일반인을 위한 파인만의 QED강의

editor’s note

프롤로그

01 화가의 시선

DAY 001 언니! 우리처럼 무지개가 둘이야~ : 눈먼 소녀 (존 에버렛 밀레이)

DAY 002 물감 한 점 꾸욱 찍어 진주 귀고리? : 진주 귀고리를 한 소녀 (요하네스 베르메르)

DAY 003 모든 순간의 너를 사랑해 : 해변 산책 (호아킨 소로야)

DAY 004 작품 제목이 왜 여러 가지예요? : 시녀들 (디에고 벨라스케스)

DAY 005 그림 속 비너스는 실존인물? : 비너스의 탄생 (산드로 보티첼리)

DAY 006 1,2월 달력 그림이었어요 : 눈 속의 사냥꾼 (피터 브뢰겔)

DAY 007 모나리자는 왜 이렇게 유명한가요 : 모나리자 (레오나르도 다빈치)

DAY 008 이 그림은 황제의 초상화 : 겨울, 봄, 여름, 가을 (주세페 아르침볼도)

DAY 009 속는 줄도 모르고 너무 진지한 : 에이스 카드를 든 사기꾼 (조르주 드 라 투르 )

DAY 010 혼전임신 했나 봐 : 아르놀피니 부부의 초상화 (얀 반 에이크)

DAY 011 르네상스 3대 화가의 얼굴 찾기 : 아테네 학당 (라파엘로 산치오)

DAY 012 교과서에도 실린 상상 속 코뿔소 : 코뿔소 (알브레히트 뒤러)

DAY 013 좀 궁핍해보이는 나르키소스 : 나르키소스 (미켈란젤로 카라바지오)

DAY 014 우리나라 최초의 ‘엄마와 아기’ 그림 : 운낭자상 (채용신)

DAY 015 내 얼굴은 왜 반쪽만 보여? : 야경 (렘브란트 반 레인)

DAY 016 파이도 물도 먹고 싶지 않군요 : 블랙베리 파이가 있는 아침 식사 테이블 (윌렘 클라스존 헤다)

DAY 017 헨리 8세! 내가 경고한다! : 대사들 (한스 홀바인)

DAY 018 파란만장한 인생의 마지막 작품 : 비너스와 세 명의 미신에 의해 무장 해제 당하는 전쟁의 신 마르스 (자크루이 다비드)

DAY 019 무척이나 건장한 노인, 육감적인 딸 : 시몬과 페로 (피터 파울 루벤스)

DAY 020 많은 〈오필리아〉 중 최고의 작품 : 오필리아 (존 에버렛 밀레이)

02 지금, 이 순간을 살아라

DAY 021 루이 15세의 정부, 퐁파두르 스타일 : 퐁파두르 후작 부인의 초상화 (프랑수아 부셰)

DAY 022 방랑자의 선택 : 안개바다 위의 방랑자 (카스파 다비드 프리드리히)

DAY 023 사랑인가, 외설인가 : 그네 (장 오노레 프라고나르)

DAY 024 신의를 버리고 목숨을 구한 화가 : 몽유도원도 (안견)

DAY 025 전쟁은 싫어, 아이는 좋아 : 스냅더힙 (윈슬로 호머)

DAY 026 옷을 입히느니, 다시 그려드리지요 : 옷을 벗은 마하, 옷을 입은 마하 (프란시스코 고야)

DAY 027 19세기 프랑스의 정체성 : 예술과 뮤즈의 성스러운 숲 (퓌비 드 샤반느)

DAY 028 알고 보면 더욱 재밌는 풍속화 : 씨름 (김홍도)

DAY 029 내일도 안 돼! 바로 지금 그려! : 인상 : 해돋이 (클로드 모네)

DAY 030 한 점, 한 점 찍어 2년 걸렸어요 : 그랑자트 섬의 일요일 오후 (조르주 쇠라)

DAY 031 이렇게나 화려한 도시, 파리 : 몽마르뜨 대로의 밤 풍경 (카미유 피사로)

DAY 032 영원히 늙지 않는 여자 : 빛에 맞서는 누드 (피에르 보나르)

DAY 033 일상의 적막을 깨트리는 순간 : 파적도 (김득신)

DAY 034 노동을 즐기는 사람들 : 건설자들 (페르낭 레제)

DAY 035 나에게 종교는 자연입니다 : 아침 효과 (테오도르 루소)

DAY 036 여백 없는 병풍 그림, 계절은? : 유압도 (홍세섭)

