왜 고층 건물은 바람에 흔들리지 않을까? 누전 차단기는 어떻게 작동할까? 우주의 최후는 어떻게 될까? 원자의 성질에 대한 이해를 증진시킨 사람은 누구인가? 물리에는 많은 질문이 있다. 일부는 우주의 기초와 관계된 기본적인 것이고, 일부는 일상생활과 관계있는 것이며, 어떤 것은 호기심 때문에 생기는 질문이다. 대부분의 질문은 답을 가지고 있다. 과거에는 그 답이 매우 어려웠던 것도 있고, 미래에는 답이 달라질 것도 있다. 《물리 all that contents》은 독자들이 이런 질문에 대해 스스로 탐구하고 해답을 깊이 생각해보도록 하기 위해 기획되었다. 또한 이런 질문들을 통해 다른 질문을 생각해내고 그 질문의 답을 찾아보도록 하는 것도 책을 만든 목적 중 하나다. 물리 의학에서 다루어지는 복잡한 개념들은 우리에게 익숙한 일상의 언어로 설명하여 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 하려고 노력했다. --- 머리말 중에서

모든 시대를 통틀어 가장 위대한 과학자로 인정받는 사람은 누구인가?
많은 과학자들과 역사학자들은 뉴턴(Isaac Newton, 1643?1727)을 가장 영향력 있는 과학자 중 한 사람으로 생각하고 있다. 뉴턴은 운동 법칙과 중력 법칙을 발견했고, 빛과 광학 연구에 크게 공헌했으며, 최초로 반사 망원경을 제작했고, 미적분학을 발전시켰다. 그가 출판한 《자연 철학의 수학적 원리(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, or The Principia)》와 《광학(Optiks)》은 역학과 광학의 바탕이 되었다. 뉴턴은 라틴어로 쓴 이 책들을 연구를 마치고 오랜 시간이 지난 후 동료들이 출판을 권했을 때에야 출판했다.

엑스선은 어디서 나올까?
엑스선은 매우 짧은 파장을 가진 전자기파여서 가지고 있는 에너지가 매우 크다. 원소의 주기율표에서 원자량이 큰 원자들처럼 많은 전자를 가진 원자에서 엑스선이 방출된다. 전자의 수가 많으면 많을수록 원자핵이 가지고 있는 전하는 더 많아지며 원자핵에 가까운 전자(n=1이거나 2인)의 에너지도 더 커진다. 그러므로 엑스선관에서처럼 원자에 큰 에너지를 가진 입자나 광자가 충돌하면 n=1 상태에 있는 전자들 중 하나가 바깥으로 튕겨나간다. 그러면 n=2 상태 또는 그보다 높은 에너지 상태에 있는 전자가 튕겨나간 전자의 자리로 내려오면서 엑스선을 방출한다.

양자 역학이란 무엇일까?
파동성이 중요한 역할을 하는 원자는 물론 분자, 액체, 고체의 성질을 연구하는 분야를 양자 역학이라 부른다. 원자는 슈뢰딩거의 방정식을 따른다. 그러나 수소 원자보다 더 복잡한 원자는 컴퓨터를 통해서만 슈뢰딩거 방정식의 해를 구할 수 있다. 방정식을 풀고, 복잡한 모형을 만들고, 실험을 시뮬레이션하기 위해 컴퓨터를 사용하는 것은 물리학 연구에 있어 중요한 부분을 차지하며, 이를 전산 물리학이라 부른다.
최근에 양자 역학 분야에서 이루어낸 성과는 응집 물질 물리 분야, 즉 고체 물리 분야와 원자 물리에서 있었다. MP3 플레이어, 텔레비전, 카메라, 휴대 전화에 사용되는 모든 집적 회로들은 양자 역학을 바탕으로 고안된 것이다. 이런 전자 기기는 모두 다이오드와 트랜지스터를 기반으로 하고 있다. 다이오드나 트랜지스터의 성질을 이해하고 이것들을 만드는 데 사용되는 적절한 재료를 선택하기 위해서는 양자 물리학이 필요하다. 이런 물질 중에 가장 흥미로운 새로운 물질이 ‘그래핀(graphene)’이다. 그래핀은 원자가 육각형 형태로 배열되어 있는 얇은 막으로, 두께는 한 원자의 두께 정도밖에 안 된다. 그래핀은 집적도가 높은 집적 회로에 사용될 아주 얇은 트랜지스터를 만들기 위해 연구되어왔다. 그래핀은 또한 단일 원자나 분자를 감지하기 위한 센서로 사용될 수도 있고, 터치스크린 컴퓨터 모니터의 투명 전극으로도 사용될 수 있다. 그래핀의 발견에 2010년 노벨상이 수여되었다.
1924년부터 1925년까지 아인슈타인과 인도 물리학자 보스(Satyendra Nath Bose, 1894~1974)는 원자 기체가 충분히 냉각되면 원자가 거시적인 관점에서 양자 효과를 보여줄 수 있는 물질의 새로운 상태를 만들 수 있을 것이라고 예측했다. 이 예측을 확인하기 위한 최초의 실험이 1995년에 코넬(Eric Cornell, 1962~ )과 와이먼(Carl Wieman, 1952~ )에 의해 이루어졌다. 그들은 콜로라도 대학에서 루비듐 원자 기체를 절대온도 600만분의 1도까지 냉각시켰다. 이들은 이 연구로 MIT의 케털리(Wolfgang Ketterle, 1957~ )과 함께 2001년 노벨상을 수상했다. 보스-아인슈타인 집적이라 불리는 이 새로운 상태의 물질은 아직 응용되지 않고 있다. 물리학자들은 이 집적물을 어떻게 원자가 매우 낮은 온도에서 상호 작용을 하는지를 알아내기 위한 연구에 사용하고 있으며, 미래 원자시계나 컴퓨터에서 어떻게 사용될 수 있는지를 연구하고 있다.

