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빛과 시간, 특수상대성이론 - 품절(판매불가)

빛과 공간, 일반상대성이론

빛의 추적자

빛과 원자

빛과 양자

빛과 끈

EBS미디어센터 SAMPLE

EBS 다큐 프라임 Physics of the Light

[수상내역]
방송통신위원회 방송대상 - 우수상
방송통신심의위원회 - 이달의 좋은 프로그램
YMCA 좋은방송대상 - 최우수상


빛을 통해 본 물리학의 역사와 현재!

위대한 과학자들은 왜 빛에 집착했을까? 갈릴레오는 빛의 속도를 재려 했던 최초의 과학자였으며, 아인슈타인의 상대성이론은 빛에 대한 호기심에서 출발했다. 빛은 시대를 막론하고 물리학의 가장 뜨거운 주제 중 하나였다. 어려운 공식 하나 없이 물리학의 양대 축인 상대성이론과 양자역학을 중심으로 우리를 둘러싼 세계를 움직이는 근원을 탐구해보는 것이 과연 가능할까? 재연을 통해 과학사 속 주요 현장들을 완벽하게 복원하여 다큐멘터리의 사실감과 흥미를 증진하고, CG를 통해 어려운 물리학의 개념과 이론을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 구성하여 물리학이 걸어온 길을 가장 쉽게 보여주는 본격 물리 다큐멘터리를 만나본다.


1. 빛과 시간, 특수상대성이론

내가 빛과 같은 속도로 빛을 따라간다면 어떻게 될까?

갈릴레오 상대성원리에서 나와 상대의 속도를 계산할 수 있다는 데에 주목한 아인슈타인은 만약 사람이 빛 속도로 가면 정지된 빛의 모습도 볼 수 있을지 궁금했다. 그러나 상대적인 속도와 다르게 빛은 불변한다는 것을 깨달았고, 시간을 의심했다. 즉, 아인슈타인은 같은 순간에 내리친 번개가 같은 순간이 아닐 수도 있다고 생각한 것이다. 그렇다면 우리가 믿었던 동시라는 것은 어떤 것일까? 달리는 기차 안에서의 빛 반사 실험을 살펴보면 빛은 한결같고, 변하는 것은 시간이라는 것을 알 수 있다. 눈앞에 보이는 것을 믿지 않는 대신 그 너머에 존재하는 것을 보았던 아인슈타인의 특수상대성이론은 우리를 둘러싼 세계를 어떻게 설명하고 있을까? 아인슈타인이 던졌던 최초의 질문에서 결정적 깨달음을 얻는 순간까지 특수상대성이론의 탄생 과정을 추적해본다.


2. 빛과 공간, 일반상대성이론

무엇이 우리를 아래로 떨어지게 하는가?

아인슈타인의 특수상대성이론은 절대적인 것과 상대적인 것을 완전히 바꿔버렸으나 중력을 적용할 수 없었고, 뉴턴의 만유인력의 법칙은 중력을 명쾌하게 설명하였으나 왜 만물이 서로 잡아당기는지 설명하지 못하는 치명적 결점이 존재했다. 아인슈타인은 떨어진다는 것이란 무엇인가에 대해 의문을 가졌고, 이 간단하고도 단순한 질문은 거장 뉴턴을 향한 도발이 되었다. 아인슈타인은 가속도와 중력이 같은 것임을 깨달았고, 중력은 무한대의 속도로 끌어당기는 순간적인 힘이 아니라 공간의 휘어짐에 따라 만들어지는 힘이라 정의했다. 그리고 아인슈타인의 이러한 이론에 손을 들어준 것은 다름 아닌 별빛이었다. 아리스토텔레스부터 두 천재 과학자 뉴턴과 아인슈타인의 시대를 뛰어넘은 대결까지 과학의 역사와 함께 시작된 질문이었던 중력의 실체를 추적해본다.


3. 빛의 추적자

저 빛은 무엇이고, 얼마나 빠르게 우리에게 오는가?