DAY 037 서양인이 그린 최초의 고종 어진 유화 : 고종 어진 (휴벗 보스)

DAY 038 밀레가 누드화가였다고요? : 씨뿌리는 사람 (장 프랑수아 밀레)

DAY 039 양반과 기생의 풋풋한 봄나들이 : 연소답청 (신윤복)

DAY 040 나의 스승은 자연입니다 : 모르트퐁텐의 추억 (장 바티스트 카미유 코로)

03 인생의 파도

DAY 041 후지산 없는 그림은 싫어요! : 가나가와 해변의 높은 파도 아래 (가츠시카 호쿠사이)

DAY 042 다리는 잃었지만 기적이 일어나고 : 왓슨과 상어 (존 싱글턴 코플리)

DAY 043 섬으로의 출항일까 도착일까 : 시테라 섬으로의 출항 (장 앙투안 와토)

DAY 044 오싹한 몽마 그림은 복수심 때문? : 헨리 푸셀리 (악몽)

DAY 045 엄마 말고 화가로 살고 싶어요 : 여섯 번째 결혼기념일의 자화상 (​파울라 모더존 베커)

DAY 046 삶은 이토록 궁핍하고… : 삼등 열차 (오노레 도미에)

DAY 047 남편 복은 지지리도 없지 : 자화상 (엘리자베스 루이 비제 르 브룅)

DAY 048 눈물로 그린 그림 : 고매도 (팔대산인)

DAY 049 전염병 걸린 노예의 운명은 : 노예선 (윌리엄 터너)

DAY 050 지참금 없이는 시집도 못가나요 : 마을의 약혼식 (장 밥티스트 그뢰즈)

DAY 051 보이는 것만 그리겠소! : 화가의 아뜰리에 (귀스타브 쿠르베)

DAY 052 가려워서 짜증 난 검은 개 : 흑구도 (김두량)

DAY 053 열쇠구멍으로 훔쳐본 목욕탕 : 터키탕 (장 오귀스트 도미니크 앵그르)

DAY 054 죽어서야 가족과 함께 : 흰 소 (이중섭)

DAY 055 이 그림 어디가 외설스럽나요? : 마담 X (존 싱어 사전트)

DAY 056 운명은 피하려 해도 안 되는 건가요 : 오이디푸스와 스핑크스 (귀스타브 모로)

DAY 057 사랑은 변하잖아요 : 자화상 (나혜석)

DAY 058 나의 모든 기록을 지워주시오 : 영원한 평온 위에서 (이삭 레비탄)

DAY 059 70세를 축하드립니다 : 묘작도 (변상벽)

DAY 060 코코 샤넬이 거부한 초상화 : 코코 샤넬의 초상화 (마리 로랑생)

04 정답이 없는 질문들

DAY 061 살아서는 이해받지 못했지만 : 푸른 하늘 (바실리 칸딘스키)

DAY 062 증오심이 가져다준 명성 : 회색과 검정색의 조화 No.1 (제임스 애벗 맥닐 휘슬러)

DAY 063 봄은 봄인데… : 봄 (에드바르 뭉크)

DAY 064 오직 집안을 일으켜 세우기 위해 : 자화상 (강세황)

DAY 065 각자 혼외정사의 밤을 보내고 : 비밀스런 대화 (윌리엄 호가스)

DAY 066 평생 독신이었던 광선 공포증 화가 : 발레 수업 (에드가 드가)

DAY 067 비온 후 안개 자욱한 인왕산 : 인왕제색도 (정선)

DAY 068 점으로 나타낸 속도감 : 목줄을 매고 있는 개 (자코모 발라)

DAY 069 차라리 결혼해서 아이를 낳을걸… : 젊은 엄마 바느질 (메리 카사트)

DAY 070 몽둥이로 맞을 뻔했다고요 : 올랭피아 (에두아르 마네)

DAY 071 술 취해도 그림은 잘 그려요 : 달마도 (김명국)

DAY 072 마네의 동생과 결혼한 덕분에 : 요람 (베르트 모리조)

DAY 073 내 눈엔 당신만 보이는걸 : 시골의 무도회 (피에르 오귀스트 르누아르)

DAY 074 터럭 한 올도 놓치지 않아요 : 자화상 (윤두서)

DAY 075 죽고나서 더 유명해졌네요 : 우산을 쓴 여인 (폴 시냐크)

DAY 076 모델 일 하다 화가가 되었지요 : 블루룸 (수잔 발라동)

DAY 077 나는야 몽마르트의 화가 : 코탱의 골목 (모리스 위트릴로)

