머리말
서언: 물리학은 어떤 학문일까?

1장 고대 물리학
1. 아리스토텔레스의 『자연학』
2. 알렉산드리아 시대의 물리학
3. 지구중심설의 성립
4. 임페투스 이론
5. 과학혁명을 준비하는 중세 유럽

2장 천문학 혁명
1. 코페르니쿠스의 태양중심설
2. 브라헤의 관측자료와 케플러의 행성운동법칙
3. 갈릴레이의 망원경 관측과 역학 연구

3장 역학혁명을 위한 전주곡
1. 실험을 중요시한 프랜시스 베이컨
2. 데카르트의 『방법서설』과 해석기하학
3. 진공과 대기압의 발견

4장 근대 과학의 기초가 된 뉴턴역학
1. 뉴턴의 일생
2. 운동법칙과 중력법칙
3. 뉴턴역학의 발전
5장 광학의 성립과 발전
1. 빛에 대한 초기 이론들
2. 입자설과 파동설
3. 빛의 속력 측정

6장 전기학에서 전자기학으로
1. 전기에 대한 이해의 발전
2. 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
3. 전류의 자기작용과 전자기 유도
4. 맥스웰 방정식과 전자기파

7장 열기관의 발전과 열역학의 성립
1. 전기에 대한 이해의 발전
2. 열소설과 운동설
3. 열역학 제2법칙과 엔트로피

8장 상대성이론과 시공간에 대한 새로운 이해
1. 물리학에 나타난 불협화음
2. 특수상대성이론
3. 일반상대성이론
4. 상대성이론의 증명

9장 양자역학과 원자
1. 원자론의 성립과 붕괴
2. 여러 가지 원자모형
3. 양자역학의 성립
4. 양자역학의 응용

10장 원자핵과 핵에너지
1. 양성자와 중성자의 발견
2. 원자핵의 에너지 구조와 방사성 붕괴
3. 인공 핵분열과 원자폭탄
4. 핵융합 반응의 발견과 핵융합 에너지의 이용

11장 입자의 세계
1. 입자 가속기와 검출 장치의 발전
2. 소립자들의 발견과 분류
3. 입자들 사이의 상호작용

12장 카오스에 대한 새로운 이해
1. 비선형 동역학계와 나비효과
2. 프랙탈 구조와 자기 유사성

참고문헌
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곽영직

서울대학교 자연과학대학 물리학과를 졸업하고, 미국 켄터키대학교에서 박사학위를 받은 후 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연과학대학장, 대학원장 등을 역임했다. 『세상을 바꾼 열 가지 과학혁명』, 『인류 문명과 함께 보는 과학의 역사』, 『토머스 쿤의 《과학혁명의 구조》 읽기』, 『칼 세이건의 《코스모스》 읽기』, 『하이젠베르크의 《부분과 전체》 읽기』 등 다수의 과학 해설서를 펴냈고, 『오리진』, 『빅뱅』 등 다수의 과학책을 번역하였으며, 『왜 땅으로 떨어질까?』를 비롯한 다수의 어린이용 과학책을 저술했다.