인간은 지구에서 가장 적극적으로 빛을 만들어 이용하는 존재이다. 그렇다면 우리는 빛에 대해 얼마나 알고 있을까? 우리를 축복하기 위해 먼 곳에서 온 것이라 믿었던 성스러운 빛을 과학의 눈으로 보는 사람들이 생겼고, 빛의 속도를 재고 싶어했던 갈릴레오도 그중 하나였다. 그리고 어둠과 빛이 혼재해 있던 시절 과학의 시선은 빛의 또 다른 본질, 색에 이른다. 엠페도클레스부터 데카르트까지 시대에 따라 색에 대한 생각은 달랐으며, 뉴턴은 프리즘을 이용한 단 하나의 실험으로 빛과 색의 논란에 종지부를 찍었다. 그러나 뉴턴이 프리즘을 통해 봐왔던 빛은 아주 작은 일부에 불과했으며, 전기력과 자기력을 단서로 빛의 실체를 파악한 것은 제임스 클럭 맥스웰이었다. 천상의 빛을 땅으로 가져와 직접 창조해내기까지 빛을 탐구했던 위대한 과학자들을 추적해본다.


4. 빛과 원자

세상은 무엇으로 이루어졌을까?

인류는 오랫동안 세상이 무엇으로 이루어졌는지 답을 찾아왔고, 수많은 과학자가 가설을 만들고 실험했다. 마침내 돌턴은 원자설을 발표했고, 이것으로 세상이 설명되는 것 같았으나 그것은 끝이 아니었다. 빌헬름 뢴트겐과 마리 퀴리가 X선과 라듐을 발견하면서 사람들은 원자의 안이 궁금해지기 시작했다. 이후 톰슨이 전자를 발견하면서 전자는 문명을 지배하게 되었고, 원자 내부 구조를 밝히는 것이 최우선 과제가 되었다. 원자핵을 발견하여 태양계와 닮은 원자 모형을 내놓은 어니스트 러더퍼드와 불연속적인 양자 세계를 발견한 막스 플랑크, 전자와 원자핵이 서로 긴장감을 어떻게 유지하는지 밝혀내며 가장 작은 세계의 문을 열고 지도를 그렸던 닐스 보어까지. 과학자들의 직관과 흥미로운 실험을 통해 조금씩 실체를 드러내는 작지만 우주만큼 넓은 세계를 추적해본다.


5. 빛과 양자

무엇이 그들을 전쟁터로 내몰았나?

1927년 솔베이 회의에 참석했던 29명 중 17명이 노벨상을 받았다. 하지만 이 학회가 유명한 이유는 전자와 광자를 주제로 한 이 회의에서 상대성이론의 창시자 아인슈타인과 양자역학의 대가 보어의 양보 없는 정면 승부가 벌어졌기 때문이다. 원자의 세계에서 전자는 확률로 존재한다는 주장을 이해하기 위해서는 그동안의 상식을 버려야 했다. 아인슈타인에게 이런 해석은 재앙이었다. 미래는 알 수 없다는 것과 인간이 불완전해서 관측하지 못할 뿐이라는 두 개의 세계관이 부딪히는 그것은 전쟁이었다. 지금까지 본 적도 없는 세계를 두고 두 개의 세계가 고집스럽게 부딪혔고, 결국 두 세계의 반복과 대립이 미지의 세계로 가는 문을 열었다. 가장 작은 세계를 바라보는 시선의 대립을 통해 현대 물리학의 핵심인 양자역학의 주요 내용과 발전 과정을 심도 있게 추적해본다.


6. 빛과 끈

궁극의 이론은 정말 있는 것일까?

