물리의 정석: 고전 역학 편

호킹을 이긴 위대한 물리학자의 진짜 물리학 ★ 스탠퍼드 대학교의 명강을 완벽 수록 (유튜브 누적 조회수 1000만 회) ★ 《월 스트리트 저널》 선정 ‘최고의 책’ 파인만의 『물리학 강의』를 잇는 21세기의 필수 교양 올해 7월 유럽 입자 물리 연구소의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHC) 실험을 통해 새로운 입자가 발견되었다. 물리학자들은 이 입자가 우주의 4가지 기본 힘 중 하나인 강력 연구에 새로운 지평을 열어 줄 것이라 기대하고 있다. 힉스 입자에 이어 5년 만에 우주의 비밀을 풀어 줄 새로운 열쇠를 발견한 대형 강입자 충돌기는 둘레 27킬로미터, 연구 종사자 1만 명 이상의 규모를 자랑하는 ‘거대 과학’의 상징이다. 특히 입자 가속기 신규 건설 계획 발표는 천문학적 수치의 자본을 수반하는 물리학 연구들이 빠르게 보편화되고 있다는 사실을 말해 준다. 이러한 변화 속에서 물리학은 어느덧 현대인의 필수 교양이 되어 가고 있다. 이는 교육 과정에도 영향을 미쳐 2018년 융합형 과학 교육이 실시됨에 따라 문·이과 구분 없이 모든 수험생들이 과학 교과에 대비해야 한다. 게다가 2021학년도부터 실시되는 대학 수학 능력 평가에서는 과학 탐구 영역과 별개의 시험 과목으로 ‘통합 사회·통합 과학’이 추가되는 만큼, 과학 교육의 비중은 점점 더 늘어날 것이다. 그중에서도 물리는 탄탄한 수학 실력이 함께 요구되는 한편, 통섭의 시대상을 반영한 빅 히스토리 교육의 첫 장을 장식하고 있기도 하다. 따라서 과학 초심자와 수험생은 물론 기존의 ‘수포자’까지도 포괄할 수 있는 물리 입문서가 필요한 시점이다. 이미 20세기 서구 사회는 리처드 파인만(Richard Feynman), 칼 세이건(Carl Sagan), 그리고 레너드 서스킨드(Leonard Susskind) 등 정상급 물리학자들의 대중 강연을 통해 교양 물리 열풍을 경험한 바 있다. 특히 끈 이론의 대가이자 ‘블랙홀 전쟁’을 통해 스티븐 호킹(Steven Hawking)을 논파했던 레너드 서스킨드는 유튜브 채널 SITP(Stanford Institute for Theoretical Physics)에서 지금까지도 꾸준히 일반인을 위한 물리 강의를 제공하고 있다. 누적 조회수 1000만 회에 이르는 그의 유튜브 강의 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」은 고전 역학, 양자 역학, 특수 상대성 이론 등 모든 물리 분야에서 정수만을 추출해 모은 결정체로서 각광받고 있다. 특히 고전 역학 편은 미국에서 교양 학습서 『최소한의 이론(The Theoretical Minimum)』으로 출간되어 《월 스트리트 저널(Wall Street Journal)》 2013년 ‘최고의 책’으로 선정되는 등 수많은 매체들의 찬사와 독자들의 사랑을 받아 왔다. 또한 양자 역학, 특수 상대성 이론 등 후속 편들의 잇따른 출간과 흥행은 서스킨드 강의에 대한 꾸준한 수요 증가를 보여 준다. 이제 이것은 교양으로서, 그리고 시험 대비 과목으로서 물리 교육 열풍이 불고 있는 국내 과학 출판 시장에서도 더 이상 예외가 아니다. 이번에 ㈜사이언스북스에서 새롭게 펴낸 『물리의 정석: 고전 역학 편』은 서스킨드의 『최소한의 이론』을 국내에서 유일하게 번역한 책이다. 한국어판의 제목은 바둑 용어 중 공격과 수비가 균형 잡힌 최선의 수(手)를 뜻하는 정석(定石) 개념을 빌려온 것으로, 서스킨드의 ‘최소한의 이론’과 일맥상통한다. 나아가 원서의 수식과 그래프의 오류를 바르게 고쳐 보완했다. ㈜메가스터디 스타 강사 출신의 이범 교육 평론가, 대중이 사랑하는 과학 커뮤니케이터 김상욱 부산 대학교 교수 등이 극찬한 만큼, 물리를 처음부터, 혹은 다시 한번 제대로 배우려는 수험생과 대학생, 일반인에게 최고의 책이 될 것이다. 한편 저명한 물리학자이자 과학 필자인 이종필 건국 대학교 교수가 번역했다는 사실은 기존 물리 입문서들보다 정확하고 뛰어난 내용 수준을 보증한다. 