청소년을 위한 교양 물리학: 차원 해석

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 21일 출간

작품소개

책소개

물리학에서 가장 강력하면서도 우아한 도구 중 하나인 차원 해석을 중학생도 이해할 수 있도록 풀어낸 교양서이다. 저자는 복잡한 물리 현상을 단순한 차원 관계로 파악하여 본질을 꿰뚫는 차원 해석의 놀라운 위력을 아르키메데스의 왕관 실험부터 아인슈타인의 상대성이론까지 흥미진진한 역사적 사례들로 보여준다. 숫자와 단위가 왜 함께 필요한지부터 시작하여 길이, 질량, 시간이라는 기본 차원들이 어떻게 조합되어 우리가 알고 있는 모든 물리량을 만들어내는지 체계적으로 설명한다. 단순해 보이지만 실제로는 물리학자들이 새로운 법칙을 발견하고 검증하는 데 핵심적 역할을 하는 차원 분석의 진면목을 만날 수 있다.

책은 차원의 기본 개념부터 버킹엄 파이 정리라는 고급 수학적 도구까지 27개 장에 걸쳐 단계적으로 구성되어 있다. 갈릴레이가 자유낙하 법칙을 발견할 때 차원 분석이 어떤 통찰을 제공했는지, 뉴턴이 만유인력 법칙에서 힘의 차원을 어떻게 유도했는지 등 과학사의 결정적 순간들을 차원 분석의 관점에서 재조명한다. 차원 동차성 원리를 이용해 잘못된 공식을 찾아내는 탐정 같은 과정부터 레이놀즈 수나 마하 수 같은 무차원수가 복잡한 물리 현상을 이해하는 열쇠가 되는 이유까지 명쾌하게 설명한다. 각 장마다 구체적인 계산 과정과 실생활 사례를 풍부하게 제시하여 추상적인 개념을 직관적으로 이해할 수 있도록 돕는다.

차원 해석의 적용 범위는 고전역학에서 현대 물리학까지 물리학 전 분야를 아우른다. 베르누이 방정식에서 유체의 흐름을 이해하고, 볼츠만 상수의 차원적 의미를 통해 통계역학의 본질을 파악하며, 플랑크 상수가 양자 세계의 근본적 특성을 어떻게 결정하는지 살펴본다. 맥스웰 방정식의 차원 일관성 검증부터 블랙홀의 슈바르츠실트 반지름 유도까지, 물리학의 거의 모든 영역에서 차원 분석이 어떻게 활용되는지 보여준다. 더 나아가 생물물리학에서 심장 박동수와 동물 크기의 관계, 지구물리학에서 지진파 전파 속도 분석, 재료과학에서 물질의 기계적 성질 예측 등 실제 연구와 공학 응용 사례들도 다룬다. 개미가 자기 몸무게의 50배를 들 수 있는 이유부터 건축물의 형태가 크기에 따라 제한받는 원리까지 일상생활 속 현상들의 물리적 배경을 차원 분석으로 명쾌하게 풀어낸다.

현대 과학의 최전선에서 벌어지는 연구들도 차원 분석의 틀 안에서 이해할 수 있다. 초끈 이론의 11차원 시공간부터 입자물리학 표준모형의 기본 입자들, 암흑물질과 암흑에너지의 존재를 암시하는 차원적 단서들까지 현대 물리학의 미해결 문제들을 차원 분석의 관점에서 조망한다. 인공지능 시대에 차원 분석이 빅데이터 처리와 복잡계 해석에 어떤 새로운 가능성을 제시하는지, 생명과학과 뇌과학 연구에서 어떤 혁신적 응용이 기대되는지도 전망한다. 단위계의 역사적 발전 과정부터 미래 SI 단위계의 재정의까지 다루며, 차원 분석이 과학 연구의 핵심 도구로서 계속 진화해나갈 모습을 그려낸다. 과학적 사고의 본질을 이해하고 싶은 청소년들에게 물리학의 아름다운 논리 구조를 발견하는 길잡이가 될 것이다.

목차

1. 차원과 단위의 비밀
2. 기본 차원의 세계
3. 유도 차원의 발견
4. 차원 동차성 원리
5. 차원 해석의 기초
6. 버킹엄 파이 정리
7. 무차원수의 마법
8. 역학의 차원 분석
9. 유체역학과 차원
10. 열역학의 차원 세계
11. 전자기학과 차원
12. 양자역학의 차원
13. 상대성이론과 차원
14. 파동과 진동의 차원
15. 원자와 분자의 차원
16. 천체물리학의 차원
17. 생물물리학과 차원
18. 지구물리학의 차원
19. 재료과학의 차원
20. 스케일 효과와 법칙
21. 실험 설계와 차원
22. 수치해석과 차원
23. 차원 분석의 한계
24. 단위계의 역사와 진화
25. 차원 분석의 응용 사례
26. 현대 물리학의 차원
27. 차원 분석의 미래

작가정보

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.