오랫동안 물리학자들은 궁극의 이론, 만물을 설명하는 오직 한 가지 이론이 있을 것이라 믿어왔고, 실제로 시도도 했다. 뉴턴은 만유인력의 법칙으로 하늘과 땅에서 일어나는 운동이 하나가 된다는 것을 밝혔고, 아인슈타인은 일반상대성이론으로 중력과 특수상대성이론을 하나로 만들었다. 이렇게 세상이 하나의 이론으로 순조롭게 설명되는 듯했으나 양자역학의 등장과 함께 길을 잃게 된다. 큰 세계를 움직이는 법칙과 작은 세계를 움직이는 법칙이 좀처럼 합쳐지지 않았고, 결국 두 이론을 합치기 위해 등장한 것은 끈이론이었다. 네 개의 줄로 간단한 음부터 시작해 복잡한 음악까지 만드는 바이올린처럼 끈도 다양하게 진동해서 온 우주를 만든다는 것이다. 정말 세상 모든 것은 끈으로 이루어졌을까? 물리학의 현주소와 남은 과제들을 살펴봄으로써 지상과제인 단 하나의 이론을 찾아가는 과정을 추적해본다.

목 차

● 간략 소개
★ 대한민국과학문화상(김시준 PD)!
★ EBS 방송대상 대상!
★ YMCA '좋은 방송' 최우수상
★ 방송통신심의위 '이달의 좋은 프로그램' 수상

"빛의 여정, 물리학의 오디세이로 당신들을 초대한다." _홍성욱 서울대 교수(과학사)
"교과서에서 볼 수 없는 드라마 같은 이야기를 나는 이 책을 통해 흥미롭게 접할 수 있었다." _이기진 서강대 교수(물리학)

빛을 키워드로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성이론과 양자역학을 쉽게 소개한다. 화제의 다큐프로그램 EBS 다큐프라임 [빛의 물리학]을 단행본으로 엮은 책이다. 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등 빛의 정체를 파헤친 과학자들의 발자취를 따라가면서, 우주와 물질이 무엇이며 어떤 법칙으로 움직이는지에 대한 현대 물리학의 답변을 보여주고자 한다. 이 책의 가장 큰 장점은 아주 큰 세계를 탐구하는 상대성이론과 아주 작은 세계를 탐구하는 양자역학을 공식 없이 대중의 눈높이에 맞춰 살펴본다는 점이다. 역사상 가장 위대한 과학자들이 던졌던 탁월한 질문들과 끈질긴 탐구 과정을 다양한 이미지와 함께 흥미롭게 담았다.



● 출판사 리뷰
빛이라는 키워드로 꿰뚫어보는 물리학의 역사
위대한 과학자들의 발상의 원천은 '빛'이었다!

위대한 과학자들은 하나같이 운명처럼 빛에 빠져들었다. EBS 다큐프라임 [빛의 물리학]을 단행본으로 엮은 이 책은 빛을 실마리로 삼아 현대 물리학의 두 축인 상대성이론, 양자역학을 공식 없이 가장 쉬운 언어로 풀어낸 책이다. 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인, 코펜하겐 학파 과학자들, 현대 끈이론 과학자들에게 이르기까지, 빛이라는 하나의 키워드를 중심으로 현대 물리학을 관통해 나간다.

그런데 왜 빛일까? 갈릴레오는 빛의 속도를 처음으로 재려 했던 과학자였고, 뉴턴은 태양 빛의 정체를 밝히려다 시력을 잃을 뻔했으며, 아인슈타인의 상대성이론은 빛에 대한 호기심에서 출발해 별빛에 의해 증명됐다. 양자역학은 빛을 불연속적인 형태로 바라보는 시각에서 출발했다.
우주와 물질의 수수께끼에 대해 현대 물리학이 제시하고 있는 대답들을 이해하기란 쉽지 않다. 더욱이 빛에 매혹된 과학자들이 우리를 안내하는 곳은 기이한 세계다. 절대적인 시간이란 존재하지 않으며, 우리는 모두 서로 다른 시간을 살아간다. 질량을 가진 모든 물체는 주위의 공간을 휘게 만들고, 빛은 그 휘어진 공간 속을 나아간다. 빛은 입자의 성질뿐 아니라 파동의 성질도 갖고 있다. 또 빛은 아주 작은 양의 에너지 덩어리인 양자로 움직인다!