이미 서스킨드의 다른 책 『블랙홀 전쟁(The Black Hole War)』을 번역 출간한 바 있는 이종필 교수와 서스킨드의 새로운 합작품을 기대해 보아도 좋다. 스탠퍼드 대학교의 수재들과 과학 마니아들이 선택한 물리 강의 첫 번째! 최소한의 이론은 여러분이 다음 단계로 나아가기 위해 꼭 알아야만 하는 것을 뜻할 뿐이다. 모든 것을 설명하는 백과사전식의 두꺼운 교과서가 아니라 중요한 것들은 모두 설명하는 얇은 책이다.―레너드 서스킨드, 「서문」에서 보통 일반인을 대상으로 하는 강의에서는 (특히 한국에서는) ‘최대한 쉽게’가 가장 중요한 미덕이다. 교양 과학책 또한 마찬가지이다. 하지만 이 책은 온갖 수식들로 가득하다. 서스킨드가 일반인을 위한 물리학 강의를 ‘수학을 써서 제대로’ 했기 때문이다.―이종필, 「옮긴이의 글」에서 스탠퍼드 대학교 물리학과 교수로 재직 중인 레너드 서스킨드는 현대 이론 물리학계를 주도하고 있다. 입자의 기본 단위를 점이 아닌 끈으로 가정해 양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합을 시도하는 끈 이론의 아버지로 평가받고 있다. 또한 블랙홀 상보성의 원리와 홀로그래피 이론 등을 통해 스티븐 호킹을 논파하기도 했다. 궁극의 이론을 향해 거침없이 전진하는 동시에 물리 대중화를 위해 끊임없이 고민한 그의 결론이 바로 이 책이다. 이 책은 현대 물리학의 양대 산맥인 양자 역학과 상대성 이론에 모두 통달한 물리학자가 대중을 자신의 세계로 초대하기 위해 보내는 안내서이다. 꼭 알아야만 하는 ‘최소한의 이론’을 학습함으로써 누구라도 현대 물리학의 세계로 향하는 첫 걸음을 내딛을 수 있다. 『물리의 정석: 고전 역학 편』은 장차 양자 역학, 특수 상대성 이론을 포함해 총 6편으로 출간될 『물리의 정석』 시리즈의 첫 번째 책이다. 물질의 이중성과 불확정성이 중요한 미시 세계의 양자 역학이나, 시간의 동시성이 깨지는 거시 세계의 상대성 이론과 달리 우리 일상 세계를 다루는 고전 역학은 독자들이 비교적 친근하게 다가갈 수 있을 것이다. 위치나 속도 등 관찰 대상의 운동 상태를 시간에 따른 함수로 만들어 미래를 예측하고자 했던 인류의 오랜 시도는 18세기 영국의 물리학자 아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 운동 법칙을 통해 결실을 맺었다. 물, 불, 흙, 공기 등 물질에 내재적인 성질을 부여하거나 지상계와 천상계의 운동을 근본적으로 구분하는 방식으로 자연 현상을 설명했던 이전의 자연 철학자들과 달리 뉴턴은 하나의 간결한 방정식 F = ma를 통해 세상 만물의 움직임을 설명했다. 자연 현상을 수학으로 정확하게 해석하는 고전 역학이 탄생하는 순간이었다. 이후 물리학의 급격한 발전은 근대 과학 문명을 탄생시키는 등 인류 역사에 지대한 영향을 미쳤다. 20세기 들어 양자 역학과 상대성 이론이라는 더 정확한 이론이 탄생했지만, 양자 역학의 플랑크 상수를 0으로, 상대성 이론의 빛의 속도를 무한대로 근사하면 결국 고전 역학이 된다는 대응 원리가 밝혀짐으로써 현재까지도 고전 역학은 물리학의 중추로 평가받고 있다. 물리학과 과학 기술 시대 전반을 이해하기 위한 출발점이 고전 역학이 될 수밖에 없는 이유다. 끈 이론의 창시자에게 직접 듣는 물리학의 정석(定石)! 이 책에서 우리는 다양한 양들이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 주로 다룰 것이다. 고전 역학의 대부분은 시간이 연속적으로 변함에 따라 부드럽게 변하는 것들을 다룬다. 연속적인 변화에 수학적으로 대처하기 위해 우리는 미적분이라는 수학을 사용한다.―본문에서 최소 작용의 원리는 물리학의 고전 법칙에서 가장 간결한 형태이다. 이 단순한 규칙이 모든 것을 요약한다! 고전 역학의 원리뿐만 아니라 전자기학, 일반 상대성 이론, 양자 역학, 화학에 대해 알고 있는 모든 것, 그리고 물질의 알려진 궁극적 구성 요소인 기본 입자에 이르기까지 그