세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 브라운 운동

확률의 역사부터 아보가드로수 결정까지

정완상 저자 지음

성림원북스 2025년 10월 01일 출간 국내도서 : 2024년 02월 19일 출간

작품소개

책소개

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 여섯 번째. 이 책은 아인슈타인의 통계역학과 브라운 운동에 관한 오리지널 논문의 해설과 그 역사적 배경을 다루었다. 일반 독자들이 소화할 수 없을 정도로 난해한 부분은 강의에서 배제하면서 고등학교 수준의 수학만으로 두 논문을 이해하게 도움을 주고자 했다.
보통 아인슈타인을 얘기하면 상대성이론을 주로 떠올리지만 그의 박식함은 다양한 물리학에서 나타났다. 이 책은 아인슈타인이 상대성원리 외에도 어떤 위대한 업적을 과학사에 남겼는지를 보여준다.
아인슈타인의 브라운 운동을 이해하기 위해 두 가지 주제에 관한 역사를 먼저 소개했다. 첫 번째는 도박에서 시작된 확률 이론이다. 두 번째는 브라운 운동이 유체 속에서 벌어지는 운동이므로 유체역학의 역사를 살펴보았다.
또한 브라운 운동 연구를 위해 통계역학을 창시한 아인슈타인의 이론과 더불어 같은 시기 독립적으로 통계역학을 완성한 기브스의 이론도 다루었다. 논문 해설 뒤에는 아인슈타인에 이어 브라운 운동을 연구한 학자들과 업적을 소개했으며 말미에는 브라운 운동을 이용해 아보가드로수를 결정하고 노벨 물리학상을 수상한 페랭의 이야기도 곁들였다.
아인슈타인은 브라운 운동 논문으로 박사 학위를 받을 정도로 이 연구를 소중하게 여겼다. 브라운 운동은 최근에도 유체나 유리질 물질을 연구하는 과학자들에게 중요한 연굿거리이다. 브라운 운동을 처음 공부하는 과학도들에게 아인슈타인의 오리지널 논문은 큰 도움을 줄 것이다.

목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
브라운 운동의 이론을 확립한 아인슈타인 _파리시 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남│확률의 역사
확률 개념의 탄생 _도박 게임에서 승률을 높이려면?
이항계수와 파스칼의 삼각형 _경우의 수 헤아리기
베르누이의 이항분포 _성공 또는 실패
연속확률분포 _확률변수가 연속적으로 변하는 경우
드무아브르와 가우스의 정규분포 _특별한 연속확률분포

두 번째 만남│유체역학의 역사
아르키메데스의 원리 _부력의 발견
파스칼의 원리 _한곳에서 모든 곳으로
다빈치의 도전 _사람도 새처럼 하늘을 날 수는 없을까
베르누이 원리 _비행기가 위로 뜨는 이유
오일러와 유체의 연속방정식 _편미분의 이해
작은 입자의 운동에 대한 기록 _최초의 과학 시
브라운 운동의 발견 _미세 입자의 불규칙적인 움직임
그레이엄의 법칙 _기체의 확산 속도와 분자량의 관계
스토크스의 법칙 _공 모양의 입자가 유체 속에서 받는 저항력
피크의 확산 방정식 _농도 차이에 의해 일어나는 확산
맥스웰의 기체 분자 운동론 _이상기체의 운동
판트호프의 삼투압 이론 _초대 노벨 화학상 수상자

세 번째 만남│아인슈타인의 통계역학
라그랑주 곱수 _방법은 달라도 답은 같아!
헬름홀츠 에너지 _열역학의 기본 법칙
스털링 공식 _n!의 근삿값 구하기
분배함수 _볼츠만의 논문에서
역학을 이용해 통계역학을 다룬 아인슈타인 _고전역학으로 열 현상을 설명하다
기브스의 통계역학 _기브스 엔트로피

네 번째 만남│브라운 운동 논문 속으로
아인슈타인 이전의 연구들 _열 현상 VS 분자들의 충돌 현상
논문 속으로 Ⅰ _삼투 현상과 비슷하다
논문 속으로 Ⅱ _확산 현상을 이용한 설명
논문 속으로 Ⅲ _확산 방정식과의 연관성

다섯 번째 만남│브라운 운동을 연구한 과학자들
스몰루호프스키의 랜덤워크 _술 취한 사람의 맘대로 걷기
랜덤워크에서 확산 운동으로 _결국 같은 결과
랑주뱅과 마리 퀴리 _두 물리학자의 스캔들
미분방정식 _미분이 들어 있는 방정식
랑주뱅 방정식 _뉴턴의 운동방정식으로 설명하다
페랭의 아보가드로수 결정 _엄청나게 큰 수를 헤아리다

만남에 덧붙여
Kinetic Theory of Thermal Equilibrium and of the Second Law of Thermodynamics _아인슈타인 통계 논문 영문본
Investigations on the Theory of the Brownian Movement _아인슈타인 브라운 운동 논문 영문본
On the Theory of Brownian Motion _랑주뱅 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

인물정보

저자(글) 정완상 저자

1962년 서울에서 태어났다. 1985년 서울대학교 무기재료공학과를 졸업하고, 1992년 KAIST에서 초중력 이론으로 이론물리학 박사 학위를 취득하였다. 1992년부터 국립 경상대학교 기초과학부에서 학생들을 가르치고 있다. 전공 분야는 중력 이론과 양자대칭성 및 응용수학으로, 현재까지 수학, 물리 분야의 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 2000년에는 진주 MBC 생방송 '생활 속의 물리학' 코너에 고정으로 출연하였다. 저서로는 『과학공화국 물리법정』(1~8), 『과학공화국 생물법정』(1~8), 『과학공화국 화학법정』(1~8), 『과학공학국 수학법정』(1~8), 『과학공화국 지구법정』(1~8), 위대한 과학자들이 초등학생들을 위해 쉽고 재미난 강의 형식을 빌려 과학 이론을 설명해 주는 〈과학자들이 들려주는 과학 이야기〉시리즈 『아인슈타인이 들려주는 상대성원리 이야기』『가우스가 들려주는 수열이론 이야기』『피타고라스가 들려주는 삼각형 이야기』『퀴리부인이 들려주는 방사능 이야기』『패러데이가 들려주는 전자석과 전동기 이야기』, 『에너지의 달인 임꺽정』 등이 있다. 책뿐만 아니라 EBS에서 과학자 이야기를 20회 방송하는 등 다양한 방법으로 재미있는 과학을 전하고자 꾸준히 노력하며 활동 중이다. 또한 수학.과학 영재들의 교육에 많은 관심을 가지고, 개인 유튜브 방송으로 미래의 과학자, 수학자를 키우겠다는 멋진 포부를 지니고 있다. 우리나라에서 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.