DAY 078 사과는 안 움직여! : 병과 사과 바구니가 있는 정물 (폴 세잔)

DAY 079 그림속 모델들이 고소하려 했어요 : 감자 먹는 사람들 (빈센트 반 고흐)

DAY 080 죽을 각오로 다시 한 번 : 우리는 어디서 왔는가? 우리는 누구인가? 우리는 어디로 갈 것인가? (폴 고갱)

05 당신이라는 우주

DAY 081 벌거벗고 마을을 도는 여인 : 레이디 고다이바 (존 콜리어)

DAY 082 광고 포스터도 예술 작품이에요 : 지스몽다 (알폰스 무하)

DAY 083 파랑과 음악적인 진동이 만나 : 카우스의 요트경기 (라울 뒤피)

DAY 084 당신의 영혼을 보면 눈동자를 그리겠소 : 잔느 에뷔테른 (아메데오 모딜리아니)

DAY 085 나에게 퇴폐미술가라니 : 세네치오 (파울 클레)

DAY 086 과일이 어때서? 물잔이 어때서? : 물 한 잔과 커피포트 (장 바티스트 시메옹 샤르댕)

DAY 087 나만큼 파란만장한 인생 있나요? : 두 명의 프리다 (프리다 칼로)

DAY 088 아름다운 꽃인가, 무거운 짐인가 : 꽃을 나르는 사람 (디에고 리베라)

DAY 089 유명한 무도회장 홍보 전단지 : 물랭루즈 라 굴뤼 (툴루즈 로트렉)

DAY 090 시골 여인을 모욕하는 그림이냐? : 아메리칸 고딕 (그랜트 우드)

DAY 091 추상화 그리다 잡혀 갔어요 : 나무꾼 (카지미르 말레비치)

DAY 092 의류 디자이너를 해도 잘했겠어요 : 꽃무늬 드레스 (에두아르 뷔야르)

DAY 093 사랑에 빠지면 괴물도 아름답군요 : 키클로페스 (오딜롱 르동)

DAY 094 내일을 희망하며 : 색의 춤 Ⅱ (에른스트 루트비히 키르히너)

DAY 095 무지개의 색을 훔친 화가 : 푸른 말Ⅰ (프란츠 마르크)

DAY 096 나무는 빨강, 얼굴은 초록 : 춤 Ⅱ (앙리 마티스)

DAY 097 에펠탑과 사랑에 빠진 남자 : 에펠탑 (로베르 들로네)

DAY 098 곡선과 사선, 초록색은 사절! : 파랑, 빨강, 노랑의 구성 (피에트 몬드리안)

DAY 099 내 그림의 주인공은 고양이 : 캐롤 부르는 고양이 (루이스 웨인)

DAY 100 일요일에만 그림을 그려서 : 꿈 (앙리 루소)

※ 승산 북카페 "이 책의 포럼" ☞ qed.seungsan.com

“1959년 12월 29일 미국물리학회 주최로 캘리포니아 공과대학에서 열린 이 유명한 강연에서 소형화의 미래를 설명했다. 이것은 파인만이'나노테크놀로지(NT)의 아버지'로서 수십 년이나 시대를 앞선 강연이었다. ”

미국과 일본, 유럽 등 선진국들은 나노기술(NT) 연구에 국가적인 총력을 기울이고 있으며 금년부터는 우리나라도 정보기술(IT) 및 생명공학기술(BT)에 이어 나노기술개발을 차세대 핵심 기술로 확정하고, 현재 기초연구 단계인 나노기술을 선진 5개국 수준으로 끌어올리기 위해 향후 10년간 총 1조 5000억원을 투자하기로 했다-신문보도내용

금년이 양자역학이 탄생한지 101주년입니다. 더 늦기 전에 지식인들과 대학(원)생들은 물론이고, 중 고등학생들까지도 양자전기역학의 신비한 세계를 쉽게 이해할 수 있는 책이 필요하다는 생각으로 <일반인을 위한 파인만의 QED 강의>를 기획합니다.

책 소개

빛은 직진한다

빛은 입사각과 반사각이 같다

빛의 속도는 초속 30만 킬로미터다

학생들은 위의 내용을 전혀 의심하지 않고 문제를 더 빨리 풀기 위해 공식을 달달달 외워야 합니다. 암기 능력이 시험 점수로 연결된다는 것은 아무나 알고 있는 사실입니다. 요점 정리에 익숙한 학생들에겐 깊은 사고를 할 여유가 없습니다.

