청소년을 위한 교양 물리학: 통계역학

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 12일 출간

작품소개

책소개

우리 주변의 모든 물질은 수조 개의 원자와 분자로 이루어져 있다. 이 엄청난 수의 입자들이 어떻게 움직이고 상호작용하면서 우리가 느끼는 온도와 압력, 그리고 물질의 다양한 성질을 만들어내는지 이해하는 것이 통계역학의 목표다. 19세기 볼츠만과 맥스웰이 개척한 이 분야는 개별 분자의 운동을 하나하나 추적하는 것이 불가능하다는 현실적 한계를 확률론적 접근법으로 극복했다. 동전 던지기나 주사위 게임에서 경험하는 확률의 원리가 분자 세계에도 그대로 적용되며, 수많은 분자들의 무작위한 운동이 놀랍도록 규칙적이고 예측 가능한 거시적 현상을 만들어낸다.

이 책은 확률과 미시상태의 개념에서 시작하여 볼츠만의 유명한 엔트로피 공식과 맥스웰-볼츠만 분포법칙을 차근차근 설명한다. 기체 분자들을 무작위로 충돌하는 탁구공으로 비유하고, 온도의 정체가 분자들의 평균 운동에너지임을 보여주며, 압력이 분자들의 벽면 충돌로 만들어지는 과정을 구체적으로 다룬다. 얼음이 녹을 때 엔트로피가 증가하는 이유를 분자 배열로 설명하고, 방 청소를 통해 무질서도 증가 법칙을 이해시키는 등 일상생활의 친숙한 사례들을 활용하여 추상적인 개념들을 구체적으로 설명한다. 물질마다 비열이 다른 이유를 분자구조와 운동자유도로 설명하고, 다이아몬드와 흑연의 서로 다른 열적 성질을 결정구조로 이해할 수 있게 돕는다.

고전 통계역학의 한계를 극복하기 위해 등장한 양자역학의 도입 과정과 그 필요성을 흑체복사 문제와 고체 비열의 수수께끼를 통해 설명한다. 플랑크의 에너지 양자화 개념, 아인슈타인과 드바이의 고체모델, 그리고 페르미-디랙 통계와 보즈-아인슈타인 통계 같은 양자통계의 핵심 개념들을 다룬다. 백색왜성과 중성자별에서 나타나는 축퇴압력, 레이저의 작동원리, 보즈-아인슈타인 응축 같은 극한 상황에서의 양자 집단현상까지 포함하여 현대물리학의 놀라운 예측들을 소개한다. 상전이와 임계현상, 이징모델을 통한 자성체 이해, 브라운 운동과 같은 요동 현상도 체계적으로 설명한다.

통계역학은 더 이상 물리학의 한 분야에 그치지 않고 생물학, 정보과학, 사회과학까지 확장되고 있다. 이 책은 단백질 접힘, 교통흐름, 인터넷 네트워크, 소셜미디어 같은 복잡계 현상에서 나타나는 통계물리학적 원리들을 소개하고, 정보이론과 엔트로피의 깊은 연관성, 머신러닝에서 활용되는 통계역학적 개념들까지 다룬다. 중학생도 이해할 수 있는 쉬운 설명과 구체적인 사례들을 통해 복잡해 보이는 통계역학의 핵심 아이디어들을 명확하게 전달하며, 현대 과학기술의 근간이 되는 이 분야의 아름다운 논리 구조를 체계적으로 보여준다. 물리학의 깊이 있는 이해뿐만 아니라 과학적 사고력 향상에도 큰 도움이 될 것이다.

목차

1. 통계역학의 기본 개념
2. 확률과 미시상태의 개념
3. 볼츠만의 엔트로피 공식
4. 맥스웰-볼츠만 분포법칙
5. 이상기체의 분자운동론
6. 온도의 미시적 의미
7. 압력과 분자충돌의 관계
8. 비열과 자유도의 등분배 법칙
9. 양자역학 도입의 필요성
10. 양자상태와 에너지 준위
11. 페르미-디랙 통계
12. 보즈-아인슈타인 통계
13. 플랑크의 흑체복사 이론
14. 아인슈타인의 고체모델
15. 드바이의 고체모델
16. 미시정준앙상블 이론
17. 정준앙상블과 파티션 함수
18. 대정준앙상블 이론
19. 상전이와 임계현상
20. 이징모델과 자성체
21. 브라운 운동과 요동
22. 비평형 통계역학 입문
23. 통계역학의 현대적 응용
24. 정보이론과 엔트로피

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.