최무영 (2019) 물리학 강의 #개념서

2024-05-20 Bibliography aprj bib physics c420

저 : 최무영

서울대학교 물리천문학부 교수이자 과학사 및 과학철학 협동과정 겸무 교수.

서울대학교에서 학사와 석사를 마치고, 미국 스탠퍼드대학교에서 통계물리로 박사학위를 받았다. 그동안 포항공과대학교, 고등과학원, 미국 워싱턴대학교와 오하이오주립대학교, 로스앨러모스국립연구소, 프랑스 앙리푸앵카레대학교와 국립과학연구원(CNRS)을 비롯한 여러 대학과 연구소에서 객원·초빙교수나 객원연구원으로 일하였다. 국제학술지에 260여 편의 연구논문을 발표했으며 2000년 한국물리학회 학술상, 2002년 한국과학상, 2019년 암곡학술상을 받았다. 저서 『복잡한 낮은 차원계의 물리』, 『최무영 교수의 물리학 강의』 등이 있다.

책소개

이 책은 서울대학교 물리천문학부 최무영 교수가 자연과학을 전공하지 않는 학생들을 대상으로 한 강의를 바탕으로 만들어졌다. 과학의 진정한 의미를 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 쓴 교양 물리학 입문서이면서도 고전역학, 양자역학, 상대성이론뿐 아니라 21세기의 최신 주제인 혼돈, 복잡계, 엔트로피, 우주의 탄생과 진화, 생명현상까지 물리학의 모든 주제를 다뤘다.

2008년 「프레시안」에 연재돼 뜨거운 호응을 얻었고 초판이 출간되자마자 자연과학 분야 베스트셀러 1위에 올랐다. 한국과학창의재단 우수 과학 도서, 대한출판문화협회 올해의 청소년 도서, 대한민국학술원 우수 학술 도서 등 각종 상을 휩쓸었다. 이번 전면 개정판은 물리학 교과서로도 부족하지 않도록 물리학의 핵심 개념과 의미를 처음부터 끝까지 놓치지 않고 최대한 담아냈으며 최근의 연구로 얻은 새로운 결과들도 소개했다. 학생의 질문과 교수의 답변이 오가는 강의식으로 구성돼 있어 마치 강의를 직접 듣는 느낌으로 읽을 수 있다. 철학, 문학, 인문학, 예술 등 여러 분야를 넘나들며 물리학 원리를 설명하고, 어려운 외국어 용어들을 우리 토박이말로 바꿔 쉽고 친근하게 표현했다.

책 속으로

과학이 주는 의미 과학은 그것을 전공하는 과학자들이 공부하면 될 텐데 과학을 전공하지 않는 우리가 왜 과학을 공부해야 할까요? 그 해답을 얻으려면 과학이 현대사회를 살아가는 우리에게 무슨 의미를 주는지 생각해 봐야 합니다. 과학의 첫 번째 의미는 과학적 사고방식입니다. 과학적 사고란 비판적이고 합리적인 사고를 말하며, 과학적 사고방식은 과학 정신이라 할 수도 있습니다. 과학의 위력이라고 하면 과학적 지식이나 그것을 특별히 기술로 응용한 것이라고 생각하기 쉽습니다. 요즘에는 그 위력과 힘을 협소하게 물질문명, 더 좁게는 무기 같은 것으로 생각합니다. 여러 해가 지났지만 미국이 이라크를 침공해서 순식간에 점령했지요. 이때 두 나라의 실질적 차이는 어느 쪽이 군사력이 강하냐 하는 것이었고, 이를 결정하는 무기들은 기술의 응용에서 나옵니다. 그런 것을 보면서 우리는 자연과학의 위력은 과학을 기술에 얼마나 잘 응용하는지에 달려 있다고 생각하기 쉽습니다. 그러나 실제 자연과학의 위력이란 기술의 응용에 있는 것이 아니라 과학적 사고에 있다고 할 수 있습니다. … 과학이 우리에게 주는 두 번째 의미는 과학을 통해서 삶의 새로운 의미를 추구할 수 있다는 점입니다. 자연과학이란 자연현상, 곧 우리 자신을 포함한 우주 전체를 탐구하는 학문입니다. 다시 말해 자연과학은 우리 자신을 포함한 우주 전체를 근원적으로 이해하려는 시도로서, 자연과학을 탐구하다 보면 인간과 우주를 더 잘 이해할 수 있게 되므로 세계관 자체가 바뀌게 됩니다. 새로운 과학적 세계관으로 생각할 수 있게 되며, 이것이 ‘과학이 우리 삶에 주는 새로운 의미’입니다. … 세 번째로 과학의 현실적 의미를 들 수 있겠네요. 우리는 현대사회의 구성원으로 살고 있습니다. 디포 소설에 나오는 로빈슨 크루소처럼 혼자 사는 것이 아닙니다. 이런 현대사회에서 자연과학은 아주 중대한 영향을 끼치고 있습니다. 좋든 나쁘든 말이지요. 자연과학은 현대사회를 사는 우리가 갖춰야 할 가장 기본적 소양입니다. 현대사회에서 과학 문명이 특별히 중요한 이유는 과학 지식의 이용과 관련해서 생각할 수 있습니다. 우리가 과학 지식을 올바른 방향으로 이용한다면 과학은 우리에게 풍요로운 삶을 줄 겁니다. 그러나 우리가 과학을 잘못 이용한다면 그야말로 엄청난 재앙이 될 수도 있습니다. 핵폭탄 같은 것은 본말이 전도된 과학 문명의 대표적 예라고 할 수 있는데 인류 전체를 파멸시킬 수도 있지요. 마지막으로 과학의 의미는 문화의 중요한 근간이라는 점입니다. 여러분은 문화유산이라고 하면 무엇이 생각나나요? 몇 해 전에 《나의 문화유산답사기》라는 책이 꽤 많이 읽혔지요. 문화유산이라고 하면 흔히 이런 책에서 다루는 예술품들을 생각하고 과학을 문화유산이라고 생각하지는 않는 듯합니다. 그런데 사실은 과학이야말로 인류의 가장 소중한 문화유산이라고 할 수 있습니다. 우리나라의 대표적 문화유산으로는 유네스코UNESCO가 세계 문화유산으로 지정한 서울의 종묘 등을 생각할 수 있겠네요. 유네스코가 지정한 문화유산이 또 무엇이 있죠? 수원 화성과 팔만대장경, 석굴암도 지정되어 있습니다. 이런 문화유산의 공통점은 인간의 활동을 통해 얻어진 산물이라는 점입니다. 인간은 과학 활동의 탐구 대상입니다. 과학 활동은 자연을 이해하고 해석하려는 것인데, 인간도 자연에 포함되니 당연히 과학 활동의 대상이지요. 그런데 그와 동시에, 인간은 과학 활동의 주체이기도 합니다. 자연과학은 그런 점에서 매우 특별하다고 할 수 있습니다. 인간이 과학 활동의 주체라는 면에서 보면 과학도 다른 인간 활동과 마찬가지로 문화유산이라 할 수 있습니다. 유네스코에 등재된 문화유산 중에 종묘와 함께 종묘제례악이 있지요. 문화재라면 눈에 보이는 것만 생각하기 쉬우나 무형문화재도 있지요. 인간이 만든 창작물인 과학도 음악처럼 눈에 보이지 않는 소중한 문화유산이라고 할 수 있습니다.

