진격의 물리학

이광진 지음

북트리거 2023년 11월 01일 출간 종이책 : 2023년 05월 10일 출간

작품소개

책소개

80년대생 젊은 물리학자의 눈으로 재구성한 현대물리학의 ‘진격의’ 여정. 저자 이광진은 고려대학교 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구교수로, 현재도 세계의 저명한 과학 저널에 논문을 게재하고 있는 프런티어 연구자이다. 그의 전문 분야인 분광학은 간단히 말해 빛이 매질을 통과하면서 나타나는 여러 현상들을 분석하여 물질의 특성을 연구하는 분야다. 저자는 이 책에서 말 그대로 ‘빛’처럼 눈부시고 도전적인 물리학의 세계를 흥미롭게 펼쳐 보인다.
먼저, 우리 인류가 물리학을 통해 인간 세계를 어떻게 확장하고 미래의 베일을 걷어 내 불안한 내일에 대비해 왔는지 그 역사를 알기 쉽게 설명한다. 또한 화학, 생명과학, 철학 등 다른 학문과의 경계를 허물며 점점 하나의 세계의 비밀을 밝혀 나가고 있는 프런티어 연구 동향을 소개한다. 마지막으로, 하루가 다르게 급변하는 첨단 기술의 파도에 이리저리 휩쓸리지 않으면서도, 물리학적인 사유를 바탕으로 누구보다 빠르게, 그리고 폭넓게 미래를 내다볼 수 있도록 해 주는 물리의 세계로 안내한다.

목차

들어가며: 새로운 시대의 가장 중요한 ‘교양’, 물리학

1장. 과거: 권위를 부수고 자라다
빛과 관성을 둘러싼 오랜 투쟁
수학적 이론과 실험적 증거의 만남
최초의 물리학자를 위한 변론
문명은 ‘법칙’ 이전과 이후로 나뉜다

2장. 현재: 학문의 경계를 허물다
파인만 알고리즘과 그 진화
기초과학의 힘: Research & Discovery
경계 없는 우주, 허물어지는 학문의 벽
물리학자가 철학을 품을 때

3장. 미래: 인류 생존을 걸머지다
우주 탄생의 비밀을 풀어낼 신의 방정식, 최종이론
인공지능은 과학자가 될 수 있을까
이해 저 너머 양자 세계를 만지다
기후 위기가 거짓말이라는 거짓말

나오며: 물리학의 꿈

책 속으로

최근 영화들 중에는 현대물리학 지식 없이는 이해하기 힘든 내용들이 다수 포함되어 있으며, 미국 신문의 만평에서는 대통령을 ‘불확정성원리’에 빗대어 비평하기도 했습니다. 한국에서도 양자역학의 중첩의 원리에 빗댄 정치 비평이 나올 정도니, 이제 우리도 물리학을 인문학에 버금가는 교양으로서 받아들여야 할 때가 온 것이죠.
흔히 인문학을 논할 때 우리는 개개의 인간이 세상을 움직이는 커다란 기계에 속한 부속품이 아니며, 스스로 생각하고 삶의 가치를 논할 수 있는 독립적이고 자유로운 존재라는 전제에서 출발합니다. 물리학도 마찬가지입니다. 물리학을 통해 자연과 우주의 이치를 탐구하다 보면 자기 자신과 우주의 존재 이유에 대해 생각할 기회를 갖게 될 겁니다.
8~9쪽(들어가며: 새로운 시대의 가장 중요한 ‘교양’, 물리학)

2020년 노벨 물리학상은 로저 펜로즈를 비롯한 블랙홀 연구자 3인이 수상했는데요. 펜로즈는 1965년에 일반상대성이론의 중력장 방정식을 풀어서 블랙홀을 이론적으로 예측했고, 그 이후 1990년대 초반부터 2010년대 후반까지 20년 넘는 기간 동안 정밀한 측정을 통해 우리 은하 중심부 블랙홀의 존재를 입증한 겁니다. 수학적 이론이 실제로 검증되어 노벨상을 받기까지 걸린 시간이 무려 55년으로, 펜로즈는 그전까지 최장 기록이었던 찬드라세카르의 53년 기록을 갱신하게 됩니다. (…)
이와 같이 물리학은 자연과학이기 때문에 아무리 시간이 걸리더라도 반드시 실험적 증거가 필요합니다. 물리학을 떠받치는 두 기둥, 즉 수학적 이론과 실험적 증거가 일치되는 결과를 보여 줄 때 비로소 물리 법칙이 성립됩니다.
53~54쪽(1장 과거: 권위를 부수고 자라다)

