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양자전기역학(QED)이라는 어려운 물리학을 쉽고 간단하게 설명한 책. 양자론이 지배하는 원자의 세계에서의 여기와 저기가 동시에 존재하는 것과 같이 상식에 어긋나는 극미의 세계를 쉽게 풀이했고 또한 빛과 전자들이 어떻게 행동하는가를 자세하게 서술했다. 아울러 양자전기역학의 등장을 비롯해 빛을 구성하는 입자와 빛과 물질의 상호작용 및 과학자의 관찰방법과 사고방식 등을 수록했다. (양장본)

※ 승산 북카페 "이 책의 포럼" ☞ qed.seungsan.com

“1959년 12월 29일 미국물리학회 주최로 캘리포니아 공과대학에서 열린 이 유명한 강연에서 소형화의 미래를 설명했다. 이것은 파인만이'나노테크놀로지(NT)의 아버지'로서 수십 년이나 시대를 앞선 강연이었다. ”

미국과 일본, 유럽 등 선진국들은 나노기술(NT) 연구에 국가적인 총력을 기울이고 있으며 금년부터는 우리나라도 정보기술(IT) 및 생명공학기술(BT)에 이어 나노기술개발을 차세대 핵심 기술로 확정하고, 현재 기초연구 단계인 나노기술을 선진 5개국 수준으로 끌어올리기 위해 향후 10년간 총 1조 5000억원을 투자하기로 했다-신문보도내용

금년이 양자역학이 탄생한지 101주년입니다. 더 늦기 전에 지식인들과 대학(원)생들은 물론이고, 중 고등학생들까지도 양자전기역학의 신비한 세계를 쉽게 이해할 수 있는 책이 필요하다는 생각으로 <일반인을 위한 파인만의 QED 강의>를 기획합니다.

책 소개
빛은 직진한다
빛은 입사각과 반사각이 같다
빛의 속도는 초속 30만 킬로미터다

학생들은 위의 내용을 전혀 의심하지 않고 문제를 더 빨리 풀기 위해 공식을 달달달 외워야 합니다. 암기 능력이 시험 점수로 연결된다는 것은 아무나 알고 있는 사실입니다. 요점 정리에 익숙한 학생들에겐 깊은 사고를 할 여유가 없습니다.

여기 생각의 장을 제공하는 사람이 있습니다.
그 사람은 바로 빛은 왜 직진하는가? 빛은 왜 입사각과 반사각이 같은가? 초속 30만 킬로미터보다 더 빠른 빛은 존재하는가?라는 근본적인 문제를 주물럭거린 리처드 파인만입니다. 파인만은 생전에 노벨상의 명예보다도 교육자임을 더 자랑스러워했고 어떤 유명 단체의 초청이 있어도 어린 학생들이 부탁하는 강의는 거절하는 법이 없었습니다.

파인만은 이 책 QED(양자전기역학)를 물리학에 호기심이 많은 친구 A.G. 머트너의 집요한 질문에 답하기 위해서 썼습니다. 막상 빛과 물질에 관해서 일반인인 친구에게 강의를 하자니 한 시간이나 하루 동안에 할 수 있는 내용이 아니라는 생각 때문이었습니다.

책에서 파인만은 나흘간의 강의를 통해 물리학을 잘 모르는 일반인들에게 물리학자조차 다루기 어렵기로 소문난 QED의 세계를 탁월한 유머감각과 언변으로 놀랍도록 쉽게 설명합니다. 아마 양자 물리학과 초끈이론, 우주론 따위에 대한 일반인을 위한 책에 늘 불만족스러웠을 독자들에게 파인만의 책만큼은 예외가 될 것입니다. 파인만은 분석적인 설명을 하지 않고 물리학과 실험에 대해 말할 뿐입니다. 파인만은 수학적 상징도, 복잡한 숫자도, 모형도, 파동역학도, 확률분석도… 들먹이지 않고 독자가 전에는 결코 가보지 못한 상식을 뒤엎는 세계로 안내해줄 것입니다.

QED(양자전기역학)란 무엇인가?
양자역학이 원자의 성질을 예측할 수 있다는 사실이 입증되고 나서 곧바로 전자기 현상을 이해하기 위한 수학적 도구가 개발되었다. 그 결과가 곧 양자전기역학 Quantum Electrodynamics이다. 양자전기역학은 폴 디랙 Paul Adrian Maurice Dirac 베르너 하이젠베르크 Berner Karl Heisenberg 등의 연구로 1930년경에 처음 탄생했다.

하지만 20년 가까이 부정확한 해나 근사치만을 산출해왔다. 양자전기역학이 새로이 정식화되어 놀라운 정확도를 얻게 되는데, 이에 기여한 몇몇의 주역들 가운데 가장 두드러진 인물이 리처드 파인만이다. 스스로를 '편파적인 인간'이라고 한 그는 20세기의 걸출한 이론 물리학자로 철학자 루트비히 비트겐슈타인 Ludwig Wittgenstein처럼 진행 중인 연구에 관한 공식적인 지식은 조금 부족한 대신 심오한 직관력과 스스로 문제를 설정해 작업하는 남다른 재능이 있었다.

파인만은 1945년부터 코넬 대학에서 조교수로 베테와 함께 연구하면서 양자전기역학으로 관심을 돌렸다. 파인만이 양자전기역학을 수정한 것은 전후 물리학의 중요한 사건이다. 기존 이론이 틀린 것은 아니지만 언젠가 파인만이 설명한 대로,“계산하여 해를 구하려고 하면 너무나 풀기 어려운 복잡한 방정식으로 빠져든다.