좋은 이론 일반적으로 어떤 현상을 설명하려고 할 때 여러 가지 이론이 있을 수 있습니다. 그러면 그중에서 어떤 이론을 선택해야 할까요? 취사선택의 기준은 무엇일까요? 위의 예에서 우리는 왜 지구중심설을 버리고 태양중심설을 택했을까요? 둘 다 현실성에서는 문제가 없는데 말이지요. 우리나라의 국보 1호는 숭례문입니다. 흥인지문은 보물 1호고요. … 일반적으로 국보가 보물보다 급이 높다고 하는데, 그렇다면 숭례문이 흥인지문보다 더 우수한가요? (숭례문은 불타 버린 어처구니없는 사건 후에 복원된 것이라서 ‘국보 1호’로서 의미가 있는지 모르겠습니다만.) 예술품을 보면 어떤 것은 아주 좋고, 어떤 것은 상대적으로 좀 떨어진다는 등의 평을 합니다. 물론 이러한 평의 기준이 무엇인지에 따라 논란이 있을 수 있겠지요. 이론에서도 ‘좋은 이론’이라는 표현을 씁니다. 이론도 다 같지는 않아서 어느 것이 더 좋은지 말하는 데 몇 가지 기준을 생각할 수 있습니다. 예술품에서 “이 작품이 저 작품보다 좋다”는 평은 어떤 뜻인가요? 고등학교에서 미술 시간에 학생들 모두 같은 풍경을 그렸는데 미술 선생님께서 어떤 학생의 그림은 좋고 어떤 학생의 그림은 그에 비해 좋지 않다고 하셨다면 그 기준이 뭘까요? 더 아름답다고 느끼는 작품을 좋게 평하셨겠지요. 좋은 이론도 마찬가지입니다. 어느 것이 더 아름다운가 하는 문제라고 할 수 있어요. 그러면 그 기준이 무엇일까요? 정확성이라든가 보편성이라든가 다산성이라든가 하는 요소들을 생각할 수 있는데 핵심적인 것 두 가지만 설명하지요. 먼저 이론에서 임의 요소가 있는데 너무 많지 않아야 합니다. 임의 요소가 너무 많으면 이론의 의미가 없어지지요. 몇 가지의 임의 요소로만 출발하되 경험과 연결할 때 최대한 넓은 관측 결과를 설명할 수 있어야 합니다. 이것이 좋은 이론의 중요한 첫째 조건입니다. 관측을 통해서 감각 경험과 연결하는 것이 이른바 실증적 검증 과정인데, 이때 가능한 한 넓은 관측 범위를 설명할 수 있어야 한다, 그러니까 보편성이 클수록 좋다는 거지요. 다른 한 가지 조건은 관측 결과를 명확히 예측할 수 있어야 합니다. 다시 말해서 좋은 이론이 되려면 일어난 일에 대해 잘 설명하고 아직 일어나지 않은 일을 예측할 수 있어야 한다는 겁니다. 이것의 핵심은 앞에서 이야기한 반증가능성이지요. 결과를 명확히 예측했는데 실제로 관측하니 예측과 다르다면 반증이 되는 겁니다. 그런데 만약에 어떤 이론이 관측 결과를 명확히 예측하지 않고 “이럴 수도 있고 저럴 수도 있다”고 한다면 반증할 수 없을 겁니다. 그런 것은 반증가능성이 없으므로 좋은 이론이 될 수 없습니다. 여러분이 앞날을 기억(예측)하는 능력이 있다는 사람들에게 가서 미래에 어떤 일이 생기겠느냐고 물어본다고 합시다. 그런 사람들은 대체로 명확하게 말하지 않지요. 알 수 없는 말을 한참 하고 이럴 수도 저럴 수도 있다고 적당히 두루뭉수리 이야기하는데 그렇게 말하면 반증할 수 없지요. 나중에 이러니까 맞았다고 하는데 다르게 했어도 맞았다고 할 수 있습니다. 이는 명확하게 예측하지 않기 때문이고, 따라서 반증가능성이 없도록 만드는 거지요. 이런 것은 과학 이론이라 할 수 없어요. 이른바 ‘유사과학’, 더 확실하게는 ‘사이비과학’이라고 부르는 것들은 결국 이 두 가지 조건 중에 적어도 한 가지는 가지고 있지 못합니다. 실증적 검증이 되지 않거나 명확한 예측을 하지 못하거나 하지요. 사이비과학이냐 아니냐는 이를 잘 생각해 보면 어렵지 않게 판단할 수 있을 겁니다. 요새는 재미있게도 말로는 과학의 시대라서 여기저기마다 뒤에 과학을 붙이지요. 무슨 무슨 과학이라고요. 하기야 침대도 과학이라고 했으니까요. 대표적 예를 들기는 곤란하지만 여러 해 전에 ‘신과학’이라는 다소 모호한 것이 있었고, 최근에는 특히 황당해서 희극적으로 들리는 ‘창조과학’이라는 것도 횡행하고 있는데 그런 것이 사이비과학의 범주에 들어가는지 아닌지는 이 두 가지만 냉정하게 판단해 보면 알 수 있습니다. 좋은 이론이 되려면 넓은 범위의 관측 결과를 설명할 수 있어야 합니다. 다시 말해 보편성이 있어야 하는데, 따라서 과학의 발전이란 더 보편적인 이론 체계를 구성하는 과정이라 할 수 있겠네요. 고전역학의 역사를 살펴보면, 갈릴레이의 낙하의 법칙이라든가 관성의 문제 등에서 태동해서 이런 것들을 더 보편적인 이론 체계로 확장한 것이 뉴턴의 고전역학 체계라고 할 수 있습니다. 그런데 이를 더 보편적인 이론 체계로 확장한 것이 있습니다. 여러분도 많이 들어 봤을 아인슈타인의 상대성이론입니다. 그러니까 갈릴레이에서 뉴턴으로, 그리고 아인슈타인으로 가는 것이 바로 더 보편적인 이론 체계를 찾아가는 과정이라고 할 수 있지요.

