청소년을 위한 교양 물리학: 초전도

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 12일 출간

작품소개

책소개

전기가 저항 없이 흐르고 자석이 공중에 떠오르는 신비한 현상, 초전도는 1911년 네덜란드 과학자 오네스가 우연히 발견한 이후 현대 물리학의 가장 흥미로운 분야 중 하나가 되었습니다. 일상생활에서 전선을 통해 전기가 흐를 때 반드시 발생하는 저항과 그로 인한 에너지 손실이 완전히 사라지는 이 현상은 단순히 저항이 제로가 되는 것을 넘어서 자기장을 완전히 밀어내는 마이스너 효과까지 보여줍니다. 이러한 초전도 현상은 극저온에서만 나타나며, 각 물질마다 고유한 임계온도를 가지고 있어 실용화를 위해서는 복잡한 냉각 기술이 필요합니다. 하지만 이 제약에도 불구하고 초전도가 가져다주는 무한한 가능성은 인류 문명을 바꿀 잠재력을 품고 있습니다.

초전도 현상에 대한 과학적 이해는 20세기 중반 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 과학자가 완성한 BCS 이론을 통해 확립되었습니다. 이 이론은 전자들이 쿠퍼 쌍이라는 특별한 형태로 결합하여 저항 없이 흐른다는 것을 설명했고, 이후 조셉슨의 터널링 효과 예측과 자기 플럭스 양자화 현상의 발견은 양자역학이 거시적 세계에서도 나타날 수 있음을 보여주었습니다. 1986년 베드노르츠와 뮐러가 발견한 고온 초전도체는 액체 질소 온도에서 작동하는 구리 산화물 초전도체로 전 세계 물리학계를 뒤흔들었고, 2008년에는 일본에서 철 기반 초전도체가 발견되어 기존 통념을 다시 한 번 뒤엎었습니다. 이러한 발견들은 초전도 메커니즘에 대한 더 깊은 이해를 요구하며 현재도 활발한 연구가 진행되고 있습니다.

초전도 기술은 이미 우리 삶 깊숙이 스며들어 있습니다. 병원의 MRI 장비는 초전도 자석을 핵심으로 하여 인체 내부를 정밀하게 관찰할 수 있게 해주고, 일본의 마그레브 열차는 초전도 자기 부상 기술로 시속 600킬로미터 이상의 속도를 구현합니다. 도시 전력망에서는 초전도 케이블이 전력 손실 없는 송전을 가능하게 하고, SQUID라는 초전도 센서는 뇌의 미세한 자기장까지 측정하여 의학 진단에 혁신을 가져왔습니다. 양자 컴퓨터의 핵심 부품인 초전도 큐비트는 IBM과 구글의 양자 우월성 달성에 결정적 역할을 했고, 핵융합 에너지 실현을 위한 ITER 프로젝트와 CERN의 대형 강입자 충돌기도 초전도 자석 없이는 불가능한 장치들입니다.

상온에서 작동하는 초전도체 개발은 인류의 오랜 꿈이자 현재 가장 치열한 연구 경쟁이 벌어지는 분야입니다. 최근에는 인공지능과 머신러닝 기술을 활용하여 새로운 초전도 물질을 탐색하는 연구가 활발해지고 있으며, 양자 컴퓨터를 이용한 분자 설계까지 시도되고 있습니다. 이 책은 중학생도 이해할 수 있는 쉬운 언어로 초전도의 기본 원리부터 최신 응용 기술까지 24개 챕터에 걸쳐 체계적으로 설명합니다. 복잡한 물리학 개념을 일상생활의 사례와 연결하여 설명하고, 각 발견의 역사적 배경과 과학자들의 이야기를 통해 과학의 발전 과정을 생생하게 전달합니다. 초전도가 만들어갈 미래 세상의 모습을 구체적으로 제시하여 독자들이 과학 기술의 발전과 그 가능성에 대해 깊이 생각해볼 수 있도록 구성되었습니다.

목차

1. 전기가 흐르지 않는 완벽한 세상
2. 네덜란드 과학자의 우연한 발견
3. 온도가 만드는 기적
4. 자석을 밀어내는 신비한 힘
5. 초전도체를 파괴하는 세 가지 한계
6. 두 얼굴을 가진 초전도체
7. 전자들이 손잡고 춤추는 이야기
8. 바딘과 쿠퍼 그리고 슈리퍼의 혁명
9. 조셉슨의 놀라운 예측
10. 자기장의 숨겨진 비밀
11. 1986년 물리학계를 뒤흔든 사건
12. 철 기반 초전도체의 등장
13. 병원 속 초전도 기술
14. 하늘을 나는 초전도 열차
15. 전력 손실 없는 꿈의 송전선
16. 우주를 관측하는 초전도 눈
17. 양자 컴퓨터의 심장
18. 핵융합 에너지의 열쇠
19. 입자 가속기의 초전도 혁명
20. 초전도체를 만드는 기술
21. 상온 초전도의 꿈
22. 인공지능이 찾는 새로운 초전도체
23. 초전도 현상의 깊은 이해
24. 초전도가 바꿀 미래 세상

인물정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.