제일 근사한 해를 얻을 수는 있지만, 수정하여 더 정확한 해를 구하려고 하면 무한량들이 불쑥 튀어나오기 시작한다.”전자가 전자기장 안에서 예측 가능한 방식으로 작용하는 것은 틀림없지만, 양자역학의 용어로 그것을 설명하려면 기본적으로 무한수의 양성자-우리의 감각으로 인식할 수 없으므로 가상의 입자들로 알려진-의 방출과 흡수에 말려들게 된다.

볼프강 파울리 Wolfgang Pauli와 베르너 하이젠베르크 같은 인물들이 숱한 시도를 거듭했지만 계산은 계속 불가능한 해를 산출했다. 그런데도 그 근거가 된 이론은 공격할 수가 없었다.

파인만의 독특한 접근법은 일련의 다이어그램(뒷날 파인만 다이어그램으로 불림)을 써서 전자와 광양자, 전자가 흡수하거나 방출하는 광양자를 추적할 수 있었다. 이들은 양자전기역학이 기술하는 기본 운동들이다.

파인만 다이어그램은 추상적 계산을 구체화함으로써 숫자들을 '되틀맞춤 Renormalization'하고 필요 없는 무한대를 제거할 수 있었다. 이 '경로 적분 path integral' 방법의 결과로 양자전기역학은 완전히 새로 태어났으며, 오늘날에는 10-9까지 놀라운 정확도를 가지고 계산할 수 있다.

1965년 파인만은 노벨 물리학상 Noble Prize in Physics을 받았다. 같은 시기에 비슷한 방법으로 양자전기역학을 재정식화한 줄리언 슈윙거 Julian Seymour Schwinger와 도모나가 신이치로 Sin-Itero Tomonaga와 함께였다. 파인만의 방법은 가장 단순하고 직관적이었으며 그의 다이어그램은 소립자와 관련된 문제들을 해결하는 데 광범하게 이용되었다.

파인만은 1951년 캘리포니아 공과대학 California Institute of Technology: CalTech으로 옮겨 세계적인 이론 물리학자로 왕성하게 활동했다. 초저온 상태에서 중력을 무시하는 액체 헬륨의 이상한 성질을 설명하는 이론도 그의 업적이다. 또한 '초유동 Superfluidity'을 설명하면서 초전도 Superconductivity와 관련된 현상을 거의 이해하기에 이르렀다. 초전도는 1957년 존 바딘 John Bardeen과 리언 쿠퍼 Leon N. Cooper, 존 슈리퍼 John R. Schrieffer에 의해 밝혀졌다. 파인만 베타붕괴, 즉 방사성 원소의 점차적인 해체로 증명된 '약력'의 움직임에 관한 이론도 발전시켰다.

파인만은 홀짝성 보존법칙 law of parity conservation이 약한 상호작용 Weak interaction에서는 지켜지지 않음을 발견하고 "일생 처음이자 유일하게 그 누구도 알지 못하는 자연 법칙을 발견했다"고 스스로 묘사할 만한 순간을 경험했다. 친구이자 캘리포니아 공과대학 동료인 겔만 Murray Gell-Mann은 파인만의 자만을 나무랐다.

하지만 겔만과 파인만은 약한 상호작용에 관한 일반 이론을 발전시켜 1958년「페르미 상호작용 이론」으로 처음 출간했다. 일반적으로 양자전기역학은, 또 파인만 자신은 원자 구성 입자의 구조를 설명하는 겔만의 양자색역학이론 Quantum chromodynamics 발전에 기여했다.

첫째날 입문
-양자전기역학 이전의 물리학 ...25
-양자전기역학의 등장 ...27
-완벽한 양자전기역학 ...29
-벌써 지루해진 청중들을 위해 ...32
-어떻게 양자전기역학을 설명할 것인가? ...34
-빛 : 광자 덩어리 ...37
-광전증폭기 : 빛의 입자성 ...39
-빛의 신기한 반사현상 ...43
-더욱 신기한 양면 반사현상 ...46
-만능해결사 : 화살표 물리학 ...51
-화살표의 정체 : 확률진폭 ...61

둘째날 광자(빛을 구성하는 입자)
-입사각과 반사각은 왜 같은가? ...72
-빛의 마술 : 회절격자 ...82
-양자전기역학이 설명하는 굴절현상 ...87
-생각하는 광자 : 지름길을 찾아서 ...91
-돋보기의 원리 ...96
-복합적인 사건의 확률 : 화살표의 곱셈 ...99
-다시 보는 반사현상 : 복합적인 사건 ...105
-복합사건으로 본 양면 반사현상 ...110
-멋진 예제 : 번식하는 광자? ...111
-주의! 화살표는 "하나의" 사건이 일어날 확률이다 ...117
-우리가 관측하는 자연현상이란 결국 하나의 사건일 뿐이다 ...122

셋째날 빛과 물질의 상호작용
-빛의 이중성 ...129
-전자도 이중성을 갖고 있다 ...135
-파인만의 시공도식 ...137
-세가지 기본도식 ...140
-전자와 전자의 충돌 ...145
-빛의 산란 ...150
-부분반사 ...155
-빛의 투과 ...162
-자연의 다양성 ...165
-자기쌍극지능률 ...171
-편광을 고려한다면 ...177

넷째날 남은 이야기
-재규격화 ...186
-결합상수 e의 신비 ...191
-양성자와 중성자 ...193
-강한 상호작용 ...195
-약한 상호작용 ...203
-반복되는 입자가족들 ...207

-색인 ...219
-지은이와 옮긴이 ...224