아인슈타인의 상대성원리 고전물리학의 두 가지 요소로, 움직임을 다루는 고전역학과 전기와 자기, 빛을 다루는 전자기학을 지적했습니다. 그럼 전자기 현상은 어떨까요? 전자기 현상을 기술하는 법칙도 관측자에 따라 변하지 않고 같으면 좋겠지요. 다시 말해서 갈릴레이의 상대성원리가 역학 법칙뿐 아니라 전자기 법칙에도 적용되기를 바라게 됩니다. 그러면 더 보편적인 이론 체계를 추구하는 물리학자는 행복하다고 느끼지요. 실제로 어떤지 살펴볼까요. 간단한 전자기 현상을 생각해 봅시다. 정지해 있는 전하, 곧 전기를 띤 알갱이가 있으면 전기마당이 생깁니다. 여기에 다른 전하를 갖다 놓으면 전기의 부호에 따라 끌어당기거나 밀치게 되지요. 정지해 있는 전하가 자신의 주위 공간에 전기마당을 형성했고, 다른 전하는 그 전기마당에 놓여 있으므로 전기력을 받는다고 설명합니다. 한편 전하가 움직이는 경우, 곧 전류가 있으면 자기마당이 생깁니다. 이는 전기 이음줄에 전류를 흘려서 만드는 전자석을 보면 알 수 있지요. 전자석은 자기마당을 만들어 내고, 자기마당에 놓인 다른 자석 또는 전류에 자기력을 미치게 됩니다. 여기서 전하가 움직인다고 해서 전기마당이 생기지 않는 것은 아닙니다. 전기마당은 어차피 생기는데 움직이면 거기에 더해져서 자기마당이 또 생기므로, 결국 힘이 달라집니다. 이러한 추론은 매우 중요한 결론을 가져옵니다. 이 지우개가 전하라고 하면, 여러분이 볼 때는 이것이 정지해 있으니까 주위에 전기마당만 만들게 됩니다. 그런데 내가 움직이면서 보면 이 지우개는 뒤로 움직이니까 전류가 흐르는 거지요. 그러면 자기마당이 생깁니다. 그러니 여러분이 보면 전기마당만 있는데, 움직이면서 보는 나에게는 전기마당뿐 아니라 자기마당도 나타납니다. 놀랍게도 전자기 현상의 기술에서는 서로 등속운동을 하는 두 관측자가 다르다는 거네요. (예컨대 전자기마당에서 움직이는 전하가 받게 되는 전자기력, 곧 로렌츠힘이 두 관측자에게 다르게 나타납니다.) 이에 따라 갈릴레이의 상대성원리가 역학 법칙에는 성립하지만 전자기 법칙에는 성립하지 않는다고 결론을 내릴 수밖에 없습니다. “그런가 보다” 할 수도 있겠지만, 물리학자는 이런 상황에서는 행복하지 못합니다. 보편성이 없이 이것과 저것이 다르다는 결과는 우리가 자연현상에 대한 해석을 잘못하고 있는 것이 아닌가 하고 반성하게 만들지요. 그래서 본질적으로 아예 시간과 공간 같은 기본 개념을 잘못 이해하고 시작한 것이 아닌가 하는 생각을 한 사람이 바로 아인슈타인입니다. 아인슈타인이 뛰어나다고 하는 이유는 무모할 만큼 과감하게 생각했기 때문입니다. 고전물리학 체계를 잘 이해하고 있으면 거기에 대한 선입관념이 강할 테고 본질적으로 출발이 잘못되었으리라고 생각하긴 어렵습니다. 왜냐면 고전역학이 케플러 법칙처럼 일상적인 일들을 너무나 완벽하게 해석해 냈는데 어떻게 그걸 의심할 수 있겠어요? 이건 정말 어려운 일입니다. 갈릴레이가 당시 받아들여지던 낙하의 법칙 ─ 무거운 물체가 가벼운 것보다 먼저 떨어진다는 것 ─ 을 의심한 것만큼이나 힘들지요. 아인슈타인은 기존의 시간과 공간에 대한 이해에는 근본적 오류가 있고, 우리가 시간과 공간을 제대로 파악한다면 역학 법칙만이 아니라 전자기 법칙도 관측자에 관계없이 똑같으리라 생각했습니다. 그래서 “서로 등속운동 하는 관측자에게는 역학 법칙만이 아니라 전자기 법칙도 똑같다”고 전제했는데, 이는 결국 고전물리학의 모든 것이 같아야 한다는 말입니다. 따라서 요약하면 “서로 등속운동 하는 관측자는 동등하다”라고 표현할 수 있겠네요. 이것은 갈릴레이의 상대성원리를 확장한 것으로 아인슈타인의 상대성원리, 더 정확하게는 특수상대성원리라고 부릅니다. 동등하다는 말은 모든 자연현상의 해석이 같아야 한다는 것이며, 모든 물리법칙이 동일하다는 뜻입니다. 지금은 상대성원리라면 보통 이것을 가리키지요.

