다.
중학교 『과학』(금성출판사) 교과서와 고등학교 『물리Ⅰ』(YBM) 교과서를 비롯해서 『전기와 자기』, 『힘, 운동량, 에너지의 삼각관계』, 『쿤 이 들려주는 과학 혁명의 구조 이야기』, 『왜 땅으로 떨어질까』 등 수많은 어린이·청소년 과학책의 필자이기도 하다.

작가의 말

물리학은 자연 현상을 지배하는 기본 원리를 찾아내는 학문이다. 물리학이 어렵다고 느끼는 것은 그 기본 원리가 겉으로 드러나 있기보다 복잡한 자연 현상 속에 숨겨져 있기 때문이다. 그러나 미리부터 겁을 먹을 필요는 없다. 자연에 대한 이해가 넓고 깊어져 가는 역사적인 발자취를 따라 한 걸음 한 걸음 물리학의 세계로 들어가다 보면 어렵다는 심리적 장해 없이 깊이 있는 물리학을 만날 수 있기 때문이다. 복잡하고 다 양한 자연 현상이 어떻게 하나의 원리로 꿰어지는지 일단 이해하고 나면 물리학의 매력에서 빠져나오기 어렵다.