여기 생각의 장을 제공하는 사람이 있습니다.

그 사람은 바로 빛은 왜 직진하는가? 빛은 왜 입사각과 반사각이 같은가? 초속 30만 킬로미터보다 더 빠른 빛은 존재하는가?라는 근본적인 문제를 주물럭거린 리처드 파인만입니다. 파인만은 생전에 노벨상의 명예보다도 교육자임을 더 자랑스러워했고 어떤 유명 단체의 초청이 있어도 어린 학생들이 부탁하는 강의는 거절하는 법이 없었습니다.

파인만은 이 책 QED(양자전기역학)를 물리학에 호기심이 많은 친구 A.G. 머트너의 집요한 질문에 답하기 위해서 썼습니다. 막상 빛과 물질에 관해서 일반인인 친구에게 강의를 하자니 한 시간이나 하루 동안에 할 수 있는 내용이 아니라는 생각 때문이었습니다.

책에서 파인만은 나흘간의 강의를 통해 물리학을 잘 모르는 일반인들에게 물리학자조차 다루기 어렵기로 소문난 QED의 세계를 탁월한 유머감각과 언변으로 놀랍도록 쉽게 설명합니다. 아마 양자 물리학과 초끈이론, 우주론 따위에 대한 일반인을 위한 책에 늘 불만족스러웠을 독자들에게 파인만의 책만큼은 예외가 될 것입니다. 파인만은 분석적인 설명을 하지 않고 물리학과 실험에 대해 말할 뿐입니다. 파인만은 수학적 상징도, 복잡한 숫자도, 모형도, 파동역학도, 확률분석도… 들먹이지 않고 독자가 전에는 결코 가보지 못한 상식을 뒤엎는 세계로 안내해줄 것입니다.

QED(양자전기역학)란 무엇인가?

양자역학이 원자의 성질을 예측할 수 있다는 사실이 입증되고 나서 곧바로 전자기 현상을 이해하기 위한 수학적 도구가 개발되었다. 그 결과가 곧 양자전기역학 Quantum Electrodynamics이다. 양자전기역학은 폴 디랙 Paul Adrian Maurice Dirac 베르너 하이젠베르크 Berner Karl Heisenberg 등의 연구로 1930년경에 처음 탄생했다.

하지만 20년 가까이 부정확한 해나 근사치만을 산출해왔다. 양자전기역학이 새로이 정식화되어 놀라운 정확도를 얻게 되는데, 이에 기여한 몇몇의 주역들 가운데 가장 두드러진 인물이 리처드 파인만이다. 스스로를 '편파적인 인간'이라고 한 그는 20세기의 걸출한 이론 물리학자로 철학자 루트비히 비트겐슈타인 Ludwig Wittgenstein처럼 진행 중인 연구에 관한 공식적인 지식은 조금 부족한 대신 심오한 직관력과 스스로 문제를 설정해 작업하는 남다른 재능이 있었다.

파인만은 1945년부터 코넬 대학에서 조교수로 베테와 함께 연구하면서 양자전기역학으로 관심을 돌렸다. 파인만이 양자전기역학을 수정한 것은 전후 물리학의 중요한 사건이다. 기존 이론이 틀린 것은 아니지만 언젠가 파인만이 설명한 대로,“계산하여 해를 구하려고 하면 너무나 풀기 어려운 복잡한 방정식으로 빠져든다.

제일 근사한 해를 얻을 수는 있지만, 수정하여 더 정확한 해를 구하려고 하면 무한량들이 불쑥 튀어나오기 시작한다.”전자가 전자기장 안에서 예측 가능한 방식으로 작용하는 것은 틀림없지만, 양자역학의 용어로 그것을 설명하려면 기본적으로 무한수의 양성자-우리의 감각으로 인식할 수 없으므로 가상의 입자들로 알려진-의 방출과 흡수에 말려들게 된다.

볼프강 파울리 Wolfgang Pauli와 베르너 하이젠베르크 같은 인물들이 숱한 시도를 거듭했지만 계산은 계속 불가능한 해를 산출했다. 그런데도 그 근거가 된 이론은 공격할 수가 없었다.

파인만의 독특한 접근법은 일련의 다이어그램(뒷날 파인만 다이어그램으로 불림)을 써서 전자와 광양자, 전자가 흡수하거나 방출하는 광양자를 추적할 수 있었다. 이들은 양자전기역학이 기술하는 기본 운동들이다.