그러나 빛을 좇다보면 자연스럽게 현대 물리학을 떠받치고 있는 상대성이론과 양자역학을 큰 틀에서 만나게 된다. 적어도 상대성이론과 양자역학이 어떤 질문에서부터 등장하였으며, 과학자들이 어떤 과정을 통해 이론을 구체화시켜 나갔는지를 머릿속으로 그릴 수 있게 된다. 가령 아인슈타인이 어떻게 질량을 가진 물체는 주위의 공간을 휘게 만든다는 것을 깨달았는지, 맥스웰은 어떤 과정을 통해 빛이 전자기파라는 것을 알아차렸는지, 보어는 왜 전자가 원자 안에서 불연속적으로 이동한다고 생각했는지 등을 알 수 있다.

빛 속에 색이 있는 것인지 탐구했던 뉴턴, 빛처럼 빠른 속도로 날아가면 빛이 어떻게 보일지 궁금해했던 아인슈타인, 수소 원자가 방출하는 빛의 선 스펙트럼이 무엇을 말해주는지 물고 늘어졌던 보어 등 빛을 추적했던 물리학자들이 답을 찾아내가는 순간들은 드라마틱하게 보이기까지 한다.

상대성이론은 가장 큰 세계와 관련된 이론이고, 양자역학은 가장 작은 세계와 관련된 이론이다. 현대 물리학의 두 기둥인 이들 이론의 문턱은 높기는 하지만, 일단 이 높은 문턱만 넘으면 과학자들이 우주, 물질, 시간에 대해 어떠한 해답을 내놓았는지 대해 어렴풋하게나마 이해할 수 있다. EBS 다큐프라임 [빛의 물리학]을 만든 제작팀의 목표도 하나였다. 바로 "이 프로그램을 본 대한민국 국민이 상대성이론과 양자역학을 이해하는 것"이었다. 이 책은 방송 프로그램의 내용을 충분히 살리면서도, 독자의 이해를 돕기 위해 시간상 방송에 담아내지 못한 세부적인 부분들을 보충했기 때문에, 방송을 통해 미처 이해하지 못한 부분들을 머릿속으로 정리하는 데 도움이 될 것이다.

또한 독자들은 위대한 과학자들이 던졌던 최초의 질문에서 결정적인 깨달음을 얻는 순간까지, 빛의 이면을 좇으며 보편 법칙을 찾으려고 했던 과학자들의 끈질긴 실험, 통찰력이 깃든 직관, 양보 없는 논쟁 등을 다채로운 이미지와 함께 흥미롭게 읽을 수 있을 것이다.


1 빛과 시간, 특수상대성이론
열여섯 살 아인슈타인의 머릿속은 빛으로 가득했다. 빛의 속도로 달리면 빛은 어떻게 보일까? 거울을 들고 빛보다 빨리 달리면 거울 속 나는 어떻게 보일까? 소년의 질문은 10년 뒤 시공간에 대한 인류의 이해를 바꿀 혁명적 논문의 초석이 됐다. E=mc2을 포함하는 아인슈타인의 특수상대성이론은 우리를 둘러싼 세계를 어떻게 설명하고 있을까? 1장에서는 아인슈타인이 던졌던 최초의 질문에서 결정적 깨달음의 순간까지 특수상대성이론의 탄생 과정을 추적한다.

2 빛과 공간, 일반상대성이론
우리는 왜 땅에 붙어 있을까? 모든 물체는 왜 바닥을 향할까? 뉴턴의 만유인력 법칙은 중력을 명쾌하게 설명한다. 하지만 완벽해 보이는 만유인력 법칙에도 치명적 결점이 존재했다. 왜 만물이 서로를 잡아당기는지 설명하지 못한 것이다. 뉴턴은 "나는 가설을 만들지 않는다."는 말로 이 문제를 피해갔다. 아인슈타인의 일반상대성이론은 '중력'에 대한 또 다른 이론이다. 아인슈타인은 뉴턴조차 풀지 못한 중력의 비밀을 알아내는데, 이때 가장 중요한 역할을 했던 것은 바로 별빛이었다. 2장에서는 뉴턴과 아인슈타인이라는 두 천재 과학자의 시대를 뛰어넘는 대결을 보여주면서 중력의 실체에 다가간다.