쌍둥이 역설 우주여행을 하고 오면 젊어진다는 이야기를 들었나요? 우주선을 타고 빨리 달리면 시간이 천천히 흐르니까 지구에서 볼 때 10년이 흘렀는데 우주선에서는 1년밖에 흐르지 않았다는 겁니다. 그런데 이는 그리 간단한 문제가 아닙니다. 왜 그러냐면 상대성이론에서는 말 그대로 운동이 상대적입니다. 우리가 지면에서 봤을 때 기차가 움직이지만 기차에서 보면 지면에 있는 우리가 움직이는 겁니다. 마찬가지로 우리가 지구에서 보면 우주선이 움직여 가지만 우주선에서 봤을 때는 우리가 움직이는 거지요. 따라서 우주선에 탄 사람이 볼 때는 우주선 안에서 시간이 빨리 가고 지구에서 오히려 시간이 천천히 갑니다. 결국 10년에 걸친 우주여행을 마치고 돌아와 보니 지구에서는 1년밖에 지나지 않을 수 있겠네요. 그런데 아무튼 실제로 돌아와서 보면 어느 쪽인가는 더 젊어 있을 겁니다. 그럼 누가 더 젊고 누가 더 늙어 있을까요? 쌍둥이인 갑순이와 을순이가 있는데, 갑순이는 지구에 남고 을순이가 우주선을 타고 멀리 갔다가 돌아왔습니다. 두 사람 중에 누가 더 나이를 먹었을까요? 갑순이가 볼 때는 을순이가 멀리 갔다 온 것이지만 을순이가 볼 때는 갑순이가 멀리 갔다 온 겁니다. 결국 상대적인데 누가 더 젊고 누가 나이를 더 먹었겠어요? 이는 매우 유명한 문제인데 ‘쌍둥이 역설’이라고 부릅니다. 상대성이론에는 이러한 역설이 많습니다.

