물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편

물리의 정석 시리즈 3편

물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편

레너드 서스킨드, 아트 프리드먼 | 이종필 옮김

레너드 서스킨드의 2000만 뷰 
유튜브 명강을 책으로 엮은
「물리의 정석」 시리즈 3편!

 

저자 서스킨드는 최고급 일류 요리사이고,
번역자는 완벽한 테이블 세팅을 마쳤다.
당신은 즐기기만 하면 된다. 행운을 빈다.
-김상욱(경희대 교수)

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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 Körper)」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. 『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.

 

 

‘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.

 

 

추천사

 

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)

『물리의 정석』에서 저자들은 현대 물리학의 절대적 중심인 상대성 이론과 장론을 지혜와 통 찰력으로 명석하게 설명하며, 아무것도 숨기지 않고 물리학의 영광을 오롯이 드러낸다.

—션 캐럴(캘리포니아 공과 대학) 

세월이 흐를수록 빛이 날 진정한 걸작이다. 내가 고전 물리학을 배울 때 이 책이 있었더라면! 당신을 연구에 뛰어들게 할 비밀들로 가득한, 즐거운 경험을 안겨 주는 책이다.

—스테판 알렉산더(브라운 대학교) 

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》 

서스킨드와 프리드먼은 『물리의 정석』 세 번째 책에서 아인슈타인 특수 상대성 이론과 고전 장론의 수학적 핵심을 탐구한다. 명확하고, 간결하고, 시원시원하게.

—《퍼블리셔스 위클리》

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차례
서문7
「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

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저자 소개

레너드 서스킨드 
뉴욕 시티 칼리지(CCNY) 공학부를 졸업하고 코넬 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 1973년부터 스탠퍼드 대학교 이론 물리학 교수로 재직하고 있다.

양자 광학, 기본 입자 물리학, 우주론 등 이론 물리학의 모든 분야에 공헌했다. 스티븐 호킹에 대항해 블랙홀에 빨려 들어간 정보는 사라지지 않는다고 주장했다. 쿼크 속박 이론, 중입자 생성, 블랙홀 상보성 원리, 홀로그래피 원리 등 현대 물리학계를 뒤흔든 여러 개념들을 발견해 내기도 냈다.

미국 국립 과학원(NAS)과 미국 학술원(AAAS) 회원이며, 세계 최고의 이론 물리학 연구 기관 중 하나인 캐나다 페리미터 이론 물리학 연구소의 객원 교수이다. 우리나라 고등과학원(KIAS)의 석좌 교수로 강연하기도 했다. 저서로는 『우주의 풍경』, 『블랙홀 전쟁』, 『물리의 정석: 고전 역학 편』, 『물리의 정석: 양자 역학 편』 등이 있다.

아트 프리드먼
스탠퍼드 대학교에서 컴퓨터 과학으로 석사 학위를 받았다. 미국 IT 기업 휼렛패커드(HP)에서 15년간 소프트웨어 공학자로 재직했다. 레너드 서스킨드의 스탠퍼드 대학교 평생 교육 프로그램 수강생이다.

옮긴이 이종필 
서울 대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학교 대학원에서 입자 물리학으로 석사, 박사 학위를 받았다. 한국과학기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS), 연세 대학교, 서울과학기술대학교에서 연구원으로, 고려 대학교에서 연구교수로 재직했다. 현재 건국 대학교 상허 교양 대학 교수로 재직 중이다. 저서로는 『물리학 클래식』, 『대통령을 위한 과학 에세이』, 『신의 입자를 찾아서』, 『빛의 전쟁』, 『우리의 태도가 과학적일 때』 등이 있고, 번역서로 『물리의 정석: 고전 역학 편』, 『물리의 정석: 양자 역학 편』, 『최종 이론의 꿈』, 『블랙홀 전쟁』 등이 있다.

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