파인만 다이어그램은 추상적 계산을 구체화함으로써 숫자들을 '되틀맞춤 Renormalization'하고 필요 없는 무한대를 제거할 수 있었다. 이 '경로 적분 path integral' 방법의 결과로 양자전기역학은 완전히 새로 태어났으며, 오늘날에는 10-9까지 놀라운 정확도를 가지고 계산할 수 있다.

1965년 파인만은 노벨 물리학상 Noble Prize in Physics을 받았다. 같은 시기에 비슷한 방법으로 양자전기역학을 재정식화한 줄리언 슈윙거 Julian Seymour Schwinger와 도모나가 신이치로 Sin-Itero Tomonaga와 함께였다. 파인만의 방법은 가장 단순하고 직관적이었으며 그의 다이어그램은 소립자와 관련된 문제들을 해결하는 데 광범하게 이용되었다.

파인만은 1951년 캘리포니아 공과대학 California Institute of Technology: CalTech으로 옮겨 세계적인 이론 물리학자로 왕성하게 활동했다. 초저온 상태에서 중력을 무시하는 액체 헬륨의 이상한 성질을 설명하는 이론도 그의 업적이다. 또한 '초유동 Superfluidity'을 설명하면서 초전도 Superconductivity와 관련된 현상을 거의 이해하기에 이르렀다. 초전도는 1957년 존 바딘 John Bardeen과 리언 쿠퍼 Leon N. Cooper, 존 슈리퍼 John R. Schrieffer에 의해 밝혀졌다. 파인만 베타붕괴, 즉 방사성 원소의 점차적인 해체로 증명된 '약력'의 움직임에 관한 이론도 발전시켰다.

파인만은 홀짝성 보존법칙 law of parity conservation이 약한 상호작용 Weak interaction에서는 지켜지지 않음을 발견하고 "일생 처음이자 유일하게 그 누구도 알지 못하는 자연 법칙을 발견했다"고 스스로 묘사할 만한 순간을 경험했다. 친구이자 캘리포니아 공과대학 동료인 겔만 Murray Gell-Mann은 파인만의 자만을 나무랐다.

하지만 겔만과 파인만은 약한 상호작용에 관한 일반 이론을 발전시켜 1958년「페르미 상호작용 이론」으로 처음 출간했다. 일반적으로 양자전기역학은, 또 파인만 자신은 원자 구성 입자의 구조를 설명하는 겔만의 양자색역학이론 Quantum chromodynamics 발전에 기여했다.

에필로그

작품 소장처 인덱스

첫째날 입문

-양자전기역학 이전의 물리학 ...25

-양자전기역학의 등장 ...27

-완벽한 양자전기역학 ...29

-벌써 지루해진 청중들을 위해 ...32

-어떻게 양자전기역학을 설명할 것인가? ...34

-빛 : 광자 덩어리 ...37

-광전증폭기 : 빛의 입자성 ...39

-빛의 신기한 반사현상 ...43

-더욱 신기한 양면 반사현상 ...46

-만능해결사 : 화살표 물리학 ...51

-화살표의 정체 : 확률진폭 ...61

둘째날 광자(빛을 구성하는 입자)

-입사각과 반사각은 왜 같은가? ...72

-빛의 마술 : 회절격자 ...82

-양자전기역학이 설명하는 굴절현상 ...87

-생각하는 광자 : 지름길을 찾아서 ...91

-돋보기의 원리 ...96

-복합적인 사건의 확률 : 화살표의 곱셈 ...99

-다시 보는 반사현상 : 복합적인 사건 ...105

-복합사건으로 본 양면 반사현상 ...110

-멋진 예제 : 번식하는 광자? ...111

-주의! 화살표는 "하나의" 사건이 일어날 확률이다 ...117

-우리가 관측하는 자연현상이란 결국 하나의 사건일 뿐이다 ...122

셋째날 빛과 물질의 상호작용

-빛의 이중성 ...129

-전자도 이중성을 갖고 있다 ...135

-파인만의 시공도식 ...137

-세가지 기본도식 ...140

-전자와 전자의 충돌 ...145

-빛의 산란 ...150

-부분반사 ...155

-빛의 투과 ...162

-자연의 다양성 ...165

-자기쌍극지능률 ...171

-편광을 고려한다면 ...177

넷째날 남은 이야기

-재규격화 ...186

-결합상수 e의 신비 ...191

-양성자와 중성자 ...193

-강한 상호작용 ...195

-약한 상호작용 ...203

-반복되는 입자가족들 ...207

-색인 ...219

-지은이와 옮긴이 ...224