물론 과학이 경제를 비롯해 인류 문명의 발전에 지속적으로 기여해 왔음은 부인할 수 없는 사실입니다. 하지만 그것은 과학이 자연과 우주에 대한 인간의 지적 호기심에서 출발하여 그 근본적 원리를 발견해 나가는 과정에서 이루어진 성과들일 뿐입니다. 처음부터 인류의 경제 발전을 위한 수단으로 존재했던 것이 아니고요.
실제로 과학은 실용성이 아닌 근본적인 지적 호기심을 추구하면서 발전할 때 인류 문명에 더 큰 기여를 해 왔습니다. 이는 기초과학이 응용과학에 필요한 부속물이 아니며, 우주의 원리를 탐구하는 독자적인 관점을 견지하면서도 응용과학과의 상호 연계를 통해 인류 문명을 발전시킬 수 있다는 것을 의미합니다.
121쪽(2장 현재: 학문의 경계를 허물다)

그럼에도 물리학자들이 최종이론의 존재를 믿어 의심치 않고, 암흑물질이나 암흑에너지의 존재도 언젠간 밝힐 수 있으리라 굳게 믿는 이유는 무엇일까요? (…)
정답은 알 수 없겠지만 저는 실험적으로 검증될 수 있는 궁극의 이론 체계가 반드시 존재할 거라는 믿음은 인간의 본능적인 호기심에서 비롯된 거라고 생각합니다. 우주에 대한 무한한 관심과 호기심은 언뜻 맹목적인 것처럼 보이지만 사실 당연합니다. 실제로 근대과학의 등장 이후 이루어진 수많은 과학적 진보들은 지금과 같은 기나긴 한계 상황을 타개하면서 이루어져 왔으니까요. 그러니 최종이론의 꿈을 간직하며 그를 찾기 위해 노력하는 일은 물리학의 꿈과 같습니다.
184~186쪽(3장 미래: 인류 생존을 걸머지다)

특히 우주는 자신을 이해하기를 원한다면 모든 분야를 통섭할 것을 우리에게 요구하고 있는 듯합니다. 물리학은 그 중심에서 다양한 분야를 아우르며 꿈을 향해 나아가야 하는 것이죠. 인류 역사상 가장 위대한 물리학자로 손꼽히는 뉴턴조차도 자신을 해변가에서 조개를 줍는 아이에 비유했으며, 거인의 어깨에 올라서서 더 넓은 세상을 보아야 한다고 말했습니다. 과학자들 한 명 한 명의 공헌은 미약하게 보일지라도 그 연구 성과들이 쌓이고 쌓여서 거대한 거인을 탄생시키고 그 어깨 위에 올라타 앞으로 전진할 수 있습니다. 그제야 우리가 밝히고자 하는 자연과 우주의 참모습은 그 비밀을 드러낼 겁니다.
281쪽(나오며: 물리학의 꿈)

출판사 서평

태초에 신이 빚어 놓은 모든 것에
‘왜?’, ‘어떻게?’라는 질문을 던지다
물리학의 역사가 곧 앞만 보고 진격하는 진취적 역사일 수밖에 없는 것은, 애초에 이 학문이 모든 것이 결정되어 있던 신의 세계에 최초로 저항하면서 태어난, 지극히 인간적인 학문이기 때문이다. 신이 완벽하게 만들어 놨다는 이 세계(완벽해 보이지 않는 부분이 있더라도 그조차 신의 의도일 뿐이다)가 ‘왜 하필’ 이렇게 생겼는지, 왜 태양과 달은 뜨고 지는 것인지, 왜 손을 떠난 돌멩이는 아래 방향으로만 떨어지는 것인지… 물리학을 위시한 자연과학은 이러한 숱한 물음들에 대한 답을 끝없이 찾아 나가면서 현재의 모습에 이르렀다.
이 책에는 그 기나긴 여정의 주역들이었던 수많은 물리학자들이 등장한다. 중·고등학교 과학을 공부한 이들이면 누구나 아는 뉴턴과 아인슈타인뿐 아니라, 양자 중첩 및 양자 얽힘 현상과 관련해 가장 최근(2022년) 노벨물리학상을 수상한 아스페·차일링거·클라우저에 이르기까지 어느 하나 인상적이지 않은 인물이나 이론이 없다. 그들이 몇백 년에 걸쳐 치열하게 예측하고 실험하고 증명하고 반박하고 뒤집고 뒤집히고 때로는 맞붙어 싸우는 그 모든 역동적인 과정에 녹아들어 읽어 가다 보면, ‘물리학’이라는 아주 오래되고 광대한 산맥을 큰 틀에서 조망할 수 있을 것이다.

