특수상대성이론에서 응집물질물리학까지,
물리학 전 분야의 핵심 파헤치기

1부 The Fastest : 빛의 속도로 운동하면 무엇이 보일까
특수상대성이론의 기본 토대인 상대성 원리와 광속 불변의 원리를 소개한다. 이 두 가지 원리를 바탕으로 특수상대성이론의 모든 효과를 논리적으로 이끌어낼 수 있다. 그러나 특수상대성이론은 이상적인 상황에 대한 논리적 추론으로, 대부분 현실에는 적용되지 않는다. 유명한 사다리 역설, 재료의 성질에 대한 강체 역설, 시공간의 휘어짐을 보여주는 에렌페스트 역설, 쌍둥이 역설 등을 알아본다. 또한 1부에서는 빛의 속도에 이르기 위해 넘어야 할 기술적 걸림돌에 대해 알아보면서 공기역학에 관련한 지식을 실제 현상을 근거로 상세하게 소개한다.

2부 The Largest : 우주의 기원
2부에서는 공간의 크기와 시간의 길이를 극한으로 보내본다. 우리가 생각할 수 있는 최대 크기는 물론 우주이다. 우선 빅뱅이론에 근거해 우주의 탄생과 발전 과정, 우주의 미래에 대해 알아본다. 그리고 우주에 무엇이 있는지 알아본다. 항성, 행성, 위성, 혜성, 중성자별, 백색왜성, 적색왜성, 흑색왜성, 적색거성, 초신성 등 다양한 천체에 대해 정리하고 천체의 진화 방향을 결정하는 질량 등급에 대해 설명한다.
또 2부에서는 만유인력을 바탕으로 천체들의 상호작용을 해설하며, 뉴턴이 케플러와 갈릴레이 두 과학자의 도움으로 만유인력의 법칙을 정립한 과정을 소개한다.

3부 The Most Massive : 일반상대성원리
만유인력 법칙으로 설명할 수 없는 더 큰 차원의 공간과 시간을 설명하기 위해 아인슈타인의 일반상대성이론을 알아본다. 물리학 분야 전체에서도 ‘고고한’ 지위를 차지하고 있는 일반상대성이론의 천재적인 발견과 현대 우주학의 탄생을 알아본다. 일반상대성이론에 근거해 중력이 ‘힘’이 아니라 공간의 휘어짐에 따른 가속운동 효과라는 것을 알 수 있다. 중력파, 위성항법장치(GPS), 블랙홀에 대해서도 탐구해 본다.

4부 The Tiniest : 기묘한 미시적 세계
4부에서는 극한의 작은 크기, 즉 미시적 세계의 물리법칙을 다룬다. 물질의 최소 구성 단위에 대해서는 현대 물리학에서도 결론이 나지 않은 상태이다. 우선 원자물리학 세계를 탐구한다. 고전 이론이 원자 구조 앞에서 무너지고 양자역학이 탄생한 과정을 알아본다. 양자역학으로 원자 내부의 전자 운동을 해석할 수 있으며, 슈뢰딩거 방정식과 코펜하겐 해석으로 전자 운동을 이해할 수 있다. 또한 원자의 수천조분의 1 크기인 원자핵을 살펴본다. 원자핵을 구성하고 있는 양성자와 중성자의 상호작용과 핵 반응에 대해서도 알아본다.
이어 한층 더 미시적인 세계인 입자물리학을 엿본다. 양성자와 중성자를 구성하는 최소 단위 쿼크를 소개하고, 기본 입자를 설명하는 양-밀스 장 이론과 표준 모형 이론에 대해 알아본다.

5부 The Hottest : 무질서 속에 질서가 있는 실재 세계
5부는 다입자계와 앙상블의 세계, 즉 개별 대상의 이론적인 물리적 상태가 아닌 실재하는 세계를 들여다본다. 그러기 위해서 먼저 온도가 무엇인지 알아본다. 대량의 입자들이 가진 평균 운동에너지 값으로 온도의 개념을 정의하고, 물질의 다양한 특성과 온도의 관계를 살펴본다. 계의 물리적 성질과 온도의 관계는 열역학이라는 학문으로 발전되었다. 열역학의 이론과 법칙을 살펴보고 통계역학으로 발전하면서 정립된 엔트로피 정의도 살펴본다. 이어 온도 상승에 따른 물질 상태의 변화, 그리고 핵 반응을 일으킬 수 있는 고온 환경을 만드는 방법에 대해서도 알아본다. 5부에서는 또한 복잡계 과학을 설명하여 삼체 문제, 나비효과, 카오스 시스템에 대해서도 해설한다.

6부 The Coldest : 저온 상태에서의 질서
5부에 상대되는 6부에서는 온도를 실온에서 절대 0도까지 내리면서 일어나는 현상에 대해 알아본다. 먼저 비교적 낮은 온도에서 물질이 보편적으로 고체 상태로 존재하는 사실을 바탕으로 고체의 물리적 속성을 파헤쳐 본다. 고체의 역학적, 열적, 전기적, 자기적 성질을 살펴보면서 재료물리학의 핵심을 이해할 수 있다. 그리고 양자역학을 바탕으로 하는 고체의 여러 가지 속성, 즉 고체물리학의 내용을 정리해본다. 마지막으로 온도가 절대 0도에 근접할 때 일어나는 양자역학적 현상인 초유체 현상, 초전도체 현상, 양자홀 효과에 대해 알아보며 응집물질물리학 분야를 소개한다.

꼭 필요한 기초물리학 실력, 준비는 안 됐는데 교과서는 펼치기 싫다면?
《익스트림 물리학》이 답이다!

이공계 대학 신입생들의 기초과학 역량이 떨어져 수업에 어려움을 겪는가 하면 전공을 중도 포기하는 학생들도 많다고 한다. 일부 대학은 신입생을 대상으로 고등학교 수준의 물리, 화학 보충수업을 시키기도 한다. 입시 편의를 위해 선택 과목을 늘리다 보니, 학생들이 어려운 과목을 공부하기를 꺼린 결과라고 한다. 기초과학 학력 저하는 과학기술 전반의 인재 역량 저하로 이어질 수밖에 없다.
고등학교 교과서를 다시 꺼내 들거나, 입시 공부로 되돌아가기 꺼려지는 이공계생이라면 《익스트림 물리학》이 대안이 될 수 있다. 기본 개념에 충실하여 물리학의 전 분야를 꿰뚫고 있는 데다가, 긴 여정을 안내하는 저자의 시선이 무척 독창적이어서 어려운 개념들이 흥미롭게 다가오기 때문이다. 여섯 가지 극한 세계의 물리 ‘맛’을 모두 보고 나면 73명의 과학자, 47가지 물리학 원리와 정리, 25개의 물리 실험과 사고실험, 그리고 44가지 물리학 이론과 541개의 물리학·수학 개념은 온전한 내 것이 되어 있을 것이다.