세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 별의 물리학

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상 논문 영문본 수록

천문학과 물리학의 만남으로
우주의 모든 것은 물리학의 연구 대상이 되었다

천문학의 역사는 인류의 역사라고 봐도 과언이 아니다. 주기적으로 뜨고 지는 태양과 달, 캄캄한 밤하늘 저 멀리 반짝이는 별은 숭배 대상인 동시에 인간사를 점치는 용도가 되기도 했다.
태양을 성스럽게 여기던 고대 이집트인들은 태양력을 만들었고, 동쪽 하늘 일정한 위치에 떠오르는 별 시리우스로 나일강 범람을 예측했다.
고대 바빌로니아인들은 하늘의 별들을 모아 별자리로 구분하기 시작했고, 그리스 로마 사람들은 여기에 신화의 주인공이나 동물 이름을 붙였다.
지구 모양이 낭떠러지라고 상상하거나 지구를 중심으로 별들이 도는 천구가 있다고 생각한 적도 있지만, 관측 기술이 발달함에 따라 지구의 반지름을 계산하고 지구와 달, 지구와 태양의 거리를 측정할 수 있었다.
관측 중심이던 천문학이 20세기에 들어서 새로운 모습으로 도약한다. 바로 물리학과의 만남이다. 이로써 천문학은 천체물리학으로 거듭난다.
우주를 관측한 결과를 물리학은 이론적으로 설명할 수 있었으며, 물리학이 미지의 세계를 예측하면 관측으로 그것을 확인하게 되었다. 우주선을 쏘아 올리고 천문학의 범위가 더욱 넓어지면서 물리학은 이제 천문학에서 빼놓을 수 없는 요소가 되었다.
《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 별의 물리학》은 고대 천문학에서 시작하여 천문학과 물리학의 만남이 전개된 역사를 풀어간다. 관측 기술과 천체물리학의 발달에 따라 우주의 태동, 즉 별의 탄생과 진화 그리고 죽음에 이르는 과정을 천체물리학자들이 어떻게 밝혀냈는지 그들의 논문과 함께 소개한다.
우주의 모든 것은 이제 물리학의 연구 대상이 되었다. 이 책을 통해 무한한 물리학의 세계를 맛보자!

가장 오래된 학문이자 최첨단을 달리는 천체물리학
대한민국 우주 시대를 살아갈 우리에게 꼭 필요한 책

2023년 5월 한국형 발사체 누리호 3차 발사 성공에 이어, 2024년 5월 우주 개발을 담당하는 정부기관 우주항공청이 출범했다. 우리나라에도 본격적인 우주 시대가 열린 것이다.
우주를 탐사하는 천문학은 인류 역사상 가장 오래된 학문이자 최첨단을 달리는 학문이다. 이는 물리학이 더해져 천체물리학(별의 물리학)으로 거듭났기 때문이라고 볼 수 있다.
천체의 생성과 진화에 관련된 물리적 성질을 연구하는 천체물리학은 미래의 성장 동력이 될 우주 산업의 가장 기초 학문이다.
20세기 천체물리학은 별의 탄생, 진화, 죽음의 비밀을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 지금도 우주의 신비를 파헤치는 연구가 계속되고 있다.
이 책은 천체물리학의 획을 그은 학자들의 논문을 역사와 사진, 수식을 가지고 흥미롭게 탐구한다. 논문에 등장하는 별의 물리학에 관한 수식들을 차근차근 설명하며, 이론으로 증명하고 관측으로 발견된 천체 사진도 함께 제공하여 독자의 이해를 돕는다.
《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 별의 물리학》과 함께 우주를 탐험하는 신비로운 여행을 시작하자!

