#레너드서스킨트: #물리의정석: #고전역학 #양자역학

"물리의 정석: 고전역학 편" 레너드 서스킨드 2017 이종필

(레너드 서스킨드 2017)

• 호킹을 이긴 위대한 물리학자의진짜 물리학스탠퍼드 대학교의 명강을 완벽 수록(유튜브 누적 조회수 1000만 회)《월 스트리트 저널》 선정 ‘최고의 책’파인만의 『물리학 강의』를 잇는 21세기의 필수 교양올해 7월 유럽 입자 물리 연구소의 대형 강입자 충돌기(La...

Susskind (2014-04-22) Theoretical Minimum, Basic Books.

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#원서 이종필 번역본 보라! 변환 힘들다

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레너드 서스킨드 2018 "물리의 정석: #양자역학" 이종필

(레너드 서스킨드 2018)

당신의 마음속 물리학자를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의이제 양자 역학은 상식이 되고 있다. 가수 박진영, 나르샤, 그리고 방송인 김제동 등이 텔레비전 방송에 출연해 양자 역학에 대해 서슴없이 말한다. ‘슈뢰딩거의 고양이’에서 유래해, 역설적인 상황을 빗대... The Theoretical Minimum 책소개 당신의 마음속 물리학자를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의

이제 양자 역학은 상식이 되고 있다. 가수 박진영, 나르샤, 그리고 방송인 김제동 등이 텔레비전 방송에 출연해 양자 역학에 대해 서슴없이 말한다. ‘슈뢰딩거의 고양이’에서 유래해, 역설적인 상황을 빗대어 표현하는 말 ‘슈뢰딩거의 ○○○’은 사람들이 보편적으로 사용하는 관용 표현이 되었다. 게다가 최근 수 년 사이 양자 역학을 기초로 한 정보 이론인 양자 정보학이 차세대 정보 이론으로 급부상하면서, 실용적인 목적으로 양자 역학을 공부해 보고자 하는 사람들도 점차 증가하고 있다. 2017년에 ㈜사이언스북스에서 나온 양자 역학 교양서 『김상욱의 양자 공부』는 출간 직후부터 지금까지 대중의 꾸준한 사랑을 받으며 이러한 변화를 몸소 보여 주고 있다.

한편 양자 역학은 아주 작은 것들을 기술하기 때문에 인간 감각의 범위를 완전히 넘어서며 우리의 직관으로 이해하기 힘든 학문이라는 사실 또한 널리 알려져 있다. 때문에 양자 역학을 처음부터 차근차근 정복해 나가는 새로운 수학과 새로운 논리를 갖추지 못한 대중은 ‘진짜’ 양자 역학 공부를 시작하는 일에 주저할 수밖에 없었다. 이번에 ㈜사이언스북스에서 번역, 출간한 『물리의 정석: 양자 역학 편』은 이러한 상황에 명쾌한 해답을 제시해 준다. 이 책은 끈 이론의 창시자 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)의 스탠퍼드 대학교 최고의 인기 강의로, 일반인을 위해 모든 물리 분야의 정수만을 모아 제공해 1000만 뷰를 달성한 136개의 유튜브 명강 시리즈 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」을 책으로 번역, 출간한 국내 교양 물리 시리즈 「물리의 정석」 두 번째 책이다. 이 책은 기존 물리 교과서의 체재를 따르지 않고 현장 연구자들이 사용하는 필수적인 최소한의 개념과 원리, 복잡해 보이는 수식의 핵심을 정확하게 짚어 소개함으로써 ‘물리학의 정석(定石)’을 제시한 바 있는 『물리의 정석: 고전 역학 편』의 후속편이다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 「고전 역학 편」의 설명 방식과 기초 논리를 그대로 따르면서도 양자 세계에만 존재하는 논리들을 덧붙임으로써, 기존 고전 역학과 충돌하지 않으면서도 완전히 새로운 양자 역학을 독자에게 선사한다. ‘당신의 마음속 물리학자’를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의라고 할 수 있다.

[솔루션 다운로드] http://sciencebooks.minumsa.com/?bcpattach=2442c25c0ae66b56cde14220c06758177f25571b 책의 일부 내용을 미리 읽어보실 수 있습니다. 미리보기 목차

서문 이상하고 아름다운 양자 세계로 7 물리학에 서툰 우리 모두를 위해 10 프롤로그 15 「양자 역학 편」을 시작하며 19

1강 계와 실험 23 2강 양자 상태 61 3강 양자 역학의 원리 81 4강 시간과 변화 129 5강 불확정성과 시간 의존성 171 6강 계의 결합 195 7강 얽힘 더 알아보기 235 8강 입자와 파동 295 9강 입자 동역학 339 10강 조화 진동자 383

부록 스핀 간단 요약 425 옮긴이의 글 인간 지성의 최종 병기, 양자 역학 433 찾아보기 437 출판사 리뷰 끈 이론의 창시자에게 직접 듣는 양자 역학의 정석(定石)