메타버스에서 하루아침에 챗GPT로…
첨단 과학기술의 혼란한 파도 속 의지할 수 있는 ‘닻
이 책은 매일 언론과 SNS 등 각종 매체를 장식하며 비즈니스계에 회자되는 첨단 기술들의 바탕에는 물리학이 있으며, 그 근본에 대한 이해와 사유 없이는 그저 급변하는 트렌드에 이리저리 떠밀리거나 뒤에서 쫓아갈 수밖에 없음을 자연스럽게 깨닫게 한다.
트렌드에 민감한 독자라면, ‘챗GPT’ 붐 바로 직전에 ‘메타버스’ 붐이 그와 거의 똑같이 펼쳐졌다는 사실을 대부분 기억할 것이다. 2021년 말부터 세계 정보 기술 업계를 휩쓸었던 메타버스(3차원 가상현실 공간) 열풍은 챗GPT라는 생성형 인공지능에 밀려 2023년 현재 거의 자취를 감춰 버렸다. 대표적으로 디즈니가 메타버스 사업부를 고작 일 년 만에 폐쇄했고, 회사 이름까지 ‘메타’로 바꿨던 페이스북 역시 2022년 말에 직원을 1만 명 넘게 해고하며 관련 사업을 대폭 축소했다. 마이크로소프트도 메타버스 플랫폼 서비스를 2023년 3월 종료했다.
어떻게 세계 유수의 슈퍼 기업들과 비즈니스 구루들의 주도하에 이런 말도 안 되는 해프닝이 줄줄이 벌어질 수 있는지, 일반 대중은 그저 어안이 벙벙한 채로 다음 트렌드, 즉 챗GPT로 빠르게 관심을 옮겨 간 상태다. 저자는 이에 대해 “아이러니하게도 인류의, 특히 소수 과학자 집단의 과학적 성취가 더욱 쌓여 갈수록 대중의 과학적 사고는 오히려 점점 쇠퇴하고 있는 듯”하다고 지적한다. 첨단 기술에 피상적으로 의존할수록 과학적이고 비판적인 분석 능력은 떨어지며, 특히나 “챗GPT와 같은 인공지능 모델이 등장하면서, 인간이 세상을 깊이 이해하기 위해 스스로 노력할 필요성은 더더욱 줄어들지도” 모른다는 것이다.
그렇다면 지금 같은 시기일수록 기초물리학이 발전해 온 역사와 근본 원리를 이해하는 일은 매우 중요하다. 첨단 트렌드를 외면하기 위해서가 아니라 오히려 그것을 주도적·선택적으로 활용하기 위해서다. 저자는 엄밀하고, 정확하고, 합리적이면서 논리적인 과학적 사고 체계를 익히는 학문으로서 물리학의 면모를 강조하며, 우리가 그에 힘입어 앞으로 나아가고 끝내 생존할 수 있는 길을 이야기한다.

‘뜬구름 물리학’, ‘박물관 물리학’이 아닌
지금 우리 곁에서 성큼성큼 ‘진격’ 중인 물리학을 만나다!
저자는 시중의 물리학책들에 대해 다음과 같은 재미있는 견해를 내놓는다. “(…) 물리학자들은 자신들이 수학을 통해서 밝혀낸 자연의 비밀을, 가급적이면 수학을 직접 이용하지 않으면서 일반 대중에 전달할 수 있도록 각고의 노력을 기울이고 있습니다. 수학 방정식 하나면 말끔히 설명할 수 있는 자연현상을 일반 언어로 설명한다는 것이 쉬운 일은 아니죠. 따라서 이 책을 포함해 시중에 나와 있는 대부분의 물리학 관련 교양 서적들은 되도록이면 수학을 빼고 대중에 다가가기 위한 눈물겨운 노력의 결정체라고 할 수 있습니다.”
그렇다 보니 성인 대상 물리학 교양 도서들은 아무래도 이론 자체를 자세히 설명하기보다는, 하나의 세부 영역을 잡아 대강의 정의와 분위기 및 정서를 전달하는 경우가 많다. 그러나 조금 더 실질적으로 물리학의 기본을 공부하고자 하는 독자라면, 그러한 책들이 조금은 ‘뜬구름’ 잡는 소리처럼 느껴질 위험도 있다. 그렇다고 해서 고등학교 물리 Ⅰ, Ⅱ 교과서를 다시 구해 ‘박물관’ 지식을 공부하고 싶지도 않을 것이다. 그 둘 사이 어딘가에서 목말라하고 있는 독자들에게, 물리학의 역사성과 그 의미, 그리고 풍부한 이론들의 세부를 함께 이야기하는 이 책을 권한다.