상대론과 예술 어린애는 책상을 보통 어떻게 그리죠? 책상 다리가 네 개 있지만 안쪽에 있는 다리는 잘 안 보입니다. 어른들은 보이는 대로 그리니까 보이지 않는 안쪽의 다리는 그리지 않는데 어린애들은 그것을 옆으로 튀어 나오게 그려서 있는 것을 확실하게 보여 줍니다. 이는 한 점에서 보이는 대로 그린 것이 아니라 여러 점에서 본 것을 종합해서 그린 겁니다. 위의 그림도 어린애들이 그리듯이 여러 방향의 시각으로 본 겁니다. 시점을 한 점으로 고정해서 그리지 않았다는 뜻이지요. 피카소가 처음부터 이렇게 그린 것이 아닙니다. 젊을 때, 이른바 푸른색 시대의 작품은 사실적인 그림이 많은데 후대로 가면서 추상적인 그림을 그렸습니다. 왜 어린아이처럼 그리는지 묻자 피카소는 “이렇게 어린아이처럼 그리는 데 50년이 걸렸다”고 대답했다고 합니다. 50년 동안 공부를 한 후에야 비로소 사물의 본성을 그릴 수 있게 되었다는 말이지요. 그 전까지 서양미술의 주류는 사물을 그리는 데 원근법을 이용했습니다. 먼 것은 작게 그리고 가까운 것은 크게 그리는데, 멀리 있는 것이 실제로 작은 것은 아니니까 이는 사실 눈속임이라 할 수 있습니다. 따라서 피카소는 원근법으로는 사물의 진정한 본성을 표현할 수 없다고 믿었습니다. 보는 시점을 한군데로 고정하지 않고 여러 군데에서 봐야 사물의 진정한 본성을 표현할 수 있다고 생각했지요. 상대성이란 개념이 느껴지는 듯합니다. 이에 따라 여러 화점에서 관찰하고 이를 재구성해서 표현한 작품이 바로 위의 그림입니다. 서양은 20세기 들어와서야 이러한 의미를 생각했는데 동양은 어땠을까요? 조선 시대의 화가 겸재 정선을 알지요? 그림 12-15는 겸재의 금강전도입니다. 보다시피 어느 한 지점에 화점을 놓고 그린 것이 아니라, 여러 군데의 화점에서 그렸지요. 이러한 한국화 기법을 삼원三遠이라고 하는데 높고(고원), 깊고(심원), 평평한(평원) 지점, 적어도 세 군데의 성격이 다른 화점을 잡아서 그린다고 합니다. 이렇게 해야 실제 본성에 가깝게 표현할 수 있다고 믿은 거지요. 겸재 정선이 18세기 초에 그린 그림이니 피카소보다 200년가량 앞섰네요.

양자역학의 관점 이것을 실제로 확인하기 위해서 데이비슨과 거머가 전자의 에돌이 실험을 수행했고 빛의 경우와 같은 결과를 얻었습니다. 전자도 빛과 마찬가지로 에돌이를 한다는 사실을 확인한 것이지요. 앞에서 논의한 영의 겹실틈 실험에서 빛 대신에 전자를 써도 역시 간섭무늬를 얻게 됩니다. 전자 같은 알갱이도 파동 성질을 지닌다는 이른바 파동-알갱이 이중성이 확증된 겁니다. 파동-알갱이 이중성이란 언제나 파동과 알갱이의 성질을 같이 가졌다든지, 그 중간이라든지 하는 뜻이 아닙니다. 상황에 따라서 어떤 경우에는 파동처럼 거동하고 어떤 경우에는 알갱이로서 거동하는 겁니다. 예를 들어 겹실틈에 전자를 보내면 두 실틈 중에 어느 쪽으로 지나갈까요? 전자를 1만 개쯤 보내면 대략 5000개는 한쪽, 5000개는 다른 쪽으로 가겠지요. 그런데, 각 전자가 어디로 가는지 확인해 보겠습니다. 전자를 보내면서 두 실틈 중 어느 쪽으로 지나갔는지 눈에 불을 켜고 열심히 쳐다보면 놀랍게도 간섭무늬가 사라집니다. 이렇게 위치를 측정하면 전자는 더는 파동의 성질을 가지지 않고 완전히 알갱이처럼 행동합니다. 그런데 위치를 측정하지 않으면, 다시 말해서 전자가 어디로 갔는지 쳐다보지 않으면 전자는 파동처럼 행동합니다. 우리가 측정하면 각 전자는 이쪽이나 저쪽 중에 한쪽으로 갔습니다. 그러나 쳐다보지 않으면 파동처럼 거동해서 이리로도 가고 저리로도 간다고 여길 수 있습니다. 다시 강조하는데 ‘우리가 측정하지 않았기 때문에 모를 뿐이고 실제로는 어느 한쪽으로 간 것이다’가 아니라는 말이지요. 이것을 다음과 같이 비유합니다. 그림 13-3에서처럼 겨울 스키장에서 누군가 스키를 타고 내려온 자국이 있습니다. 두 발로 타니까 눈에 나란히 두 짝의 스키 자국이 나 있습니다. 내려오다 보니 높은 고목나무가 하나 있네요. 그런데 눈에 스키 자국이 나무 양옆으로 한 짝씩 나 있습니다. 이 사람은 나무 어느 쪽으로 지나간 걸까요? 지나갈 때 봤다면 어느 한쪽으로 지나갔겠지요. 그러나 보지 않았다면 양쪽으로 지나가서 다시 합쳐진 셈입니다. 이것이 이제 논의할 양자역학의 관점입니다.