스탠퍼드 대학교 물리학과 교수로 재직 중인 레너드 서스킨드는 대통일 이론의 후보로 각광받고 있는 끈 이론의 선구자이다. 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론 등 다양한 분야에 공헌했다. 특히 얼마 전 서거한 스티븐 호킹(Stephen Hawking)의 절친이자 호적수로, 그에 대항해 블랙홀 상보성의 원리와 홀로그래피 이론을 정립한 ‘블랙홀 전쟁’의 주인공이기도 하다. 1940년 출생으로 79세의 나이에도 불구하고 여전히 첨단 연구와 대중 교육을 주도하고 있는 물리학자이다. 작년에도 웜홀, 양자 텔레포테이션, EPR 역설 등을 포괄적으로 연구해 양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합 가능성을 제시한 논문 2편을 연이어 발표해 학계를 뜨겁게 달군 바 있다. 저자 서스킨드의 말대로 이 책의 목표는 “말도 안 되게 이상한 양자 역학의 논리를 숨기는 것이 아니라 오히려 대명천지의 광명 아래로 끄집어내는 것”이다. 저자는 양자 역학의 역사 등 대부분의 양자 역학 교양서들이 다루고 있는 부분을 과감히 생략하고 도입부부터 독자의 “직관 회로”를 양자 역학에 알맞게 “재배선”하는 작업에 들어간다. 전반부에서는 양자 역학이 고전 역학과 다른 결정적 이유를 설명하면서, 양자 역학을 이해하기 위한 새로운 논리와 도구 들, 즉 스핀, 큐비트, 불확정성 원리, 선형 대수학 등을 다룬다. 후반부에서는 고전 역학의 탐구 대상이었던 입자와 조화 진동자에 양자 역학의 논리를 대입해 숨겨진 자연 법칙을 찾아낸다. 뿐만 아니라 본문 전체의 약 20퍼센트에 해당하는 두 챕터(6~7강)에 걸쳐 양자 정보학의 핵심 개념인 얽힘에 대해 다룬다. 그리고 책 곳곳에 있는 연습 문제들을 통해 독자들이 직접 수학을 이용해 양자 역학 문제를 풀고 몸소 이해할 있는 기회 또한 제공하고 있다. 이 책을 공부하는 동안 우리의 선천적인 ‘물리적 약점’을 극복하고 ‘양자 간극’을 뛰어넘는 독특한 경험을 하게 될 것이다. 한편 『블랙홀 전쟁』, 『물리의 정석: 고전 역학 편』 등 서스킨드의 다른 책들을 번역, 출간한 바 있는 이종필 건국 대학교 교수가 번역해 간결하고 정확한 한국어 설명을 제공하고 있다. 「어른의 수학」, 「이종필의 물리의 정석 특강」 등 직접 나서서 「고전 역학 편」 해설 강의를 진행해 온 것처럼, 이번 「양자 역학 편」 역시 출간 직후부터 역자 오프라인 특강이 수차례 예정되어 있다. 뿐만 아니라 ㈜사이언스북스가 제작하고 이종필 교수가 감수한 연습 문제 풀이집 『물리의 정석 솔루션: 양자 역학 편』을 책 구매 독자 전원에게 사은품으로 제공할 예정이다. 솔루션을 통해 독자들은 책의 연습 문제를 통한 ‘양자 역학 실습’을 더욱 효과적으로 할 수 있다. 유튜브 무료 강의와 연습 문제 솔루션, 그리고 이종필 교수가 한국 독자들을 위해 직접 강의에 나서는 레너드 서스킨드 물리학의 정석(定石) 양자 버전인 만큼, 양자 역학을 전혀 모르는 초심자부터 「고전 역학 편」의 다음 단계인 양자 역학에 도전하고자 하는 사람들, 고전 역학과 양자 역학이 충돌하는 듯한 기존 설명에 지친 사람들, 그리고 21세기 새로운 상식이자 실용 기초 학문으로서 양자 역학에 도전하고자 하는 대학생, 직장인에게 최고의 책이라고 할 수 있다. 접어보기 추천평 사람들은 흔히 물리를, 공식을 왕창 암기해야 하는 피곤한 학문으로 여긴다. 이 책의 강점은 물리가 그야말로 ‘이해된다’는 것이다. 실용서 또는 수험서라는 명분으로 학습자의 입에 공식을 ‘쑤셔 넣으려는’ 시도에 물린 사람들에게 이 책은 구원의 손길이 될 것이다. 저자의 유튜브 오리지널 강의를 함께 이용할 수 있다는 것도 대단한 강점이다. 물리가 이해되는데, 그냥 이해되는 게 아니다. 이 책을 물리를 배우려는 사람들만 본다면 불운이다. 수학에 관심 가진 사람들에게도 강력하게 권한다. 이 세계의 질서와 아름다움을 제대로 체감하는 데 있어 수학이 얼마나 효과적인지를 극명하게 보여 주기 때문이다. 서스킨드의 『물리의 정석』은 스탠퍼드 대학교의 일반 물리학 강의에 기초하고 있다는 점에서, 50년 전 캘리포니아 공과 대학(Caltech)의 일반 물리학 강의를 담은 리처드 파인만의 『물리학 강의(Lectures on Physics)』를 연상시킨다.

• 이범 (더불어민주당 민주정책연구원 부원장)

정석 맞다. 거의 물리학과 학부 표준 교재다. 일반인이라면 마음 단단히 먹고 제대로 공부할 사람에게만 추천한다. 하지만 너무 겁먹진 마시라. 저자 서스킨드는 최고급 일류 요리사이고, 번역자 이종필 교수는 완벽한 테이블 세팅을 마쳤다. 당신은 즐기기만 하면 된다. 물론 쉽지는 않을 것이다. 행운을 빈다.

