세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리

노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학

정완상 저자 지음

성림원북스 2025년 10월 01일 출간 국내도서 : 2023년 11월 06일 출간

작품소개

책소개

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 다섯 번째 책. 양자역학의 문을 연 하이젠베르크의 불확정성원리를 중심으로 양자역학의 탄생 과정을 자세히 다룬다. 논문을 풀어가며 수식을 외면하지 않되, 이론의 역사적 배경들과 함께 자연스럽게 이해를 돕는다.
1924년부터 1926년까지 3년 동안은 양자역학이 형성되는 시기로 훌륭한 이론 물리학자들이 대거 등장한다. 이 책에서는 1924년 드브로이의 물질파 논문, 1925년 하이젠베르크의 불확정성원리 논문, 1925년 보른과 요르단의 불확정성원리 논문, 1926년 슈뢰딩거의 슈뢰딩거 방정식 논문에 관한 내용을 차례로 소개한다.
독자들의 이해를 돕기 위해 먼저 광학의 역사로 이야기를 시작했다. 빛이 입자인가 파동인가의 논쟁은 아주 긴 시간 이어져 왔다. 그 종지부를 찍은 드브로이의 물질파 이론은 이듬해 하이젠베르크가 불확정성원리 논문을 발표하는 데 큰 역할을 했다.
하이젠베르크와 거의 비슷한 시기에 불확정성원리를 연구한 보른과 요르단의 이야기도 곁들였다. 또한 대학교 2학년 때 배우는 푸리에 급수, 해석역학의 역사를 고등학교 수준의 수학으로 설명하여 책에 전개된 논문의 이해를 도왔다.
이 책을 통해 양자역학 초기 영웅들의 이야기를 그들의 논문과 함께 살펴보면서 노벨 과학상을 꿈꾸는 우리의 마음가짐이 어떠해야 할지 되새기는 기회가 될 것이다.

목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
양자역학의 문을 열다 _파인먼 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남│광학의 역사
스넬의 법칙 _빛의 반사와 굴절
페르마의 최소 시간 원리 _스넬의 법칙을 증명하다
훅의 법칙과 단조화 진동 _원래대로 돌아가자!
뉴턴의 입자설과 하위헌스의 파동설 _빛은 입자일까, 파동일까
영의 실험과 빛의 파동설 _밝고 어두운 무늬를 관측하다
전자기파의 발견 _무선 통신의 시작

두 번째 만남│물질의 이중성
드브로이, 물질의 이중성을 주장하다 _파동과 입자의 성질을 모두!
물질파와 보어의 원자모형 _파동이 소멸하지 않는 조건
물질파의 발견 _실수가 만들어 낸 위대한 결과

세 번째 만남│푸리에 급수와 푸리에 변환
오일러 공식 _삼각함수와 지수함수의 관계
푸리에 급수 _주기함수를 사인과 코사인으로 나타내기
복소수로 나타낸 푸리에 급수 _한 걸음 더 나아가자

네 번째 만남│불확정성원리 논문 속으로
하이젠베르크의 젊은 시절 _새로운 양자 이론의 등장 전야
하이젠베르크와 보른의 대결 _행렬역학의 삼총사
하이젠베르크의 불확정성원리 _불연속 대 연속
보어의 양자화 조건에 대하여 _새로운 곱셈 규칙의 적용
양자 단조화 진동 문제 _양자론에서 나타나는 불연속적 위치의 이동
보른의 불확정성원리 _위치와 속도에 주목하다

다섯 번째 만남│해석역학의 역사
오일러의 변분법 _두 점 사이의 최단 경로
라그랑주의 해석역학 _변분법을 역학에 적용하다
해밀턴의 방정식 _다른 방식으로 역학을 기술하다
해밀턴-야코비 방정식 _작용이 만족하는 방정식

여섯 번째 만남│슈뢰딩거 방정식의 탄생과 불확정성원리의 완성
슈뢰딩거의 등장 _새로운 방정식의 발견
슈뢰딩거의 논문 속으로 _양자역학을 지배하는 방정식의 탄생
하이젠베르크-보른-요르단 관계식과 슈뢰딩거 방정식 _다르게 보이지만 결국 같은 것
보른의 확률 해석과 에렌페스트의 기댓값 _복소수 문제의 해결
슈뢰딩거, 양자역학으로 단조화 진동을 풀다 _하나의 답을 찾아서
불확정성원리의 완성 _동시에 정확하게 측정할 수 없다
하이젠베르크의 강연 _현미경 렌즈로 물체를 보는 가상 실험

만남에 덧붙여
On the Quantum Reinterpretation of Kinematical And Mechanical Relationships _하이젠베르크 논문 영문본
An Undulatory Theory of the Mechanics of Atoms And Molecules _슈뢰딩거 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.