베이스추론 베이스추론을 보여 주는 보기로서 야바위꾼 문제 ─ 원래는 미국 텔레비전 프로그램에 소개된 몬티 홀 문제 ─ 를 소개하지요. 야바위꾼이 좌판에 밥주발을 3개 엎어 놓았는데 그중에 어느 하나에 주사위가 숨겨져 있습니다. 주사위가 어느 주발에 있는지 돈을 걸고서 맞추라고 제안합니다. 예컨대 1000원을 걸고 시도하는데 틀리면 이 돈을 뺏기지만, 맞추면 5000원을 받습니다. 아무것도 모르면 밥주발 3개 중에 어느 하나에 있을 확률은 1/3로 여기게 되겠지요. 아무런 정보가 없으므로 확률분포는 균일하다고 간주하는 것이 베이스추론입니다. 그런데 우리가 돈을 걸고서 1번 주발을 선택했다고 합시다. 그러자 야바위꾼은 1번은 보여 주지 않고 대신에 2번을 뒤집어 주사위가 없음을 보여 준 다음에 바꿀 기회를 줍니다. 1번을 선택했지만 원하면 3번으로 바꿀 기회를 주겠다고 합니다. 이 경우에 어떻게 하는 편이 좋을까요? 1번을 고수하는 것과 3번으로 바꾸는 것 중에 어느 것이 유리할까요? (물론 야바위꾼이 사기를 치지 않는다는 전제에서 논의합니다.) 처음에는 아무런 정보가 없었으므로 1, 2, 3번 모두 같은 확률로서 각각 1/3이었습니다. 그런데 2번은 확률이 0이라는 새로운 정보를 얻었으므로 전체 확률분포는 바뀝니다. 얼른 생각하면 남은 1번과 3번이 동등하므로 확률은 각각 1/2로 같을 듯하네요. 그렇다면 1번을 고수하거나 3번으로 바꾸거나 확률은 아무런 차이가 없을 것입니다. 그러나 사실은 그렇지 않습니다. 만일 주사위가 1번 밥주발 안에 있었다면 야바위꾼은 2번이나 3번 중에 아무거나 하나를 보여 줬을 것입니다. 이 경우의 확률은 1/3이지요. 만일 주사위가 (1/3의 확률로) 2번에 있었다면 야바위꾼은 필연적으로 3번을 뒤집어 보여 주었을 테고 반대로 주사위가 (역시 1/3의 확률로) 3번에 있었다면 필연적으로 2번을 보여 주었겠고 이러한 경우에는 다른 선택의 여지가 없습니다. 따라서 2번을 뒤집어 보인 후에는 3번에 있을 확률은 원래 3번에 있을 확률에 2번에 있었을 확률이 더해지게 되어 2/3가 됩니다. 반면에 1번에 있을 확률은 바뀌지 않으므로 처음과 같이 1/3이지요. 결국 2번에 없다는 정보를 얻으면 2번이 지녔던 1/3의 확률을 남은 1번과 3번이 반씩 나눠 갖는 게 아니고, 3번에 몰아주어서 확률을 2/3로 높이는 것이 올바른 베이스추론입니다. 따라서 3번 밥주발로 바꾸는 편이 확률적으로 유리하다는 결론이 얻어지네요.