• 김상욱 (경희 대학교 교수)

현실의 구동 원리 중 가장 기이한 측면을 명쾌하게!

• 션 캐럴 (캘리포니아 공과 대학)

형식적인 파편들을 하나의 명확한 개념으로 한데 모으다.

• 데이비드 시어리 (서식스 대학교, 《네이처》)

무인도에 가져갈 단 한 권의 책! 시간을 충분히 들인다면 당신은 결국 양자 역학에 통달할 것이다.

• 《사이언스 뉴스》

레너드 서스킨드 2022 "물리의 정석: #특수상대성이론 #고전장론" 이종필

(레너드 서스킨드 2022)

참된 물리학 지식을 추구하는 이라면반드시 읽어야 하는 책공간, 시간, 질량 및 에너지의 기본 개념에 대한 이해에 혁명을 일으켜 인류 최고의 천재라 불리는 알베르트 아인슈타인. 1년 동안 4편의 논문을 연달아 내놓아 물리학사에 ‘기적의 해’로 남은 1905년에 ... The Theoretical Minimum 책소개 참된 물리학 지식을 추구하는 이라면 반드시 읽어야 하는 책

공간, 시간, 질량 및 에너지의 기본 개념에 대한 이해에 혁명을 일으켜 인류 최고의 천재라 불리는 알베르트 아인슈타인. 1년 동안 4편의 논문을 연달아 내놓아 물리학사에 ‘기적의 해’로 남은 1905년에 그는 자신의 최대 역작으로 평가받는 논문을 완성한다. 바로 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여(Zur Elektrodynamik bewegter Korper)」이다. 아인슈타인은 움직이는 물체의 물리학에서 무엇을 읽어내고 이런 이름을 붙인 것일까? 그리고 왜 이 논문은 특수 상대성 이론의 탄생을 알리는 신호로 평가받았을까?

인류가 시간과 공간을 통합적으로 이해할 수 있게 만들어 주었다고 하는, 그 이름은 누구나 알지만 정확하게 이해하는 이는 드물었던 특수 상대성 이론. 2022년 3월 ㈜사이언스북스 신간으로 출간된 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 역학 편(Special Relativity and Classical Field Theory: The Theoretical Minimum)』은 특수 상대성 이론에 대해 이처럼 오랜 목마름을 품고 있던 독자를 위해, 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)의 인기 유튜브 강의 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」 중 특수 상대성 이론과 고전 장론 관련 강의 10개를 모은 책이다.

레너드 서스킨드는 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론 등 다양한 분야에 공헌한 현대 물리학의 대가다. 1940년 출생으로 여든이 넘은 나이에도 불구하고 여전히 첨단 연구와 대중 교육을 주도하고 있는 그는 2018년에는 스웨덴 스톡홀름 대학교에서 리사 랜들, 킵 손, 샐던 글래쇼 등 유수의 과학자들이 물리학자 오스카르 클라인을 기리는 의미에서 매년 주최해 온 강좌를 진행하고 기념 메달을 받았으며, 대한민국 고등과학원(KIAS)에서 석좌 교수로도 재직하고 있다. 「최소한의 이론」은 그가 2007년부터 스탠퍼드 대학교에서 진행한 최고의 인기 강의로 리처드 파인만, 스티븐 호킹과 어깨를 나란히 하는 대가의 관점에서 물리학의 전 분야를 통합하고 관통하며 그 정수를 소개한다. 물리학과 학부생이나 대학원생이 아니라 일반인을 위해 개설되어 스탠퍼드 대학교에서 별도 페이지(https://theoreticalminimum.com)가 생성되어 있는 이 강연은 6개의 핵심 과정(고전 역학, 양자 역학, 특수 상대성 이론과 고전 역학, 일반 상대성 이론, 우주론, 통계 역학)에 9개의 추가 과정을 더해 도합 138개의 동영상으로 이루어져 있고, 2022년 3월 기준 누적 조회 수 2000만을 돌파했다.

이중 첫 두 핵심 과정의 내용을 서적화한 책이 바로 2017년과 2018년에 국내에 번역 출간되어 물리학 마니아들의 입소문 속에 누적 판매 2만 부를 돌파한 『물리의 정석: 고전 역학 편』과 『물리의 정석: 양자 역학 편』이다. 이를 잇는 후속작 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』은 현대 물리학의 절대적 중심인 두 학문의 정수를 레너드 서스킨드가 직접 엮은 것으로, 여기에 미국 IT 기업 휼렛패커드(HP)에서 15년간 재직한 소프트웨어 공학자이자 실제 레너드 서스킨드의 스탠퍼드 대학교 평생 교육 프로그램 수강생인 아트 프리드먼(Art Friedman)이 공저자로 참여해 일반인 입장에서 독자들이 길을 잃을 수 있는 부분들을 세심하게 다듬었다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 전작의 방식과 논리를 그대로 유지하면서 고전 물리학의 가장 위대한 업적인 특수 상대성 이론과 뉴턴, 맥스웰 이론의 기초인 고전 장론을 연결하는 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』은 현장 연구자들이 필수적으로 사용하는 최소한의 개념과 원리를 정확하게 짚어 소개하는 ‘물리학의 정석(定石)’으로 참된 물리학 지식을 추구하는 이라면 반드시 읽어야 하는 책이다.

