출간 의의

이 책은 물리학이라는 드넓은 분야에서 운동과 측정, 힘과 에너지, 진동과 파동, 전자기, 열역학, 현대 물리학, 천체 물리학 등으로 주제를 추렸다. 각 주제에 포함되는 핵심 용어를 사전 형식으로 정리하고, 그 용어들이 품은 개념이 서로 어떻게 연결되는지 마인드맵이라는 일종의 ‘물리학 지도’로 설명한다. 《마인드맵 물리학》은 청소년뿐만 아니라 과학에 관심 있는 모든 독자가 일상에서 물리학의 중요성을 발견하고, ‘물리학 언어’를 쉽게 익힐 수 있도록 돕는다.

이 책의 특징

모든 것이 물리

맞춰 둔 알람 소리가 시끄럽게 울린다. 우리는 어떤 원리로 이 소리를 들을 수 있는 걸까? 알람이 울리면 진동이 생긴다. 진동은 공기를 통해 우리 귀로 전달된다. 즉 우리는 ‘소리’라는 진동을 듣는 것이다. 이 원리는 물리학의 기본 개념 가운데 하나다.

이제, 알람을 끄고 졸린 눈을 비비며 일어나 보자. 하지만 아직 머릿속이 멍하다. 커피를 한 잔 마셔 볼까? 커피를 타기 위해 물을 끓인다. 물은 어떻게 끓는 것일까? 물을 가열하면 그 에너지가 물 분자에 전달된다. 그러면 물 분자의 운동 에너지가 커진다. 그래서 물이 끓는다.

공기의 흐름, 열의 변화, 아침 햇살을 보는 일, 걷기, 뛰기, 우리가 쉴 새 없이 쓰는 스마트폰 같은 온갖 물건, 교통수단…, 우리 삶의 거의 모든 것, 모든 행위는 물리로 이루어져 있다.

이렇듯 물리학은 우리의 일상과 삶의 가장 근본적인 원리를 설명한다. 이 학문을 더 잘 이해할수록 우리는 더 이로운 기술을 만들어 낼 수 있고, 우리 삶은 그만큼 더 나아질 것이다.

하지만 물리학은 정말 방대하다. 입자 물리학의 미시적인 원자 내 세계에서 시작해 천체 물리학의 끝없는 우주에 이르기까지, 그리고 그 사이의 무수히 많은 과학 현상을 다룬다. 이토록 광활한 물리학의 세계를 어떻게 하면 쉽게 이해할 수 있을까?

개념과 개념이 하나의 유기체처럼 펼쳐지는 물리학 지도, 마인드맵

마인드맵은 특정 분야의 핵심 용어와 그 관계를 구조적으로 보여 주는 시각적 도구다. 일종의 ‘개념 지도’ 같은 것인데, 이 도구는 용어의 정의를 외우는 것을 넘어, 용어 뒤에 숨은 개념을 깊이 이해하고, 개념들이 연결되고 발전하는 과정을 한눈에 파악하도록 도와준다.

《마인드맵 물리학》에는 운동과 측정, 힘과 에너지, 진동과 파동, 전자기, 열역학, 현대 물리학, 천체 물리학 등 각 주제의 핵심을 담은 일곱 개의 마인드맵을 실었고, 각 주제별 핵심 용어들을 사전 형식으로 정리했다. 마인드맵을 펼쳐 본 뒤 핵심 용어들을 익혀 나가다 보면, 서로 상관없는 것 같던 물리학 개념들의 관계가 머릿속에 하나의 지도처럼 명확히 보일 것이다.

물리학은 우리 우주가 작용하는 방식을 연구하는 과학이다. 물리학을 이해하는 일은 지금 우리의 삶을 이루는 모든 것과 다가올 미래를 이해하는 일이다. 《마인드맵 물리학》은 중학교, 고등학교 교과 과정뿐만 아니라 그 이상의 과학 현상을 연결하는 고리들을 충실히 담았다. 이로써 물리학을 처음 접하는 독자는 핵심 개념에 대한 폭넓은 설명을 즐길 수 있고, 이미 물리학의 세계에 들어선 독자는 복잡한 연결 고리와 개념들을 이해할 수 있을 것이다.

이 책을 활용해 물리학이라는 흥미로운 주제를 계속 탐험한다면 우리는 우리의 우주를, 우리의 삶을 조금 더 이해하게 될 것이다. 

지은이

벤 스틸

영국 레스터 대학교에서 물리학과 우주 과학을 공부했고, 셰필드 대학교에서 실험 입자 물리학 박사 학위를 받았다. 지금은 런던 퀸메리 대학교의 연구 교수로 일하며 물리학자로서 여정을 계속해 나가고 있다. 그동안 어렵게 느껴지는 물리학을 독자에게 쉽게 소개해 왔는데, 이러한 과학 커뮤니케이션 분야의 공로를 인정받아 더 사이언스 인 소사이어티 상과 물리학 커뮤니케이터 상을 받았다. 지은 책으로는 《주기율표의 사생활》 《블록으로 설명하는 입자 물리학》 등이 있다.

