최신 고체물리학

1900년대 초 양자역학이 탄생한 이후 1950년대까지 물리학은 단일 원자핵과 입자들의 성질을 이해하는 데 집중하면서, 핵물리학과 입자물리학이 큰 발전을 이루었다. 그러나 우리가 일상적으로 경험하는 거시적 물질의 물성은 단일입자들의 성질을 이해하는 것만으로는 불충분하다. 이는 마치 사회의 구성원인 사람들은 저마다 개성이 다르지만, 개별적으로 사람들의 개성을 연구한다고 해서 사회 전체의 특성을 이해할 수 없는 것과 같다. 사회는 사람들의 상호작용으로 복잡하게 흘러간다. 그래서 필자는 고체물리학을 ‘원자의 사회학’이라고 말한다. 사람들이 만들어내는 여러 활동들은 매우 복잡하지만 정해진 법과 질서의 체계 안에서 거시적인 현상이 발생한다. 마찬가지로 매우 많은 원자들이 모여 고체를 형성하면 원자들 간의 복잡한 상호작용은 물리적 법칙하에서 원자의 기본적 특성과는 전혀 다른 새로운 물리현상이 발현되게 된다. 이렇게 고체 물성에서 발견된 물리현상을 바탕으로 그 안에 숨겨진 물리적 법칙이 어떻게 작동하는지 밝혀내는 것이 고체물리학이다.
많은 고체물리학 교과서는 이론적 배경을 중심으로 기술되어 있다. 그렇게 구성되는 이유는 물리학은 수직적 지식체계를 갖고 있기 때문이다. 다른 학문들과는 달리 수학과 물리학은 앞의 것을 알아야 뒤의 것을 알 수 있어서 배우는 데 순서가 필요하다. 그러나 열 및 통계물리학과 양자역학의 지식을 갖추고 있다면 고체물리학은 꼭 이론적 배경을 중심으로 서술되지 않아도 된다. 오히려 이론적 배경을 중심으로 기술될 경우, 학생들은 그 이론이 어디에 어떻게 적용되는지 알기 어렵다. 따라서 필자는 이 책을 이론보다는 물성에 초점을 두어 고체의 물성을 중심으로 구성하였다. 독자는 책을 처음부터 끝까지 순서대로 읽기보다는 공부하고자 하는 물성에 해당하는 파트를 선택하여 공부할 수 있다. 그러나 다른 모든 장을 공부하기에 앞서 ‘PART 1. 구조적 특성’은 고체의 기본이기 때문에 그것을 반드시 먼저 공부하기 바란다.
필자의 경험에 의하면 고체물리를 공부할 때 학생들에게 가장 어려운 점은 수식의 유도가 생략되어 결과 식만 쓰여 있는 경우 그것을 이해하기가 어렵다는 점이다. 책에는 “다음과 같은 결과를 쉽게 얻을 수 있다.”고 되어 있는데, 실제로 그 중간을 계산해보면 (필자가 학생 시절) 결코 쉽지 않았던 경험이 많았다. 이 책은 가급적 수식 유도를 상세히 함으로써 학생들이 직접 따라갈 수 있게 친절히 하려고 노력하였다. 물론 수식 유도 없이 결과만 적은 경우도 다소 있는데, 그 부분은 학생들이 굳이 알 필요가 없는 경우이다. 주로 최신 연구에서 사용되는 식이긴 하지만 그 유도과정이 매우 어려운 경우에 해당한다.
학생들이 고체물리뿐만 아니라 물리학을 공부함에 있어서 유의해야 할 것은 너무 수식에 매몰되어 물리적인 의미를 찾지 못하는 우를 범하면 안 된다는 것이다. 사실 고체물리 입문자가 한번 수업 듣고 바로 그 의미를 이해하기는 어려울 수 있다. 대부분의 경우에는 실제 연구를 진행하면서 몰랐던 부분을 깨닫고 그 의미가 다시 다가오는 경우가 많다. 그 경우에라도 이 책은 책상 앞 책꽂이에 꽂아두고 연구할 때 의미를 되새기기 위해서 사전식 참고서로 사용해도 좋을 것이다.