뉴턴의 운동방정식은 힘이 주어지면 물체가 어떤 운동을 할 것인지를 결정한다. 그 의미는, 힘과 초기 조건이 주어지면 물체가 움직이는 미래의 모습이 완전히 결정된다는 것이다. 현재의 상태가 미래를 결정한다. 뉴턴 운동방정식이 강력한 점은 바로 현재의 모습에서 미래의 모습을 예측할 수 있다는 데 있다. ---「1장 물체의 움직임을 분석하는 방식에 대한 이해」중에서

자연에서 에너지 보존법칙(energy conservation law)이 성립되지 않는 현상은 아직까지 발견된 적이 없다. 만약 에너지가 보존되지 않는 현상이 발견된다면, 그것은 다른 형태로 에너지가 바뀌는 현상을 확인하지 못한 결과일 것이다. 물리학자들은 자연의 새로운 현상에서 새로운 형태의 에너지가 있다는 사실을 확인해왔다. ---「2장 에너지와 파워」중에서

갈릴레오는 움직이는 물체가 정지하는 현상이 결코 보편적인 현상이 아니라는 것을 파악했다. 그리고 갈릴레오에 이어 뉴턴은 속도가 변하는 현상을 외부에서 작용하는 힘과 연결시켰다. 주위의 물체들이 정지하게 되는 이유는 물체에 힘이 작용하고 있기 때문이다. 물체를 정지시키는 원인이 되는 미끄럼 마찰력과 공기 저항 등은 보존력이 아니다. 대신 물체의 운동에너지를 열로 바꿈으로써 역학에너지를 사라지게 한다. ---「3장 마찰력은 움직이는 물체를 어떻게 정지시키는가」중에서

주변에 있는 물체가 아주 먼 곳으로 계속하여 이동하는 일은 거의 없다. 물체는 대부분 주변에서 계속 맴돈다. 그리고 주기적으로 반복하여 움직이기도 한다. 주기를 가지고 움직이는 운동을 주기운동(periodic motion)이라고 한다. 등속으로 회전하거나 단진동하는 모습은 대표적인 주기운동이다. ---「4장 주기운동은 어떻게 다루는가」중에서

산 위에 올라가면 압력이 낮아진다. 높은 산 위에서 빈 페트병 뚜껑을 닫은 뒤 산 아래로 내려오면 페트병이 찌그러진다. 산 아래에서는 페트병에 작용하는 대기압이 커지므로 페트병을 찌그러뜨릴 정도의 상당한 힘이 작용한다. 압력이 클수록 물체에 작용하는 힘이 세다는 것을 짐작할 수 있다. 그렇다면 압력과 힘은 같은가? 그렇지 않다. 압력이란 물체의 면적에 힘이 분산되어 나타나는 정도를 말한다. 정확하게 말하면 압력이란 단위 면적에 작용하는 힘이다. ---「5장 압력과 함은 어떻게 다른가」중에서

호수에 돌을 던지면 돌이 만들어낸 파원이 출렁거리면 물결파가 퍼져나간다. 실제로 물이 밖으로 이동하는 것은 아니지만 물결은 물이 출렁거림에 따라 이동한다. 파동은 이처럼 진동이 다른 곳으로 전달되는 현상이다. 파동에는 파장이 있고, 진동에는 주기가 있다. ---「6장 파동은 어떻게 다루는가」중에서

발전소가 전기에너지를 생산하는 과정은 소비자가 전기에너지를 사용하는 것과 밀접한 관계가 있다. 그 이유는 소비자가 전기에너지를 사용하면 발전소의 발전기에 상당한 힘이 걸리기 때문이다. 이 힘을 만드는 모든 전기적 요소를 부하(load)라고 한다. 부하는 전력을 생산하기 위해 움직이는 코일의 움직임에 제동을 건다. 따라서 전력을 계속 생산하려면 부하가 발전기에 작용하는 힘을 이겨내고 일을 해야 한다. ---「7장 전기에너지와 기전력」중에서

전류가 흐르면 전선 주위에 자장이 생긴다. 그런데 교류가 흐르면 주위에 생기는 자장도 주기적으로 변한다. 자장이 주기적으로 변하면 주변의 공간에 전류가 유도되고, 유도된 공간전류 역시 주기적으로 변한다. 전선이 끊어진 양단의 도체에는 전하가 주기적으로 쌓이고, 이 전하가 공간에 만드는 전장 역시 주기적으로 변한다. 도체 주위의 공간에서 전장과 자장이 주기적으로 변한다. 결국 주기적으로 변하는 자장과 전장은 공간을 따라 퍼져나간다. 이것이 전자파다. ---「8장 전자파의 방출」중에서

열(heat)이란 분자들이 가지고 있는 운동에너지를 말한다. 열의 표준단위는 J이다. 물질이 열을 흡수하면 보통 온도가 올라간다. 양이 많으면 열도 많이 필요하다. 따라서 물질의 성질을 비교하려면 물질의 성질을 비교하려면 물질의 양에 따라 달라지는 물리량을 정의할 필요가 있다. 이를 위해 비열(specific heat)을 정의한다. 비열이란 1kg의 물질을 1도 올리는 데 필요한 열로 정의한다. ---「9장 열이란 무엇인가」중에서