불어나는 우주 일반상대성이론이 이론적 우주론의 바탕이라고 지적했지요. 이러한 우주론적 원리를 전제하고 일반상대성이론의 마당방정식을 풀면 우주의 모형을 얻을 수 있습니다. 일반적으로 우주 자체는 움직이지 않고 멈춰 있다고 생각했는데, 이러한 정지우주는 사실은 불안정합니다. 우주에는 은하를 비롯한 물질이 분포되어 있는데 그런 물질은 중력이 작용하므로 서로 끌어당깁니다. 그러면 우주가 가만히 멈춰 있을 수 없습니다. 서로 끌어당기니까 결국 한곳으로 모여들게 되겠네요. 상식적으로 생각해도 우주는 가만히 있을 수 없습니다. 일반상대성이론에서도 멈춰 있는 우주는 불안정한데 이 때문에 아인슈타인은 우주상수를 집어넣어서 우주가 멈춰 있도록 만들었습니다. 여기서 우주상수는 서로 당기는 중력에 대응해서 마치 서로 미는 힘을 주는 셈이지요. 그러나 현재 우주는 멈춰 있지 않고 불어나고 있다고 생각합니다. 이러한 팽창우주의 근거가 지난 강의에서 다룬 빨강치우침의 관측입니다. 멀리 떨어진 천체에서 오는 빛의 빛띠를 분석해 보면 파길이가 원래보다 길어져 있음을, 곧 빨간빛 쪽으로 치우쳐 있음을 관측했지요. 도플러효과로 해석하면 천체가 우리에게서 멀어져 가고 있는 것이므로, 결국 우주가 불어나고 있다는 뜻입니다. 이른바 팽창우주가 성립이 되었지요. 사실은 허블이 빨강치우침을 관측하기 전에 이미 프리드만과 (가톨릭 사제였던) 르메트르는 일반상대성이론의 마당방정식으로 우주가 불어날 수 있음을 보였고, 앞으로 어떻게 펼쳐질 것인지에 대한 가능성을 논의했습니다. 그러니 이론적으로 일반상대성이론이 팽창우주를 뒷받침하고 있고, 관측에서도 빨강치우침이 팽창우주를 보여 준다고 할 수 있습니다. 여기서 우주가 불어난다는 의미를 혼동하기 쉽습니다. 예를 들어 현재 우주가 공 모양이고 그 반지름이 계속 늘어나고 있다고 생각할 수 있지요. 그런데 공의 안쪽이 우주라면 그 바깥은 무엇인가 하는 질문을 던질 수 있습니다. 아무것도 없고 비어 있어요? 물질이 없는 빈 공간인가요? 그렇지 않습니다. 바깥에는 물질만 없는 것이 아니라 공간 자체도 없습니다. 우주가 불어난다는 것은 공간이 늘어나고 있음을 뜻합니다. 바깥에 빈 공간이 있어서 우주가 그쪽으로 점점 확장해 들어가는 것이 아니고 공간 자체가 새롭게 생겨나고 있는 겁니다. 풍선을 불어서 늘어나는 것을 우주 팽창에 비유할 때, 풍선의 부피가 불어나는 것이 우주가 불어나는 것에 해당한다고 생각하기 쉬우나, 이 비유에서 우주는 풍선의 안쪽이 아니라 풍선의 겉면입니다. 곧 우주를 2차원으로 나타낸 것이지요. 풍선을 불면 겉면이 어떤 식으로 늘어나죠? 바깥에 비어 있던 공간을 겉면이 차지하는 것이 아니라 없던 면이 생겨나게 됩니다. 곧 공간 자체가 늘어납니다. 우주가 불어나는 것도 마찬가지입니다. 우주 바깥에 바탕이 되는 빈 공간이 있어서 이를 우주가 점점 채워 가는 것이 아니고, 공간은 우주가 전부인데 공간 자체가 계속해서 새롭게 만들어지고 있는 거지요.

복잡계의 관점으로 본 인공지능 우리 사회에서 커다란 충격을 가져온 알파고 이래 인공지능은 인류의 앞날에 대해서 극과 극으로 엇갈리는 전망을 가져왔습니다. 장밋빛 낙원의 희망과 잿빛의 암울한 우려를 함께 제시하면서 엄청난 관심을 불러일으켰지요. 이에 대해 제대로 이해하고 대처하기 위해서는 먼저 지능의 본질부터 정확히 알아야 할 것입니다. 지능이란 무엇인가요? 정의하기 어려우나 지능이란 일단 복잡계 현상입니다. 이러한 지능을 지닌 두뇌를 환원론에 입각한 기계처럼 간주하는 것은 위험성을 지니고 있습니다. 이는 인공지능을 지닌 기계에 대해서도 마찬가지로 성립합니다. 따라서 기계가 사람처럼 되는 것을 두려워할 필요는 없다고 생각합니다. 거꾸로 우려되는 점은 복잡계의 총체론적 관점에서 인식해야 하는 사람을 환원론적 관점에서 기계처럼 인식하는 것이지요. 이는 깊은 사유를 불가능하게 하고 존재의 소외를 가져올 위험이 크고, 결국 인류의 삶의 질을 저하시키고 인간성의 파멸을 초래하게 될 것이기 때문입니다. 우리는 인류 역사에서 유례가 없는 시대에 살고 있습니다. 인류는 과학의 발전과 기술의 산업화로 한 차원 높은 세계로 올라갈 수도 있고, 아니면 파멸의 길로 갈 수도 있습니다. 이러한 상황에서 현대인은 막중한 시대적 사명을 지니고 있으며, 여기서 과학에 대한 인식은 매우 중요합니다. 특히 과학의 올바른 활용을 위해서 과학은 사회 전체의 공유물이 되어야 하며, 사회의 모든 구성원이 과학에 대한 깊은 관심과 이해를 가져야 하겠습니다. 이는 단순히 과학 지식이 아니라 편협한 실증주의를 넘어서는 진정한 합리주의로서의 과학적 사고를 뜻합니다. 나아가 과학과 삶에 새로운 의미를 부여하고 인간과 세계에 대해 스스로 성찰하는 지혜의 수준, 이른바 온의식에 도달하기 위해서는 과학과 사회, 그리고 인문학의 만남은 매우 중요합니다. 이는 환원의 관점에서 또 다른 경계를 만드는 것이 아니라 경계 넘기에서부터 경계 허물기로 나아가는 방향이어야 합니다. 이러한 인식에서 볼 때 복잡계 관점은 통합과학, 나아가 통합학문의 보편적 접근 방법으로 알맞으리라 기대합니다. — 본문 중에서