고대 그리스 철학자에게서 발견하는 물리학의 연원

물리학이란 무엇인가? 물리학은 자연을 이루는 가장 기본적인 구성 요소가 무엇인지, 이 요소들이 어떤 방식으로 상호작용하여 자연현상을 발생시키는지 연구하는 학문이다. 인류는 오래전부터 자연현상에 관심을 두었는데, 기원전 6세기경으로 거슬러 올라가면 고대 그리스의 자연철학자들이 자연현상의 원인을 찾으려고 시도한 흔적들을 발견할 수 있다.
세상을 이루는 기본적인 요소로 여겨졌던 아르케(arche)를 추적하면서 시작된 고대 물리학은 철학자 아리스토텔레스의 『자연학』을 통해 완성된다. 여덟 권으로 구성된 『자연학』은 자연현상과 관련한 아리스토텔레스의 강의노트와 저술을 편집한 저작이다. 이 저작의 구성을 들여다보면 고대 그리스 철학자들이 자연을 어떻게 인식했고, 어떤 방법으로 연구했는지에 관한 단초를 발견할 수 있다.
현대 물리학의 관점에서 보면 『자연학』에 기록된 아리스토텔레스의 주장은 대부분 올바른 과학적 사실이 아니다. 따라서 근대와 현대 물리학을 다루는 교과서에서는 『자연학』의 내용을 다루지 않는다. 그러나 근대 물리학은 아리스토텔레스가 집대성한 물리학의 내용을 비판하고 부정하는 과정을 통해 성립되었기 때문에, 물리학의 역사와 현대 과학을 올바로 이해하기 위해서라도 아리스토텔레스의 물리학을 제대로 짚어 보아야만 한다.
명멸의 순간을 거듭하는 물리학,
혁명의 변곡점에 도달하다

4세기에 기독교를 국교로 공인한 로마는 기독교 교리와 상충하는 고대 그리스의 철학과 과학을 철저하게 배제했다. 그 결과 서유럽에서 철학과 과학은 11세기까지 오랜 침체기를 겪는다. 그러나 십자군 전쟁 이후 이슬람 국가로부터 아랍 세계에 보존되어 있던 고대 그리스 철학과 과학 저술들이 다시 유럽으로 들어오면서, 스콜라 철학자들이 아랍어로 번역된 그리스 저작들을 라틴어로 번역하기 시작했다. 이로써 아리스토텔레스를 비롯한 고대 철학자들의 사상이 기독교 신학에 도입되었다.
그러나 기존의 그리스 이론들을 비판하며 새로운 학설을 제시했던 학자들은 전통과 기독교 교리와 부합하지 않는다는 명목으로 기독교도들에게 극심한 탄압을 받는다. 죽음의 위협을 감수하고 전통에 맞섰던 과학자들은 새로운 대안으로 대중을 설득하여 과학혁명을 이룩해 낸다.

아리스토텔레스의 역학에서
뉴턴역학으로의 이행

12세기에 이르러 유럽 학자들은 고대 그리스 학문을 새롭게 발견했고, 고대 그리스의 과학 이론들을 진리처럼 받들었다. 그러나 16세기 영국 철학자 프랜시스 베이컨은 아리스토텔레스의 『자연학』을 향해 진리의 발견을 방해하는 우상이라고 격렬한 어조로 비판했다. 베이컨에게 아리스토텔레스의 『자연학』은 그저 상상을 통해 얻은 체계에 경험을 꿰맞춘 이론일 뿐이었다. 이처럼 베이컨은 아리스토텔레스 과학의 잔재를 치움으로써 뉴턴역학으로 이행하기 위한 기틀을 마련했다.
동시대 프랑스의 철학자 르네 데카르트는 세상이 형이상학적 영역에 속하는 정신과 역학법칙의 지배를 받는 물질로 이루어졌다고 보았다. 그가 바라본 자연은 역학적 인과 법칙의 지배를 받는 세계이며 수학적인 방법으로 설명할 수 없는 세계였다. 따라서 그는 자연에 신적인 요소는 물론 아리스토텔레스의 목적인도 개입할 여지를 인정하지 않았다. 데카르트는 절대 운동을 부정하고 모든 운동은 한 물체가 다른 물체에 대해 상대적인 위치가 달라지는 상대 운동으로 보았다. 모든 운동이 상대적인 것이 되자 운동 상태와 정지 상태의 구별이 필요 없게 되었다. 데카르트의 이런 생각들은 물체는 운동을 위해 힘이 계속 작용해야 하고 힘이 작용하지 않으면 정지한다는 아리스토텔레스의 역학에서 벗어나 점점 뉴턴역학으로 다가가고 있었던 당시의 상황을 시사한다.