[솔루션 다운로드] http://sciencebooks.minumsa.com/?bcpattach=89b93a9515021b0daf227eb7009c36e42a2fc617 책의 일부 내용을 미리 읽어보실 수 있습니다. 미리보기 목차 서문 7 「특수 상대성 이론과 고전 장론 편」을 시작하며 13

1강 로런츠 변환 23 2강 속도와 4-벡터 103 3강 상대론적 운동 법칙 123 4강 고전 장론 169 5강 입자와 장 221 막간 이상한 단위 273 6강 로런츠 힘의 법칙 289 7강 근본 원리와 게이지 불변 355 8강 맥스웰 방정식 375 9강 맥스웰 방정식의 물리적 결과 421 10강 라그랑주로부터 온 맥스웰 451 11강 장과 고전 역학 489

부록 A 자기 홀극: 레니가 아트를 속이다 545 부록 B 3벡터 연산자 복습 565 옮긴이의 글 ‘모든 것의 이론’을 향한 대가의 포석 573 찾아보기 577 출판사 리뷰 ‘모든 것의 이론’을 향한 대가의 포석

맥스웰 이론에 얽힌 문제는 이 이론이 갈릴레오 갈릴레이가 처음으로 밝혔고 아이작 뉴턴이 명확하게 언급한 하나의 기본 원리, 즉 “모든 운동은 상대적”이라는 원리와 부합하지 않는 것처럼 보인다는 점이었습니다. 어떤(관성) 기준틀도 자신이 정지해 있다고 여길 자격이 여느 다른 기준틀보다 더 많지는 않습니다. 그러나 이 원리는 전자기 이론과는 불화를 일으킵니다. 전자기 이론은 빛이 초속 미터라는 고유한 속도로 움직인다고 예측합니다. 어떻게 모든 기준틀에서 빛이 똑같은 속도를 갖는 게 가능할까요? 어떻게 빛이 기차역이라는 정지틀에서도, 그리고 또 속도를 높이고 있는 기차라는 기준틀에서도 똑같은 속도로 움직일 수 있을까요? -본문에서

부록을 포함해 총 13개의 강의와 막간 강의 1개로 구성된 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』의 목표는 전작에서 그동안 다루지 않았던 특수 상대성 이론의 영역인 빛을 설명하고, 이를 통해 특수 상대성 이론의 맥락에서 고전 장론을 바라보는 것이다. 이때 고전 장론은 파동, 하전 입자에 작용하는 힘 등을 다루는 전자기 이론이 된다. 이 목표를 위해 이 책은 19세기 중반 맥스웰 방정식-1905년 특수 상대성 이론으로 이어지는 시간적 순서 대신, 특수 상대성 이론을 먼저 설명하고 이 관점에서 전자기학을 기술하는 방식을 택한다.

책의 처음 3강의 주제인 특수 상대성 이론을 통해서 성립하는 길이 수축, 시간 팽창, 쌍둥이 역설 같은 놀라운 내용도 물론 흥미롭고 중요하지만, 상대성 이론의 더 본질적이고 큰 의미는 이 이론이 좌표를 변환하더라도 변하지 않는 물리 법칙을 이야기하고 있다는 점이다. 아인슈타인이 상대성 이론을 구상한 출발점도 바로 이곳이다. 특히 아인슈타인에게 각별했던 물리 법칙은 제임스 맥스웰이 19세기에 완성한 고전 전자기학이었다. 그래서 특수 상대성 이론 논문의 제목이 「움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여」였던 것이다. 움직이는 좌표로 변환하더라도 맥스웰 방정식으로 정리되는 전자기 이론이 그 모습을 그대로 유지할 것인지는 물리학에서 굉장히 중요한 문제이다.

서스킨드는 책의 4강부터 고전 장론의 기법을 이용해 바로 이 지점을 보여 주려 한다. 고전 장론을 이런 관점에서 고찰하는 것은 이후의 주제를 다루기 위한 사전 포석의 의미가 있다. 미래를 위한 무기를 미리 마련해 두는 셈이다. 책에서 전자기학과 고전 역학을 연결하는 고리로 사용되는 최소 작용 원리, 라그랑지안 구축, 해밀토니안 기법의 활용 등은 일반 상대성 이론이나 양자 장론, 끈 이론 같은 현대 물리학에서도 가장 핵심이 되는 요소이다. 서스킨드는 이 목적을 위해 고전 역학과 양자 역학, 상대성 이론을 자신의 표현대로 ‘다소 변칙적인’ 방법으로 아우르려 하고 있는 것이다.