출판사 리뷰

최근에 젊은 소장파 과학자들이 과학을 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 과학 책을 많이 냈다. 그러나 한국의 최정상급 과학자가 일반인을 위한 교양 물리학 책을 내는 것은 흔한 일이 아니다. 많은 노력과 시간이 필요하지만 그에 비해 학문 세계에서 큰 보상이 따르지 않는 작업이기 때문이다. 이 책의 저자인 서울대학교 물리천문학부 최무영 교수는 한국의 노벨상이라 일컫는 한국과학상을 수상하고 국제 학술지에 230여 편의 논문을 실어 세계적 명성을 얻은 최정상급 물리학자인데도 많은 시간과 노력을 투자해 이 어려운 일을 해냈다.

이 책은 최무영 교수가 자연과학을 전공하지 않는 학생들을 대상으로 2002~2005년에 한 강의를 바탕으로 만들어졌다. 과학의 진정한 의미를 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 쓴 교양 물리학 입문서이면서도 협소한 주제만 앙상하게 다루거나 피상성의 함정에 빠지지 않았다. 이 책은 고전역학, 양자역학, 상대성이론뿐 아니라 21세기의 최신 주제인 혼돈, 복잡계, 엔트로피, 우주의 탄생과 진화, 생명현상까지 물리학의 모든 주제를 다뤘다. 또 과학이 무엇이고 어떻게 사회와 영향을 주고받는지, 과학적 사고와 활동이란 무엇인지, 과학과 기술의 관계 같은 문제를 살펴보며 과학이 인간에게 주는 진정한 의미가 무엇인지를 고민하게 해 준다. 이렇게 방대한 내용을 그 정수만 뽑아서 한 권의 책에 담아냈다는 것은 놀라운 일이다.

2008년 「프레시안」에 연재돼 뜨거운 호응을 얻었고 초판이 출간되자마자 자연과학 분야 베스트셀러 1위에 올랐다. 한국과학창의재단 우수 과학 도서, 아시아태평양이론물리센터 올해의 과학 도서, 《과학동아》 올해의 과학 책, 대한출판문화협회 올해의 청소년 도서, 한국간행물윤리위원회 청소년 권장 도서, 대한민국학술원 우수 학술 도서 등 각종 상을 휩쓸었다. 이번 전면 개정판은 물리학 교과서로도 부족하지 않도록 물리학의 핵심 개념과 의미를 처음부터 끝까지 놓치지 않고 최대한 담아냈으며 최근의 연구로 얻은 새로운 결과들도 소개했다. 저자가 스스로 밝혔듯이 “30여 년 동안 물리학을 가르치면서 비로소 깨닫게 된 내용도 담고 있어서 실제로 물리학을 전공한 사람에게도 새로운 시각을 보여 줄 수 있으리라 기대한다.”

학생의 질문과 교수의 답변이 오가는 강의식으로 구성돼 있어 마치 강의를 직접 듣는 느낌으로 읽을 수 있다. 저자는 “물리학에서 논리적 사고와 더불어 중요한 요소는 자유로운 상상력”이라는 평소의 견해대로 철학, 문학, 인문학, 예술 등 여러 분야를 넘나들며 물리학 원리를 설명한다. 또 어려운 외국어 용어들을 우리 토박이말로 바꿔 쉽고 친근하게 표현했다. 해학과 재치가 어우러진 강의를 따라가다 보면 어느새 과학이 독자들 곁으로 친근하게 다가와 있을 것이다.

개정판을 내면서

여는 글 : 서문

13강 양자역학

양자역학의 배경 | 양자역학의 기본 개념 | 양자역학의 형식 | 양자역학의 내용

14강 측정과 해석

4부 혼돈과 질서

5부 거시현상과 엔트로피

6부 우주의 구조와 진화

7부 복잡계와 통합적 사고

읽을거리

찾아보기

Related-Notes

References

마지막 수정일자 2024-09-30

#물리학 시간을 정복한 남자 류비셰프 (1974) - 시간 통계 기록

최무영 (2019) 물리학 강의 #개념서

저 : 최무영

책소개

책 속으로

출판사 리뷰

추천평

개정판을 내면서

여는 글 : 서문

목차

1부 과학과 물리학

1강 과학이란 무엇인가

2강 과학적 지식

3강 과학의 발전과 시대정신

4강 물리학의 분야

2부 물질의 구성 요소

5강 물질과 원자

6강 기본입자와 쿼크 이론

7강 물리법칙의 대칭성

3부 자연현상의 역학적 기술

8강 고전역학

9강 전자기이론

10강 공간과 시간

11강 특수상대성이론