한 권으로 총정리한 물리의 법칙

김영태 아주대 명예교수가 엄선한 물리학의 정수

뉴턴의 중력법칙부터 최신 인공지능까지,
물리학의 주요 법칙을 한 권에!
《한 권으로 총정리한 물리의 법칙》은 갈릴레이의 낙하 법칙부터 최신 인공지능 메커니즘까지, 과학자들이 발견한 핵심 물리 법칙을 단 한 권에 담았다. 뉴턴과 맥스웰로 대표되는 고전역학은 물론 열역학, 통계역학을 지나 20세기 과학혁명을 이끈 상대성이론과 양자역학, 나아가 현대 입자물리학과 카오스 이론, 인공지능의 원리까지 물리학의 방대한 영역을 폭넓게 아우른다.

단순 암기를 넘어 맥락으로 풀어낸 쉽고 흥미로운 물리학 입문
이 책은 난해한 공식의 나열에서 벗어나, 과학사의 거대한 흐름 속에서 지식이 확장되고 심화되는 과정을 자연스럽게 보여준다. 예를 들어 '빛의 법칙'을 설명할 때, 단순한 관찰 수준의 반사와 굴절 현상에서 시작해 '스넬의 법칙'을 거쳐 '페르마의 최소 시간의 원리'라는 고차원적 법칙으로 완성되어가는 과정을 자세히 살펴본다. 이를 통해 독자는 과학 이론이 정체된 지식이 아니라 끊임없이 발전해왔음을 알 수 있으며, 법칙을 따로 외우지 않아도 이야기를 따라가며 자연스럽게 그 핵심을 파악할 수 있다.

법칙 간의 유기적 연결을 통한 입체적 이해
이 책은 여러 분야의 법칙을 병렬적으로 나열하지 않고, 각 이론의 탄생 배경과 상호 영향 관계를 유기적으로 연결한다. 빛의 성질을 둘러싼 논쟁이 대표적이다. 뉴턴의 입자설에서 영의 파동설로, 다시 아인슈타인의 광전효과를 거쳐 드 브로이의 물질파 가설에 이르기까지, 입자와 파동의 이중성이 정립되는 드라마틱한 과정을 여러 장에 걸쳐 하나의 이야기처럼 엮어낸다. 독자는 이 과정에서 개별 법칙들이 서로 어떻게 영향을 주고받으며 현대 물리학의 기틀을 마련했는지 깊이 있게 이해할 수 있다.

'공학의 어머니' 물리학,
우리 삶을 바꾼 기술들의 뿌리
이 책은 물리 법칙들이 추상적인 이론에 그치지 않고 현대 공학기술에 어떻게 적용되었는지 구체적인 사례를 풍부하게 제시한다. 상대성이론으로 오차를 보정되는 GPS, 전자기유도를 이용한 자이로드롭, 광전효과를 응용한 야간투시경과 CCD, 초전도체의 마이스너 효과를 활용한 자기부상열차, 불확정성의 원리를 이용한 X선 레이저, 나노과학이 발견한 새로운 탄소 구조들(풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀) 등 첨단 공학기술은 물론 실생활과 밀접한 기술들을 통해 물리학이 우리 삶에 미치는 지대한 영향을 실감 나게 전달한다.

파편화된 지식을 하나의 지도로 완성하는 지적 경험
단편적인 물리 지식들로 혼란스럽기만 하고 전체 그림에 목말랐던 독자들에게 이 책은 명쾌한 해답을 제시한다. '세상은 어떤 법칙에 따라 움직이는가?'라는 근원적인 호기심을 바탕으로 이 책이 설명하는 여러 물리 법칙들을 중심으로 물리학의 발전사, 분야별 쟁점, 과학자들 간의 상호 영향을 파악하다 보면 어느새 물리학의 문턱이 낮아지는 것을 경험할 수 있다. 마지막 책장을 덮는 순간, 독자의 머릿속에는 세상을 움직이는 원리를 꿰뚫는 물리학 전반에 대한 명확한 지도가 선명하게 그려질 것이다.