옮긴이

지여울

한양 대학교 토목환경공학과를 졸업하고 토목 설계 회사에서 일하다가 현재는 출판 전문 번역가로 일하고 있다. 《열다섯이 여든에게 묻다》 《가장 오래 살아남은 것들을 향한 탐험》 《커브볼은 왜 휘어지는가?》 《탐정이 된 과학자들》 《실존주의자로 사는 법》 《진리의 발견-앞서나간 자들》 등을 우리말로 옮겼다.

들어가며

1. 운동과 측정

•실험과 측정

실험 | 측정 | 정밀도 | 정확도 | 정밀도와 정확도 | 오차 | 단위

•단위

물리 상수 | 기본 단위 | 유도 단위 | 접두어 | 초 | 미터 | 킬로그램 | 암페어 | 몰 | 켈빈 | 칸델라 | 공간 | 위치 | 이동 거리 | 변위

•스칼라와 벡터

스칼라 | 벡터 | 시간 | 속력 | 속도 | 운동량 | 가속도 | 직선 운동 | 원운동 | 각속도

2. 힘과 에너지

•기본 상호 작용

힘 | 전자기력 | 강한 상호 작용 | 약한 상호 작용 | 수직 항력 | 마찰력 | 정지 마찰력과 운동 마찰력 | 중력 | 질량 | 뉴턴의 중력 | 장 | 역선 | 장의 세기 | 에너지 | 에너지 보존 | 에너지 전환 | 에너지 저장 | 일

•뉴턴의 운동 법칙

동역학 | 뉴턴 제1법칙 : 관성의 법칙 | 뉴턴 제2법칙 : 가속도의 법칙 | 뉴턴 제3법칙 : 작용 반작용의 법칙 | 운동 에너지 | 위치 에너지 | 가속도 | 충격량 | 돌림힘

3. 진동과 파동

•진동과 파동

진동 | 파동 | 진폭 | 종파 | 횡파 | 음파 | 지진파 | 전자기파 | 반사 | 반사의 법칙 | 굴절 | 굴절률 | 분산 | 회절 | 통신 | 영상화 | 분해능 | 도플러 효과 | 적색 편이와 청색 편이 | 파동의 주기 | 파동의 진동수 | 파장 | 파동의 진행 속력 | 진행파 | 위상 | 중첩 | 간섭 | 단순 조화 운동

4. 전자기

• 전하

전하 | 전자 | 이온 | 플라스마 | 전도체 | 초전도체 | 반도체 | 절연체 | 마찰 전기 대전서열 | 전류 | 직류 | 교류 | 저항 | 정전기력 | 쿨롱의 법칙 | 전기장 | 전위차(전압)

•자성

자기 모멘트 | 자기력 | 자기장 | 상자성 | 강자성 물질 | 영구 자석 물질 | 반자성 | 전자석 | 앙페르 법칙 | 전류가 흐르는 도선이 받는 힘 | 전자기 유도 | 발전기 | 패러데이 법칙 | 로런츠 힘 | 맥스웰 방정식 | 전자기파 | 전자기파 스펙트럼

5. 열역학

•열역학

계 | 질량 | 입자 수 | 부피 | 압력 | 온도 | 화씨온도 | 섭씨온도 | 절대온도

•기체의 생애

보일의 법칙 | 샤를의 법칙 | 게이뤼삭의 법칙 | 이상 기체 방정식 | 절대 0도 | 열평형 | 열역학 제0법칙 | 열역학적 일 | 전도 | 대류 | 복사 | 열역학 제1법칙 | 내부 에너지 | 잠열 | 비열 | 엔트로피 | 열역학 제2법칙 | 열역학 제3법칙 | 이상 기체 | 맥스웰-볼츠만 분포 | 열기관 | 압력-부피 그래프 | 등압 변화 | 등적 변화 | 등온 변화 | 단열 변화

6. 현대 물리학

•상대성 이론

상대 운동 | 특수 상대성 이론 | 시공간 | 시간 팽창 | 길이 수축 | 비관성계 | 시공간 휘어짐 | 일반 상대성 이론 | 빛의 휘어짐 | 중력 렌즈 현상 | 블랙홀 | 웜홀 | 중력파

•핵 물리학

전자 | 쿼크 | 방사성 원자 | 방사성 붕괴 | 알파 붕괴 | 베타 붕괴 | 감마 붕괴 | 반감기 | 원자 모형 | 중성자 | 동위 원소 | 핵융합 | 핵분열 | 연쇄 반응

•양자 역학

광전 효과 | 이중 슬릿 실험 | 파동-입자 이중성 | 불확정성 원리 | 양자 중첩 | 슈뢰딩거의 고양이

7. 천체 물리학

•초기의 우주

빅뱅 | 인플레이션 | 팽창 | 우주 배경 복사 | 은하 | 암흑 물질 | 은하 형태 | 은하 충돌 | 거대 질량 블랙홀 | 우리 은하 | 별 | 주계열성 | 거성과 왜성 | 적색 거성 | 백색 왜성 초거성 | 초신성 | 중성자별 | 블랙홀

•우리의 태양계

태양 | 태양계 | 행성계 원반 | 행성 | 소행성대 | 케플러 법칙 | 지구 | 달 | 위성 | 혜성 | 유성