‘물리학’이라는 거인의 어깨 위에서 바라본
인류의 과거-현재-미래 풍경
1장 「과거: 권위를 부수고 자라다」에서는 자연은 신의 섭리이며 인간의 영역이 아니라는 절대적 금기를 깨고 ‘왜’와 ‘어떻게’라는 질문을 던지며 등장한 물리학의 탄생과, 기존의 권위를 뚫고 수학적 이론과 실험적 증거로써 계속 반증되어 온 진격의 역사를 다룬다. 뉴턴이라는 거인의 빛에 대한 학설을 무너뜨린 서른 살 학자 토머스 영의 이야기부터, 인류 최초의 ‘물리학자’로서 아리스토텔레스의 진가를 면밀히 재정의한다.
2장 「현재: 학문의 경계를 허물다」에서는 물리학을 비롯해 모든 과학 연구 방법론의 바탕이 되고 있는 파인만 알고리즘과, 국내에서 아직 갈 길이 먼 기초과학 연구 및 투자의 중요성, 전 세계 자연과학 연구의 메카인 케임브리지대학교 캐번디시연구소의 예를 통해 화학·생명과학 등 다른 과학과 떼려야 뗄 수 없는 물리학의 융합적인 면모를 살펴본다. 또한 인류 역사에서 물리학자들의 운명을 좌우하며 물리학의 판도를 바꿔 놓기도 한 철학자들과의 관계성을 조명한다.
3장 「미래: 인류 생존을 걸머지다」에서는 입자물리학의 표준모형이 성립된 과정과 그 한계, 최종이론의 강력한 후보인 초끈이론의 가능성, 모든 이론들의 이론이라고 불리는 최종이론의 진정한 의미를 탐구한다. 그리고 ‘이해하는 것이 아니라 받아들이는 것’이라는 양자역학의 윈리와 치열한 증명의 역사, 뉴로모픽·‘의식’을 가진 인공지능·양자컴퓨터와 같은 신기술들의 발전 가능성과 한계, 물리학을 비롯한 모든 자연과학 및 과학기술, 사회 문화가 힘을 합쳐 해결해야 할 전 지구적 기후위기의 과제 등을 이야기한다.

작가정보

저자(글) 이광진

고려대학교 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구교수. 아주대학교 물리학과에서 학사·석사·박사 학위를 취득하고, 이화여자대학교와 미국 로체스터대학교 광학연구소에서 박사 후 연구원을 지냈다. 로체스터대학교 광학연구소는 2018년 노벨 물리학상 공동수상자이자 역대 세 번째 여성 수상자인 도나 스트리클런드 교수를 배출한, 세계에서 가장 오래된 광학연구소이다. 저자는 이러한 경력을 바탕으로 극초단 레이저 기반 나노분광학을 연구하며, 《네이처 머티리얼스》, 《나노 레터스》 등 저명한 과학 저널에 논문을 게재하고 있는 프런티어 연구자이다. 또한 세종과학교육 협동조합에 참여하면서 과학 전문가 교육에도 힘
을 쏟고 있다.
중학생 때 과학 선생님과의 인연으로 물리학을 전공하기로 한 이후, 지금까지 단 한 번도 전공 선택을 후회해 본 적이 없다. ‘빛으로 진압하라’는 뜻을 가진 광진(光鎭)이라는 이름 때문이었을까? 물리학과를 졸업하고 이론 광학으로 박사 학위를 받은 뒤, 빛에 관한 이론과 실험 연구를 모두 경험했다.
저자는 물리학이란 결국 우주의 존재 이유와 자기 자신에 대해 통찰하기 위한 학문이라고 말한다. 이 책은 우리가 단순히 한 치 앞만 바라보며 기계적으로 살아가는 것이 아니라, 세상의 이치와 변화를 인지하는 혜안을 갖게 되기를 바라며 물리학의 대서사시를 대중의 언어로 풀어 쓴 첫 책이다. 물리학이 왜 21세기에 가장 중요한 필수 ‘교양’일 수밖에 없는지, 또한 물리학의 목표는 곧 우리 모두가 공유해야 할 미래에 대한 전망임을 보여 준다.