머리말

떨어지는 물체, 무게는 달라도 가속도는 일정하다 - 갈릴레이의 자유낙하 운동 법칙
태양계를 움직이는 세 가지 질서를 밝히다 - 행성 운동애 대한 케플러의 법칙
우주의 모든 물체는 서로를 끌어당긴다 - 뉴턴의 중력법칙
사과에서 달까지 모든 물체는 똑같은 운동법칙을 따른다 - 뉴턴의 운동법칙
자연에는 4가지 기본 힘이 존재한다 - 힘의 물리학
모습을 바꿀 뿐, 에너지의 총합은 영원히 변하지 않는다 - 에너지 보존의 원리
빛의 기초 법칙들을 알아내다 - 빛의 반사법칙과 굴절법칙
빛은 최단 시간 경로를 택한다 - 페르마의 최소 시간의 원리
간섭무늬로 빛이 파동임을 증명하다 - 영의 이중슬릿 실험
비행기 날개 모양이 비행기를 뜨게 하다 - 유체에 대한 베르누이 정리
전하가 전기를 만든다 - 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
전류가 자기를 만든다 - 외르스테드의 실험과 앙페르의 법칙
자기장의 변화가 전기장을 만들어낸다 - 패러데이의 법칙
빛은 전자기 파동이다 - 맥스웰의 전자기학 방정식
뜨거워진 기체가 만드는 힘의 규칙 - 이상기체에 대한 보일-샤를의 법칙
영구기관은 왜 불가능한가? - 열역학 법칙
통계로 열의 정체를 밝히다 - 맥스웰-볼츠만 분포
미스터리한 빛의 언어를 해독하려 하다 - 흑체복사 법칙과 빛의 특성
보이지 않는 광선과 빛의 특성에서 원자의 비밀을 캐려 하다 - 음극선 실험과 전자의 발견
빛은 파동이 아닌 입자다 - 광전효과와 아인슈타인의 이론
실패해서 물리학 역사상 가장 유명해진 실험 - 마이컬슨-몰리 실험
빠르게 움직일수록 시간은 느려지고 길이는 줄어든다 - 특수상대성이론
사라진 질량은 거대한 에너지가 된다 - E=mc2
중력은 거대한 질량이 휘어놓은 시공간의 흔적이다 - 일반상대성이론
별의 질량에 따라 최후가 달라진다 - 찬드라세카르 한계와 블랙홀
시공간의 지름길을 타고 어제와 내일을 만나다 - 시간여행
우주는 대폭발로 탄생했으며 지금도 팽창하고 있다 - 허블-르메트르 법칙과 빅뱅 이론
에너지는 흐르지 않고 덩어리져 존재한다 - 플랑크의 양자가설
딱딱한 물질조차 때로는 파동처럼 움직인다 - 드 브로이의 물질파 가설
텅 빈 공간의 중심에서 단단한 핵을 발견하다 - 러더퍼드의 알파입자 산란 실험
위치와 속도, 둘을 동시에 알 수는 없다 - 하이젠베르크의 불확정성 원리
미시 세계의 모든 가능성을 파동에 담다 - 슈뢰딩거 방정식
변신의 귀재 원자핵의 비밀을 풀다 - 핵붕괴와 핵분열의 원리
우주를 구성하는 기본 조각들의 지도를 그리다 - 소립자에 대한 표준 모형
네 가지 기본 힘을 하나로 통합하다 - 힘에 대한 만물 이론
중력을 거스르는 자석, 저항 없는 에너지가 흐르다 - 마이스너 효과와 초전도 현상
아주 작은 것들의 세계에는 바닥이 없다 - 나노물리학
예측할 수 없는 혼돈에도 법칙은 숨어 있다 - 로렌츠 방정식과 카오스 이론
쌓아올린 신경망 속에서 인공의 직관을 발견하다 - 인공지능의 원리

맺음말
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김영태 아주대학교 물리학과 명예교수. 서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 UC 버클리에서 고체물리학 연구로 물리학 박사 학위를 받았다. 이후 미국 국립 로렌스 버클리 연구소 연구원, 아주대 물리학과 교수, 영국 케임브리지 대학교 펠로우, 호주 시드니 대학교 방문 교수를 역임하며 40년 가까이 연구와 교육에 매진해 왔다. 비선형 동역학과 뇌과학, 초전도체 전자기 특성 연구 등에서 탁월한 업적을 인정받아 영국 케임브리지 국제인명센터(IBC)에서 발간하는 '탁월한 과학자 2000명(2000 Outstanding Scientists 2008-2009)'에 등재되기도 했다.
복잡한 수식 나열보다는 사물의 이치(物理)를 꿰뚫는 배경과 원인을 설명하는 '공식 없는 물리' 강의로 명성이 높았다. '물리는 공학의 어머니'라는 신념 아래, 전공자뿐만 아니라 비전공자들도 물리학의 매력을 발견할 수 있도록 문턱을 낮추는 데 헌신해 왔다.
지은 책으로는 《세상 모든 것의 원리, 물리》, 《현대물리, 불가능에 마침표를 찍다》, 《속 보이는 물리》,《정전이 되면 자이로드롭은 땅에 떨어질까?》, 《아시아를 빛낸 노벨상 수상자》 등이 있다. 옮긴 책으로는 《딥 심플리시티》, 《현대물리학: 시간과 우주의 비밀에 답하다》, 《다세계》, 《우주의 가장 위대한 생각들 1, 2》, 《모든 것은 하나다》 등이 있다.