로런츠 변환, 맥스웰 방정식, 게이지 불변을 자기 손으로 유도하는 즐거움

내 나름의 교수법은 과감하게 처음부터 맥스웰 방정식으로 시작하는 것이다. (심지어 학부생들도) 각각의 방정식을 붙잡고 그 의미를 분석하며 그런 식으로 쿨롱 법칙, 앙페르 법칙, 패러데이 법칙을 유도한다. 이는 맥스웰 방정식을 배우는 ‘찬물 샤워’ 스타일의 방법이지만, 학생들은 역사적인 방식으로 배울 때 수개월이 걸렸을 내용을 1~2주 안에 이해한다. -본문에서

이 같은 서스킨드 특유의 강의를 한국 독자들에게 있는 그대로 전달하기 위해, 「물리의 정석」 시리즈 2권과 『블랙홀 전쟁』까지 사이언스북스에서 서스킨드의 저서를 전담하고 있는 이종필 교수가 이번에도 번역을 맡았다. 현재 건국 대학교 상허 교양 대학에서 재직 중인 이종필 교수는 스티븐 와인버그 『최종 이론의 꿈』을 번역한 이론 물리학자이면서, 『물리학 클래식』과 『이종필의 아주 특별한 상대성 이론 강의』 출간, EBS ‘상대성 이론으로의 초대’ 스타 강사 특강 등의 다양한 방식으로 대중에게 상대성 이론의 참뜻을 전달해 온 ‘글 쓰는 과학자’이기도 하다. 그만의 간결하고 정확한 번역에 더해, 이번에는 「고전 역학 편」 출간 이후 5년이라는 시간이 지난 시점에서 고전 장론 이해의 기초가 될 고전 역학 공부의 기억을 다시 되살리는 차원에서 당시 이종필 교수가 진행했던 1권의 인터넷 해설 강의를 사이언스북스 유튜브 채널에서 공개하고 있다. 이후에는 특수 상대성 이론과 고전 장론의 핵심을 짚어 주는 역자 특강이 오프라인에서 진행될 예정이다. 또한 이 시리즈의 강점 중 하나로 손꼽히는 것이, 바로 책 곳곳에서 독자들이 손수 과제를 풀며 이해할 기회를 제공해 주는 연습 문제이다. 이때 어려움을 겪는 독자를 위해 전작과 같이 ㈜사이언스북스가 제작하고 이종필 교수가 감수한 연습 문제 풀이집이 『물리의 정석 솔루션: 특수 상대성 이론과 고전 역학 편』이란 이름의 사은품으로 제공된다. 책에 ‘연습 문제’로 별도로 표시된 문제에 더해 저자가 본문 중에서 독자에게 과제로 남겨 둔 문제들의 풀이까지 모두 담은 이 소책자와 함께라면 서스킨드의 강의를 더욱 효과적으로 체득할 수 있을 것이다.

여러분의 물리학 모험은 이제부터 시작입니다

글쎄요. 조금 지나친 표현일지도 모르겠습니다만, 초심자에게 상대론적 세상은 위험한 퍼즐과 믿기 힘든 역설로 가득 찬 이상하고도 경이로운 유령의 집입니다. 하지만 그 여정이 힘들어질 때면 우리가 거기서 여러분의 손을 잡아 줄 겁니다. 미적분과 선형 대수학의 몇 가지 기본적인 기초 지식만 있으면 앞길을 헤쳐 나가기에 충분합니다. -본문에서

유튜브 무료 강연 「최소한의 이론」을 통해 서스킨드가 품었던 꿈처럼, 2017년 한국판 1권 출간 이후 5년이라는 시간 동안 대한민국에서 손수 물리학에 도전하려는 사람들의 든든한 버팀목이 되어 준 「물리의 정석」 시리즈. 엔트로피, 반물질, 양자 역학이 영화 소재로 쓰이고(「테넷」) ‘원자 폭탄의 아버지’라 불리는 과학자의 전기 영화(「오펜하이머」)가 나오는 등 물리학이 현대인에게 빼놓을 수 없는 필수 교양으로 받아들여지고 있는 지금, 사이언스북스 신간 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』을 통해 전작들이 쌓아 놓은 기초 위에서 현대 물리학이 어디까지 왔고, 어디까지 갈 수 있을 것인지 알아보는 여행을 함께 떠나 보길 바란다. 사이언스북스 또한 이 책에서도 솔루션 배포, 역자 특강 등의 수단을 통해 사전 지식 없는 일반인부터 시리즈의 팬인 아마추어 물리학자까지 더한층 쉽게 물리의 풍미를 느낄 수 있도록 도울 예정이다.

레너드 서스킨드 2024 "물리의 정석: #일반상대성이론" 이종필

(레너드 서스킨드 2024)

일반 상대성 이론은 쉽지 않다. 어렵다. 수학에도 웬만큼은 익숙해져야 한다. 그래서 훌륭한 스승과 안내자가 있으면 좋다. 이 책의 저자인 레너드 서스킨드는 그 안내자로서 최상의 선택지이다. 현존하는 최고의 물리학자 중 한 명이기도 하거니와 일반 상대성 이론과 관련된 중요한 논쟁, 예를 들면 블랙홀에서의 정보 손실과 같은 수십 년에 걸친 논쟁에서도 중심에 있었던 인물이기 때문이다. The Theoretical Minimum

책소개 일반 상대성 이론 탄생 110주년! 끈 이론 창시자의 명쾌한 해설

서스킨드는 어떤 현상의 물리적인 본질과 핵심을 정확하게 간파해서 집요하게 파고드는 능력이 탁월하다. 독자들은 서스킨드의 안내에 머리를 내맡기기만 하면 환상적인 지적 롤러코스터를 타는 기분을 느낄 수 있을 것이다.

