물리학의 기본을 이야기하다

자연을 보다 직접적이고 쉽게 파악할 수 있게
에너지의 이해와 활용을 다루다!

물리학을 운동법칙과 운동방정식을 근간으로 설명하는 대부분의 책과는 달리, 이 책은 에너지를 근간으로 하는 접근법을 사용한다. 실제로 고급물리학을 전공하는 대부분의 물리학자들은 에너지와 관련된 개념을 중심으로 자연현상을 이해한다. 그 까닭은 에너지가 운동법칙보다 더 기본적인 개념이며, 벡터(크기와 방향을 동시에 나타내는 물리량)를 직접 사용하지 않기 때문이다.

1장과 2장은 자연현상을 서술하는 방식을 다루고 있다. 뉴턴의 운동법칙과, 이를 에너지로 파악하는 방법을 다룬다. 3장부터 6장까지는 일상에서 자주 접할 수 있는 마찰력, 주기운동, 압력과 파동을 다룬다. 이 부분은 역사적으로 볼 때 16세기 이후 19세기까지 일상에서 접하는 현상을 다룰 수 있는 기본방식을 정립한 것이기도 하다.
7장과 8장은 전류와 전하 및 전자파를 다루고 있고, 9장과 10장은 열과 엔트로피를 다룬다. 19세기에 확립된 전기와 열에 대한 지식은 20세기 들어 물질을 혁신적으로 다룰 수 있는 기반을 형성하는 데 중요한 역할을 하였다. 빛과 전자를 자유자재로 다룰 수 있는 능력이 형성하게 된 것도 전기와 열을 다룰 수 있게 된 덕분이다.
11장과 12장은 빛과 전자를 현대적으로 다루는 방식에 대해 서술한다. 마치는 글 13장에서는 20세기에 새롭게 알려진 질량에너지의 역할을 소개하면서 천문과 우주의 다이내믹한 현상의 중심에 질량에너지가 있음을 알게 한다.

각 단원에는 ‘생각해보기’와 ‘확인하기’가 있다. 생각해보기는 본문에서 다룬 지식을 좀 더 구체적으로 파악하고 좀 더 깊은 내용을 생각할 수 있는 질문으로 구성되어 있다. 생각해보기의 홀수 문제는 개념이 추상적으로 흐르지 않도록 숫자를 통해 개념을 이해하는 역할로 활용하였고, 결과를 확인할 수 있게 답을 제공하였다. 생각해보기의 짝수 문제는 많은 경우 독자가 직접 여러 문헌과 정보를 찾아봄으로써 스스로 깨우칠 수 있는 문제나 본문에서 다루지 못한 개념을 소개하는 문제이다. 따라서 관심 있는 독자라면 이 문제와 씨름하는 것이 바람직하다고 생각한다. 확인하기는 독자가 본문의 내용을 이해하고 있는지를 확인할 수 있도록 선별하였고, 간단한 답도 제공하고 있다.

차근차근 풀어나가는 이 책을 읽다 보면 자연현상을 아우르는 물리학의 매력, 곧 인간의 이성과 합리적인 생각을 바탕으로 하여 이루어진 수학적 방법과 실험적 도구가 성공적임을 확인할 수 있다. 그리고 여전히 해결해야 하고 채워 넣어야 할 많은 연구가 필요하다는 것도…….

저 : 임채호

서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 스토니브룩 대학교(뉴욕 주립대)에서 박사학위를 받았다. 미국 시애틀 워싱턴 대학교 및 MIT 방문학자와 전북대학교 물리학과 교수를 거쳐 서강대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 주로 고에너지 물리에서 나오는 양자론과 우주 초기를 다루는 양자 중력을 해석학적 방법론으로 연구하고 있다. 지은 책으로는 『등각장론』, 『물리학의 세계』, 『교양으로 읽는 물리학 강의』등이 있다.  

들어가면서

1장 물체의 움직임을 분석하는 방식에 대한 이해
1. 어떻게 시작할까?/ 2. 속도는 어떻게 표시해야 할까?/ 3. 속도의 변화를 나타내는 가속도/ 4. 힘과 운동방정식

2장 에너지와 파워
1. 운동에너지/ 2. 힘이 일을 한다/ 3. 용수철이 하는 일/ 4. 여러 형태의 에너지/ 5. 만유인력과 위치에너지/ 6. 파워

3장 마찰력은 움직이는 물체를 어떻게 정지시키는가
1. 미끄러지면서 정지하기/ 2. 공기저항 때문에 정지하기/ 3. 미끄러지지 않고 정지하기

4장 주기운동은 어떻게 다루는가
1. 원운동과 각속도/ 2. 원운동과 구심력/ 3. 토크와 에너지/ 4. 단진동과 주기/ 5. 용수철과 단진동/ 6. 진동하는 물체의 에너지

5장 압력과 힘은 어떻게 다른가
1. 압력/ 2. 정지한 유체와 압력/ 3. 움직이는 유체의 에너지

6장 파동은 어떻게 다루는가
1. 진동의 전달/ 2. 압력이 만드는 파동/ 3. 에너지를 전달하는 파동/ 4. 파동이 전달되는 모습/ 5. 파동과 간섭

7장 전기에너지와 기전력
1. 전류와 전자석/ 2. 전류 사이에 작용하는 힘/ 3. 코일에 저장되는 에너지/ 4. 전기에너지의 변환

8장 전자파의 방출
1. 전기력과 전장/ 2. 축전기와 전기에너지/ 3. 교류와 전하의 진동/ 4. 전자파

9장 열이란 무엇인가
1. 온도/ 2. 이상기체와 온도계/ 3. 이상기체와 분자운동/ 4. 열과 비열/ 5. 정압비열

10장 열은 얼마나 효율적으로 쓸 수 있나
1. 열효율/ 2. 순환기관과 열효율/ 3. 열효율과 엔트로피/ 4. 열과 분자운동

11장 빛의 정체는 무엇인가
1. 빛은 광선이다/ 2. 빛은 파동이다/ 3. 빛은 광자다

12장 전자는 어떻게 다루어야 하나
1. 전자의 확인/ 2. 원자 안에 놓인 전자/ 3. 물질파와 원자궤도/ 4. 전자의 간섭무늬와 불확정성 원리/ 5. 전자의 스핀과 동일입자

13장 마치면서
질량에너지가 알려주는 우주