팽창이나 압축되는 과정에서 열 손실이 일어나지 않는 과정을 가역과정(reversible process)이라고 한다. 엔트로피가 증가한다는 것은 분자들의 운동 상태가 더욱 다양해진다는 것을 의미한다. 가역과정이란, 클라우지우스에 따르면 열이 이동해도 총 엔트로피의 변화가 없는 과정이다. 이것을 볼츠만의 해석으로 바꾸면 가역과정이란 분자들이 가지는 운동 상태의 총 가짓수를 변화시키지 않는 과정이다. 따라서 비가역과정이 일어날 때마다 우주의 총 엔트로피는 증가한다. ---「10장 열은 얼마나 효율적으로 쓸 수 있나」중에서

빛은 겉으로 보기에 기하학적인 광선과 파동, 입자라는 서로 상충되는 성질을 가지고 있는 것처럼 보인다. 그러나 수수께끼 같은 빛을 제대로 이해하는 문제는 과학자들에게 큰 도전이 되었고, 인간의 상상력을 넓혀 물질과 우주를 이해할 수 있는 자연의 선물이 되었다. ---「11장 빛의 정체는 무엇인가」중에서

전자의 특성은 전하와 질량, 그리고 스핀으로 표현된다. 스핀(spin)은 자석과 반응하는 아주 작은 자석에 해당하는 양이고, 영구자석을 만드는 요소이다. 전자의 스핀은 두 가지 상태가 가능하고, 보통 up과 down으로 표현한다. 스핀은 자성을 만드는 속성을 가졌을 뿐 아니라 원자의 화학적 성질을 나타내는 주기율표를 설명하는 데 중요한 역할을 한다. 원자의 궤도에 전자가 들어갈 때 스핀 상태가 같은 전자는 들어갈 수 없기 때문이다. ---「12장 전자는 어떻게 다루어야 하나」중에서

물리학은 인간의 이성과 합리적인 생각을 바탕으로 이루어진 수학적 방법과 실험적 도구가 성공적임을 확인해주고 있다. 그럼에도 우주가 가지고 있는 물질과 에너지, 그리고 우주의 역사를 생각하면 우주 초기에서부터 우주의 미래까지를 이해할 수 있는 적절한 물리학적 사고와 방법이 충분하지 않다는 것을 짐작할 수 있다. 우주를 제대로 이해하기 위해서는 새로운 돌파구가 절실히 필요한 시점이다.

<b>자연을 보다 직접적이고 쉽게 파악할 수 있게<br/>에너지의 이해와 활용을 다루다!</b><br/><br/>물리학을 운동법칙과 운동방정식을 근간으로 설명하는 대부분의 책과는 달리, 이 책은 에너지를 근간으로 하는 접근법을 사용한다. 실제로 고급물리학을 전공하는 대부분의 물리학자들은 에너지와 관련된 개념을 중심으로 자연현상을 이해한다. 그 까닭은 에너지가 운동법칙보다 더 기본적인 개념이며, 벡터(크기와 방향을 동시에 나타내는 물리량)를 직접 사용하지 않기 때문이다.<br/><br/>1장과 2장은 자연현상을 서술하는 방식을 다루고 있다. 뉴턴의 운동법칙과, 이를 에너지로 파악하는 방법을 다룬다. 3장부터 6장까지는 일상에서 자주 접할 수 있는 마찰력, 주기운동, 압력과 파동을 다룬다. 이 부분은 역사적으로 볼 때 16세기 이후 19세기까지 일상에서 접하는 현상을 다룰 수 있는 기본방식을 정립한 것이기도 하다.<br/>7장과 8장은 전류와 전하 및 전자파를 다루고 있고, 9장과 10장은 열과 엔트로피를 다룬다. 19세기에 확립된 전기와 열에 대한 지식은 20세기 들어 물질을 혁신적으로 다룰 수 있는 기반을 형성하는 데 중요한 역할을 하였다. 빛과 전자를 자유자재로 다룰 수 있는 능력이 형성하게 된 것도 전기와 열을 다룰 수 있게 된 덕분이다.<br/>11장과 12장은 빛과 전자를 현대적으로 다루는 방식에 대해 서술한다. 마치는 글 13장에서는 20세기에 새롭게 알려진 질량에너지의 역할을 소개하면서 천문과 우주의 다이내믹한 현상의 중심에 질량에너지가 있음을 알게 한다.<br/><br/>각 단원에는 ‘생각해보기’와 ‘확인하기’가 있다. 생각해보기는 본문에서 다룬 지식을 좀 더 구체적으로 파악하고 좀 더 깊은 내용을 생각할 수 있는 질문으로 구성되어 있다. 생각해보기의 홀수 문제는 개념이 추상적으로 흐르지 않도록 숫자를 통해 개념을 이해하는 역할로 활용하였고, 결과를 확인할 수 있게 답을 제공하였다. 생각해보기의 짝수 문제는 많은 경우 독자가 직접 여러 문헌과 정보를 찾아봄으로써 스스로 깨우칠 수 있는 문제나 본문에서 다루지 못한 개념을 소개하는 문제이다. 따라서 관심 있는 독자라면 이 문제와 씨름하는 것이 바람직하다고 생각한다. 확인하기는 독자가 본문의 내용을 이해하고 있는지를 확인할 수 있도록 선별하였고, 간단한 답도 제공하고 있다.<br/><br/>차근차근 풀어나가는 이 책을 읽다 보면 자연현상을 아우르는 물리학의 매력, 곧 인간의 이성과 합리적인 생각을 바탕으로 하여 이루어진 수학적 방법과 실험적 도구가 성공적임을 확인할 수 있다. 그리고 여전히 해결해야 하고 채워 넣어야 할 많은 연구가 필요하다는 것도…….