• 이종필(옮긴이, 건국 대학교 교수)

우주의 실제 구조를 더 깊이 알고 싶은 이를 위한 3000만 뷰 유튜브 명강!

일반 상대성 이론은 쉽지 않다. 어렵다. 수학에도 웬만큼은 익숙해져야 한다. 그래서 훌륭한 스승과 안내자가 있으면 좋다. 이 책의 저자인 레너드 서스킨드는 그 안내자로서 최상의 선택지이다. 현존하는 최고의 물리학자 중 한 명이기도 하거니와 일반 상대성 이론과 관련된 중요한 논쟁, 예를 들면 블랙홀에서의 정보 손실과 같은 수십 년에 걸친 논쟁에서도 중심에 있었던 인물이기 때문이다.

• 본문에서

시간과 공간이 떼려야 뗄 수 없이 엮여 있음을 인류에게 인식시켜 준 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론. 10년의 탐구 끝에 그는 가속도와 일정한 중력이 같다는 아주 간단한 원리에서 시작해 이 이론을 무거운 물체가 포함된 시공간으로 일반화하는 데 성공한다. 바로 1915년 11월 25일 발표되어 곧 발표 110주년을 앞둔 일반 상대성 이론(General Theory of Relativity)이다. 중력의 본질을 창조주의 권능이나 신비로운 원격 작용력이 아닌 시공간의 기하로 대체한 일반 상대성 이론은, 한 세기가 넘는 시간이 흐르며 양자 역학과 함께 현대 물리학을 떠받치는 기둥으로 자리 잡고 있다.

2024년 7월 ㈜사이언스북스 신간인 『물리의 정석: 일반 상대성 이론 편(General Relativity: The Theoretical Minimum)』은 인류 지성사에서 기념비적 업적으로 손꼽히지만 직접 도전해 볼 엄두는 나지 않았던 이 이론을, 끈 이론의 창시자이자 스티븐 호킹과 어깨를 나란히 하는 물리학계의 거장인 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)가 대가의 시점에서 통합하고 관통해서 설명한 책이다. 레너드 서스킨드는 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 이론 물리학 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론을 비롯한 다양한 분야에 공헌해 왔고, 2007년부터 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」이란 이름으로 누구나 볼 수 있는 유튜브 강연을 진행해 왔다. 현대 물리학과 우주론을 공부하고 싶어도 묻고 배울 선생님이 없고, 대중 교양서로는 지적 호기심을 다 풀 수 없는 일반인을 위해 개설된 이 강연은 6개의 핵심 과정(고전 역학, 양자 역학, 특수 상대성 이론과 고전 장론, 일반 상대성 이론, 우주론, 통계 역학)에 9개의 추가 과정을 더한 총 138개의 동영상으로 이루어져 있으며 2024년 6월 기준 누적 조회 수 3000만을 돌파했다.

이 연속 강의에서 핵심 과정을 모아 책으로 엮은 것이 「물리의 정석」 시리즈이다. 2017년 『물리의 정석: 고전 역학 편』을 필두로 한국에 소개된 이 시리즈는 “스탠퍼드 천재들이 선택한 진짜 물리학 특강”이라는 과학 · 수학 마니아들의 입소문 속에 일찍이 누계 4만 부를 돌파한 바 있다. 『물리의 정석: 일반 상대성 이론 편』은 2022년 출간된 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』을 잇는 최신작으로, 스탠퍼드 대학교에서 통계학으로 박사 학위를 받은 MIT 수학과 강사이자 「물리의 정석」 시리즈 프랑스 어판 번역자인 앙드레 카반(Andre Cabannes)이 새로이 공저자로 참여했다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 전작의 방식과 논리를 그대로 유지하면서 일반 상대성 이론을 다룬 이 책은 우주의 실제 구조에 대한 더 깊은 지식을 원하는 모든 사람에게 그야말로 정석(定石)과도 같은 작품이다

목차

서문 1 레너드 서스킨드 7 서문 2 앙드레 카반 10

1강 등가 원리와 텐서 해석 15 2강 텐서 수학 97 3강 평평함과 곡률 145 4강 측지선과 중력 201 5강 중력장의 계측 269 6강 블랙홀 319 7강 블랙홀 속으로의 낙하 377 8강 블랙홀의 형성 423 9강 아인슈타인 장 방정식 471 10강 중력파 527

옮긴이의 글 지식 속에서 아름다움을 발견하는 희열 583 찾아보기 587

출판사 리뷰

아인슈타인 방정식을 직접 유도할 수 있게 해 줄 단 하나의 책!