p.15
고대 그리스에서 시작된 고대 물리학은 17세기에 있었던 과학혁명을 통해 근대 물리학으로 발전했고, 20세기에는 양자역학과 상대성이론을 바탕으로 한 현대 물리학으로 발전했다. 그 결과 우리는 세상이 원자로 이루어져 있고, 원자는 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있으며, 원자를 이루는 입자들은 다시 쿼크와 경입자라는 더 작은 입자들로 이루어져 있다는 것을 알아냈다. 그리고 세상을 이루고 있는 입자들은 중력에 의한 상호작용, 전자기적 상호작용, 강한 상호작용, 그리고 약한 상호작용의 네 가지 기본적인 상호작용을 통해 세상을 만들어 가고 있다는 것을 알게 되었다.
아직도 세상의 기원을 설명할 전능이론에 대한 연구가 계속되고 있기 때문에 지금까지 우리가 알아낸 입자들과 상호작용이 세상의 구성과 상호작용을 설명하는 완전한 해답이라고 할 수는 없다. 그러나 현재까지 물리학에서 밝혀낸 물질의 구성 요소들과 이들 사이의 상호작용은 인류가 이루어 낸 가장 위대한 지적 성취라고 할 수 있을 것이다.

p.64
고대 그리스 과학의 모순을 지적하고 새로운 과학을 시작했던 사람들은 고대 그리스의 과학과 철학을 배척했던 기독교로부터 탄압을 받아야 했다. 지구중심설을 버리고 태양중심설을 주장했던 갈릴레오 갈릴레이가 종교 재판을 받아야 했던 것은 그런 사정을 잘 보여 주고 있다. 그러나 고대 그리스 과학의 모순을 지적하고, 새로운 이론을 제시하는 용감한 사람들이 나타나 과학혁명을 이루어 냈다. 16세기와 17세기에 이루어진 과학혁명은 근대 과학의 발전으로 이어져 짧은 기간 동안의 인류 문명을 크게 발전시켰다.

p.115
데카르트는 또한 절대 운동을 부정하고 모든 운동은 한 물체가 다른 물체에 대해 상대적인 위치가 달라지는 상대 운동으로 보았다. 모든 운동이 상대적인 것이 되자 운동 상태와 정지 상태의 구별이 필요 없게 되었다. 데카르트의 이런 생각은 물체는 운동을 위해 힘이 계속 작용해야 하고 힘이 작용하지 않으면 정지한다는 아리스토텔레스의 역학에서 벗어나 점점 뉴턴역학으로 다가가고 있었던 당시의 상황을 잘 나타낸다.

p.161
뉴턴역학의 성공으로 철학자들과 과학자들 중에는 우주에서 일어나고 있는 모든 일들이 역학적 인과 관계에 의해 결정된다고 생각하는 사람들이 많아졌다. 이것은 우주가 처음부터 다시 시작된다고 해도 초기 조건이 같다면 똑같은 현상이 반복될 것임을 뜻한다. 이런 우주에는 초자연적인 현상이나 자연법칙을 초월하는 절대자가 개입할 여지가 없다. 이렇게 모든 자연현상이 기계적 인과관계에 의해서 결정된다고 보는 견해를 기계론적 우주론이라고 부른다. 뉴턴역학의 발전이 자연에 대한 사람들의 생각을 바꾸어 놓은 것이다.

p.276
우주의 엔트로피는 최댓값이 될 때까지 계속 증가할 것이다. 우주의 엔트로피가 최댓값이 되는 상태는 우주 전체가 열적 평형 상태에 도달한 상태이다. 우주의 총 엔트로피가 최대가 된 후에는 우주에는 어떤 일도 일어나지 않아야 한다. 엔트로피가 최대가 된 다음에 일어나는 변화는 엔트로피를 감소시킬 수밖에 없기 때문이다. 이렇게 아무 일도 일어나지 않는 상태를 열적인 죽음 상태라고 부른다. 열역학적인 해석에 의하면 우주는 엔트로피 값이 최대가 되는 열적 죽음 상태를 향해 달려가고 있다.