별의 탄생, 진화 그리고 죽음에 대하여
물리학으로 들여다보는 우주 이야기

이 책은 천문학 중에서도 특히 천체물리학, 즉 물리학 이론으로 천체의 현상을 설명하고 예측하는 분야를 다루고 있다. 이 분야에서 뛰어난 업적을 남긴 인도 출신 천체물리학자 찬드라세카르의 논문을 소개하고자 한다.
찬드라세카르는 1910년 영국령 인도에서 태어난 인물로, 그의 삼촌 또한 1930년 노벨 물리학상을 수상한 벵카타 라만이다.
찬드라세카르의 대표적인 업적은 백색 왜성 연구이다. 그는 질량이 작은 별의 후기 형태인 백색 왜성이 평형을 이루는 조건을 발견했다. 그의 연구로 별의 탄생, 진화, 죽음에 이르는 별의 물리학이 완성되었다.
자기의 이론이 스승 에딩턴에게 인정받지 못하던 때에는 좌절을 겪기도 했으나, 결국 찬드라세카르는 1983년 노벨 물리학상을 수상하는 쾌거를 이루었다.
그가 세운 천체물리학의 많은 업적이 인정되어 그의 이름을 딴 찬드라 X선 관측선이 우주로 쏘아 올려졌다. 교수로서 가르치는 일에도 매우 열성적이었던 그는 노벨상 수상자들을 비롯한 뛰어난 제자들을 많이 배출했다.
이 책을 통해 굴하지 않는 열정의 과학자 찬드라세카르의 위대한 논문을 탐구해 보자!

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
별의 죽음 과정을 물리학적으로 밝히다 _겐첼 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 고대의 별 이론
고대 이집트의 태양력 _고정된 별과 방황하는 별
별자리 _사물, 동물, 신화 속 영웅의 이름을 붙이다
황도 12궁과 점성술 _태양이 지나가는 12개의 별자리
태양신 라 이야기 _신성한 존재로 여겨진 태양
탈레스와 아낙시만드로스의 별에 대한 생각 _태양, 달, 별은 무엇으로 이루어져 있을까?
천구 모형의 등장 _별이 있는 곳
아리스타르코스의 관측 _지구와 달, 지구와 태양 사이의 거리
지구의 반지름을 계산한 에라토스테네스 _태양 광선과 그림자를 이용해
별의 밝기를 연구한 히파르코스 _별의 밝기에 등급을 매기다

두 번째 만남 | 만유인력과 별의 거리
만유인력의 발견 _질량을 가진 두 물체가 서로 끌어당기는 힘
중력가속도의 계산 _중력 때문에 생긴 가속도
중력에 대한 퍼텐셜 에너지 _미분과 적분을 이용하여
비리얼 정리 _클라우지우스의 증명
광행차의 발견 _지구 공전의 증거
별까지의 거리 _베셀과 연주시차
별의 절대등급 _별의 실제 밝기 비교하기

세 번째 만남 | 폴리트로픽 과정과 별의 구조 방정식
폴리트로픽 과정 _별 속의 기체의 열역학
레인과 엠덴의 폴리트로픽 별 모형 _별이 평형을 이루기 위한 방정식
에딩턴의 별 모형 _복사 압력을 추가하다

네 번째 만남 | 별의 탄생과 진화
하버드 대학의 여성 천문학자들과 별의 분광형 _별 연구의 역사
H-R도의 발견 _별의 밝기와 온도의 관계
원시별 이론 _별은 어떻게 탄생하는가
별이 빛나는 이유 _별에서 일어나는 핵융합 반응
별의 일생 _별의 탄생부터 죽음까지
펄서 _중성자별이 내는 규칙적인 신호
블랙홀 _빛조차 빠져나올 수 없는 천체

다섯 번째 만남 | 별의 죽음에 대한 연구
찬드라세카르의 생애 _멈추지 않은 열정
찬드라세카르의 논문 속으로 _백색 왜성의 평형 조건

만남에 덧붙여
On the Theoretical Temperature of the Sun _레인 논문 영문본
The Internal Constitution of the Stars _에딩턴 논문 영문본
Energy Production in Stars _베테 논문 영문본
The Density of White Dwarf Stars _찬드라세카르 1 논문 영문본
The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs _찬드라세카르 2 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

정완상 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.