아인슈타인은 상대성 원리를 가속도가 있는 틀로 확장하고 새로운 방식으로 중력을 고려한 이론을 구축하기 위해 10년간 노력한 끝에 1915년 11월에 자신의 연구를 발표했다. 많은 사람의 노력으로 완성된 특수 상대성 이론과 달리 일반 상대성 이론은 본질적으로 한 사람의 작품이다. 우리는 아인슈타인이 시작한 바로 그곳에서 일반 상대성 이론 공부를 시작할 것이다. 아인슈타인의 사고 패턴은 거의 어린아이도 이해할 수 있는 정말로 단순한 기초적인 사실에서 시작해 믿기 힘들 정도로 광범위한 결과를 추론하는 것이었다. 가장 단순한 것부터 시작해 결과를 추론하는 것이 교육에서도 또한 최선의 방법이라 생각한다. ―본문에서

『물리의 정석: 일반 상대성 이론 편』에서 두 저자는 총 열 번의 강의를 통해 질량을 가진 물체가 빛을, 그리고 시공간을 휘게 하는 기묘한 세계로 독자를 안내한다. 1강 「등가 원리와 텐서 해석」에서는 기초를 다진다. 먼저 일반 상대성 이론의 시작점이자 핵심이라고 할 수 있는, 중력은 어떤 의미에서 가속도와 같은 것이라고 하는 등가 원리(equivalence principle)를 설명하며 이 원리가 어떻게 무거운 물체가 필연적으로 광선을 휘게 하는 결과를 낳는지 보여 준다. 2강 「텐서 수학」은 텐서 수학에 할애된다. 수시로 기준계를 바꿔야 하는 일반 상대성 이론에서 한 기준계의 좌표를 다른 기준계의 좌표와 연결하는 방법이 바로 텐서 방정식이기 때문이다. 텐서 방정식은 하나의 기준계에서 성립하면 다른 모든 기준계에서도 성립한다는 놀라운 성질을 갖기 때문에, 일반 상대성 이론의 많은 부분이 텐서 방정식으로 표현된다.

3강 「평평함과 곡률」, 4강 「측지선과 중력」, 5강 「중력장의 계측」은 일반 상대성 이론 강의의 본격적인 시작으로, 두 점 사이 거리의 제곱이 항상 양수인 리만 기하, 그리고 시공간에서 두 사건 사이 거리의 제곱이 양수나 0, 또는 음수일 수도 있는 민코프스키 기하에 대해 다룬다. 간단히 말해서 중력은 민코프스키 시공간에서의 기하학이라고 할 수 있기 때문이다. 6, 7, 8강의 주인공은 「블랙홀」, 「블랙홀 속으로의 낙하」, 「블랙홀의 형성」이라는 장 제목에서도 알 수 있듯, 영화 「이벤트 호라이즌」이나 「인터스텔라」를 통해 우리에게 다소간 친숙하면서도 여전히 두려운 존재인 블랙홀이다. 두 저자가 블랙홀에 집중하는 이유는 블랙홀이 흥미로운 천문 현상 그 자체라서라기보다는, 그것이 민코프스키 시공간에서 뉴턴 역학의 점질량과 동등한 매우 특이한 사례이기 때문이다.

그러나 블랙홀 근처의 시공간은 점질량 근처의 뉴턴 공간보다 더 이상한 행동을 보인다. 블랙홀, 블랙홀이 만들어 내는 계측, 블랙홀의 사건 지평선, 지평선 부근의 시간과 중력, 블랙홀 안팎의 사람들이 소통하는 방식 등을 잘 이해하는 것이 일반 상대성 이론을 이해하기 위한 전제 조건이다. 4권의 하이라이트인 9강 「아인슈타인 장 방정식」에서 드디어 우리는 지금까지 배운 내용을 종합해 일반 상대성 이론을 기술하는 아인슈타인 장 방정식을 직접 도출하게 된다. 마지막 10강 「중력파」에서는 우주를 바라보는 인간의 새로운 창문이자 시공간의 떨림인 중력파를 예측하는 간단한 응용 사례를 배운다.

이 모든 과정에서 독자는 책 곳곳에 배치된 ‘연습 문제’를 통해 손수 과제를 풀며 스스로 이해할 기회를 얻을 수 있다. 그냥 눈으로 보고 이해하는 것과 백지에 자신의 지식과 상상력만 가지고 직접 문제를 푸는 것은 천지 차이다. 머리가 아니라 손이 익숙해질 때까지 문제를 풀다 보면 물리적인 상황을 더 잘 이해하고, 직접 손을 움직여 계산하는 감각을 기를 수 있다. 혹시 이 와중에 길을 잃었다고 해도, 번역자 이종필 교수가 직접 감수하고 책 속 연습 문제와 강의 중 ‘독자의 몫’으로 남겨 둔 문제들의 풀이까지 모두 담은 소책자 『물리의 정석 솔루션: 일반 상대성 이론 편』이 독자를 도울 것이다.

『물리의 정석 솔루션: 일반 상대성 이론 편』은 2,000부 한정 인쇄되어 4권 구매자에게 제공되며, 이후에는 전작의 솔루션과 함께 사이언스북스 홈페이지에서 PDF 파일로 내려받을 수 있다. 이번 4권에서 전작들과 비교되는 큰 차이점 중 하나는 바로 7, 9, 10강에 실려 있는 「질의 응답」 코너이다. 실제 「최소한의 이론」 강의에서 청중에게 받은 질문과 답변을 그대로 실은 이 코너는 강의 내용보다는 덜 체계적이지만, ‘연습 문제’와는 또 다른 방법으로 일반 상대성 이론을 공부하는 사람이 실제로 느낄 수 있는 의문과 궁금함을 시원하게 풀어 주는 역할을 한다.