레이저슴 어떻게 발명되었나?
양자 역학을 실용적으로 응용하고 있는 것 중 하나가 가정에서 사용되는 CD나 DVD 플레이어와 레이저 포인터다. 레이저는 오래전에 아인슈타인이 예측했던 빛의 유도 방출을 이용하는 장치다. 1953년 찰스 타운스(Charles Towners, 1915~ )는 컬럼비아 대학에서(그 후에는 MIT에서) 유도 방출에 의해 마이크로파를 증폭시키는 ‘메이저’라 불리는 장치를 개발하여 특허를 받았다. 처음에는 암모니아 분자를 사용하여 이 장치를 작동시키다가, 이후에는 수소 메이저를 사용하게 되었으며, 현재에는 매우 정확한 시계에 사용되고 있다. 1958년에 타운스와 숄로(Arthru Schawlow, 1921~1999)는 메이저의 개념을 가시광선에까지 확장하기 위해서는 어떤 분자가 사용될 수 있는지를 설명했다. 이들의 논문이 발표된 후에, 대학과 산업체의 물리학자들이 이 생각을 적용한 기기를 만들기 위한 연구를 시작했다.
1960년 5월 휴스 항공기 회사에 다니던 메이먼(Theodore Maiman, 1927~2007)이 루비 결정과 플래시 램프(카메라 플래시 라이트와 비슷한)를 사용하여 만든 ‘광학 메이저’를 선보였다. 플래시 램프는 루비 결정 안에 있는 크롬을 들뜬상태로 만드는 데 사용되었다. 메이먼은 그 후 컬럼비아 대학에서 타운스와 함께 일했던 굴드(Gordon Gould, 1920~2005)와 레이저 분야에서 냈던 특허권의 유효성과 관련하여 소송에 휘말리기도 했다. 1973년에 굴드가 특허권을 인정받았다. 메이먼은 레이저와 관련해 많은 상을 받기는 했지만 노벨상을 타지는 못했다.
지난 50년 동안 ‘연구 과제로만 다루어졌던’ 레이저가 엄청난 부가 가치를 창조하는 산업이 되었다. 레이저는 헬륨-네온 레이저와 같이 기체를 사용하여 만들기도 한다. 이산화탄소 레이저는 천이나 금속을 자를 때 사용되며, 아르곤-이온 레이저는 수술에 사용된다. 자외선 엑시머 레이저는 눈 수술에 사용된다. 자유 전자 레이저는 연구에 사용되고 있다. 반도체 결정을 이용해 만들어진 반도체 레이저는 CD와 DVD 플레이어, 레이저 포인터로 사용되며, 우리 집 앞까지 인터넷을 연결해줄 수 있도록 광 통신에도 사용되고 있다. 레이저는 물리, 화학, 생물 분야의 연구를 혁명적으로 바꾸어놓고 있다.