세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 반입자

미적분의 역사부터 디랙 방정식까지

정완상 저자 지음

성림원북스 2025년 10월 01일 출간 국내도서 : 2024년 05월 17일 출간

작품소개

책소개

양자역학과 특수상대성이론을 연결하고, 새로운 입자를 예언한 논문 속으로!

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 8번째. 이 책은 영국의 아인슈타인으로 불리는 천재 물리학자 폴 디랙((Paul Dirac)이 1928년에 발표한 ‘디랙 방정식’에 관한 논문을 탐독하는 것을 목표로 한다.
디랙 방정식에는 2가지 큰 의미가 있다. 하나는 독립적으로 발전한 양자론과 상대론의 연결고리 역할을 한 것이다. 다른 하나는 방정식의 해를 통해 ‘반입자’를 예언한 것이다. 이로써 현대물리학의 저변이 현저하게 넓어지는 계기가 되었다.
《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 반입자》는 디랙의 1928년 논문이 완성되기까지, 그 배경지식이 되는 이론들과 논문 해설, 이후 발전 상황을 정교수와 물리군의 일대일 대화 형식으로 재미있게 설명한다. 이론을 발전시켜온 여러 과학자들의 숨겨진 에피소드도 함께 소개한다. 특히 5장에서 새로운 입자에 대한 가설을 세우고 용어를 만들고 추론하고 반박하는 일련의 과정은 매우 흥미롭게 전개된다. 이 책에는 논문을 읽는 데 필요한 수학식이 계속해서 등장하기에 난해하다고 느낄 수 있지만, 그만큼 이론을 알차고 심도 있게 다룬다.
부록에는 이 책에서 다루는 파울리와 디랙 논문의 영어 원문과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 내용을 더 깊이 탐구할 수 있도록 도왔다.

목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
반입자를 예언한 물리학자 디랙 _체임벌린 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 미적분의 역사
미분과 적분의 발견 _뉴턴과 라이프니츠
역삼각함수 _삼각함수의 역함수
뉴턴의 일반화된 이항정리 _n이 자연수가 아닌 경우
삼각함수의 무한급수 표현 _다른 꼴로 나타내기
오일러 공식 _오일러 수로부터
뉴턴의 미분방정식 _함수의 미분을 포함하는 방정식
편미분 _변수가 둘 이상인 함수에 대해서

두 번째 만남 | 3차원에서의 역학
3차원에서 뉴턴 역학 _3차원 공간으로의 확장
라플라스 _나폴레옹 시대의 위대한 수학자

세 번째 만남 | 제이만 효과
양자론의 탄생 _불연속적인 에너지를 갖는 기묘한 입자
제이만 효과의 발견 _수소의 새로운 선스펙트럼
슈타르크 효과 _수소에 전기장을 걸어주면
새로운 양자수 등장 _제이만 효과의 이론적 설명
양자역학의 탄생 _양자를 묘사하는 물리학
보른의 확률 해석 _물리적인 연산자와 파동함수
구좌표계 _3차원 공간을 다르게 나타내기
각운동량 연산자 _각운동량의 변화
수소 문제 _수소 원자핵 속으로
세 개의 양자수로 묘사되는 전자 _궤도함수
자기장 속에서의 슈뢰딩거 방정식 _자기력을 받는 전자의 운동

네 번째 만남 | 스핀의 탄생
제4의 양자수 등장 _비정상 제이만 효과를 설명하는 물리 모델
제4의 양자수 발견 _슈테른과 게를라흐의 실험
파울리의 배타원리 _하나의 상태에 있을 수 없다
행렬의 발견 _수를 직사각형 모양으로 배열하다
파울리의 논문 속으로 _스핀을 양자역학에 도입하다

다섯 번째 만남 | 디랙 방정식과 반입자의 발견
클라인과 고든의 시도 _전자의 운동에 특수상대성이론을 적용하면 어떻게 될까?
디랙의 등장 _슈뢰딩거 방정식과 특수상대성이론의 결합
디랙의 노새 입자 _힘이 작용한 방향으로 속도가 줄어든다
디랙의 논문 속으로 _새로운 방정식
디랙의 구멍이론 _디랙의 바다에 생긴 구멍
양전자의 발견 _디랙이 예언한 전자의 반입자
반물질의 발견 _새로운 반입자를 찾는 실험

만남에 덧붙여
On the Quantum Mechanics of Magnetic Electrons _파울리 논문 영문본
The Quantum Theory of the Electron _디랙 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

인물정보

저자(글) 정완상 저자

과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 〈과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈〉 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 〈과학공화국 법정 시리즈〉 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 〈개념 잡는 수학툰 시리즈〉를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.