지식 속에서 아름다움을 발견하는 희열

일반 상대성 이론의 방정식을 푸는 것은 항상 불쾌한 일이다. 여기서는 그렇게 하지 않을 것이다. 간단한 것들을 계산하는 것조차 지면을 가득 채우게 될 것이다. 그리고 그건 아마도 끔찍하리만치 유용하지도 않다. 이 과목을 배우려면 여러분은 정말로 자리에 앉아 여러분 스스로 계산하고 방정식을 풀어야 한다. 반면, 그 원리들은 간단하다. 우리가 방정식을 풀었을 때 무엇을 얻는지 충분히 쉽게 설명할 수 있다. 우리는 이야기할 것이다. 방정식을 적어 놓고 그러고는 그 풀이를 쓰는 방식으로 말이다. ― 본문에서

특수 상대성 이론의 원리를 가속 운동을 하는 일반적인 경우로 확장해 중력의 본질을 시공간의 기하로 이해하는 일반 상대성 이론은 그 필연성과 완결성 측면에서 많은 물리학자가 꼽는 가장 아름다운 이론이며, 이론의 핵심인 아인슈타인 장 방정식 또한 많은 물리학 방정식 중에서도 가장 아름다운 방정식으로 꼽힌다. 문제는 안타깝게도 물리학을 전공하지 않은 일반인은 숫자와 방정식의 벽 앞에서 좌절해 이 아름다움을 맛보기 어렵다는 점이다. 이를 해결하기 위해 서스킨드와 카반은 자칫 오독될 수 있는 비유, 통속적 설명 같은 꼼수 대신 아인슈타인 장 방정식을 유도하는 과정을 그대로, 그것도 방정식의 풀이로 지면을 낭비하는 일 없이 거장의 솜씨로 핵심만 뽑아내 직접 그 아름다움을 오롯이 느낄 수 있는 ‘정석’의 길로 독자를 이끈다.

이래도 자신이 일반 상대성 이론을 즐길 수 있을지 아직 확신이 서지 않는다면, 7년째 「물리의 정석」 한국어판의 번역을 전담하고 있는 이종필 건국 대학교 상허 교양 대학 교수의 존재가 또 다른 ‘보증수표’가 될 것이다. 바로 그가 서스킨드의 교양 과학서인 『블랙홀 전쟁』을 번역한 이론 물리학자이면서 책으로까지 출간된 일반인 대상의 2009년 ‘아인슈타인 장 방정식 풀기’ 프로젝트 외에도 2015년 EBS ‘상대성 이론의 이해’ 스타 강사 특강 등의 다양한 방식으로 상대성 이론을 알려 온, 한국 상대성 이론 대중화의 권위자이기 때문이다.

이처럼 시간과 공간을 초월해 현대 물리학의 경이로움과 기쁨을 알려 주려는 많은 사람의 노력이 모여, 환상적인 지적 롤러코스터를 타며 지식 속에서 아름다움을 발견하는 희열을 만끽할 기회가 이제 한국 독자에게 찾아왔다. 『물리의 정석: 일반 상대성 이론 편』 이후에도 우주의 기원과 발전을 연구하는 우주론(5권), 개별 원자의 미시적 특성을 일상에서 관찰되는 물질의 거시적 특성과 연결 짓는 통계 역학(6권)까지 계속될 「물리의 정석」 시리즈와 함께할 준비가 되었는가? 필요한 것은 서스킨드의 안내에 기꺼이 머리를 내맡길 약간의 용기뿐이다.

레너드 서스킨드와 전 MIT 수학과 강사인 앙드레 카반은 「물리의 정석」 시리즈의 네 번째 책에서 열 번의 밀도 있고 상세한 ‘강의’를 통해 아인슈타인 일반 상대성 이론과 그 이면의 수학을 설명한다. ―『퍼블리셔스 위클리』

서스킨드의 비결은 물리 초보자를 수학과 역사의 훈련장에 보내서, 『물리의 정석』을 따르는 길이 자연스럽고 결국에는 더 쉽게 느껴지도록 하는 것이다. 재치와 통찰력이 빛나는 작업이다. ―『네이처』

서스킨드는 물리적 현상에 방정식을 적용하는 각 단계를 꼼꼼하게 설명하고, 왜 수학이 그렇 게 작용하는지를 설명하는 일에 탁월한 소질이 있다. ―『사이언스 뉴스』

한때 과학 꿈나무였으나 결국 다른 직업을 택했고 그럼에도 우주가 어떻게 돌아가는지 여전히 궁금한 당신에게, 「물리의 정석」 시리즈를 바친다. ―『월스트리트 저널』

일반 상대성 이론을 깊이 이해하기 위한 모든 수학이, 교과서보다 쉽게 담긴 책. ―미국 AMAZON 독자 서평

#자연철학: #학습: #이맥스 #전산물리 #수식입력 #코드

Related-Notes

References

레너드 서스킨드. 2017. 물리의 정석: #고전역학. Translated by 이종필. https://www.yes24.com/Product/Goods/45022559.

———. 2018. 물리의 정석: #양자역학. Translated by 이종필. https://www.yes24.com/Product/Goods/60638149.

———. 2022. 물리의 정석: #특수상대성이론 #고전장론. Translated by 이종필. https://www.yes24.com/Product/Goods/108461094.

———. 2024. 물리의 정석: #일반상대성이론. Translated by 이종필. https://www.yes24.com/Product/Goods/128905822.