3 빛의 추적자
시대와 문화권을 막론하고 수많은 학자들은 빛에 매혹됐다. 빛은 정복해야할 미지의 과제였고, 좋은 실험 도구였다. 빛의 탐구 역사는 인류의 역사와 함께한다. 빛을 처음 과학의 영역으로 가져온 사람은 갈릴레오로, 그는 빛의 속도를 재려 했던 최초의 과학자였다. 뉴턴은 아리스토텔레스 이후 수천 년간 지속된 빛과 색의 논란에 종지부를 찍었다. 미스터리한 무지갯빛의 정체를 밝힌 건 프리즘을 이용한 간단한 실험이었다. 빛의 실체를 파악한 건 맥스웰이었다. 기이하게도 전기와 자기 현상이 가장 중요한 단서였다. 맥스웰의 발견으로 과학은 마침내 빛을 만들어낼 수 있게 됐다. 3장에서는 천상의 빛을 땅으로 가져와 직접 창조해내기까지 빛을 탐구했던 위대한 과학자들을 추적한다.

4 빛과 원자
세상은 무엇으로 이뤄졌을까? 인류는 오랫동안 답을 찾아왔다. 1803년, 과학계는 마침내 '원자'라는 결론에 다다랐다. 질문의 답은 끝난 듯 보였다. 그러나 그것은 시작에 불과했다. 100년도 채 안 돼 더는 쪼개지지 않을 것 같던 가장 작은 알갱이에서 무언가가 나왔다. 원자의 문을 연 사람은 영국의 물리학자 톰슨. 그가 발견한 것은 전자였다. 톰슨의 발견은 물리학계에 새로운 활력을 불어넣었다. 원자 내부는 어떻게 생겼을까? 원자 안에는 전자만 있을까? 전자는 얼마나 작을까? 전자는 어떻게 움직일까? 과학자들의 직관과 흥미로운 실험을 통해 조금씩 실체를 드러내는 가장 작은 세계를 만나게 된다.

5 빛과 양자
1927년 10월 24일, 벨기에 수도 브뤼셀에서 역사적인 물리학 학회가 열렸다. 참석자 29명 중 17명이 노벨상 수상자가 된 '솔베이 회의'. 하지만 이 학회가 더 유명한 이유는 다른 데 있었다. 현대 물리학을 대표하는 두 거장의 지적 정면승부가 솔베이 회의에서 이뤄졌다. 상대성이론의 창시자인 아인슈타인과 양자역학의 대가인 보어의 싸움이었다. 이때의 싸움은 단지 물리학적 대립이 아닌 세상을 바라보는 철학적 관점의 문제였다. 1920년대 물리학계를 뜨겁게 달군 것은 양자역학이었다. 원자같이 아주 작은 세계를 탁월하게 설명해내는 유용한 이론이었지만, 우주가 '우연(확률)'과 '예측 불가능성'이 우주를 지배한다는 독특한 시각 때문에 물리학자들 사이에서 뜨거운 논쟁이 일었다. 5장에서는 현대 물리학의 핵심인 양자역학의 주요내용과 발전 과정을 심도 있게 알아본다.

6 빛과 끈
물리학자들은 공통된 꿈을 갖고 있다. 단 하나의 궁극의 이론을 찾는 것이다. 뉴턴은 사과가 떨어지는 것과 달이 지구를 도는 이유가 하나임을 찾아냈다. 맥스웰은 전자기 현상과 빛이 본질적으로 같음을 밝혀냈다. 아인슈타인은 시간과 공간을 합쳤다. 그러나 순조로워 보이던 물리학의 꿈은 양자역학의 등장과 함께 길을 잃었다. 큰 세계를 움직이는 법칙과 작은 세계를 움직이는 법칙은 좀처럼 합쳐지지 않았다. 두 이론을 합치는 것을 가능하게 한 이론은 바로 '끈이론'이었다. 끈이론은 만물의 최소 단위가 입자가 아니라 작고 진동하는 끈이라고 주장한다. 정말 세상 모든 것은 끈으로 이뤄졌을까? 끈은 실제로 존재할까? 과연 끈이론은 물리학자들의 꿈을 이룰 수 있을까? 6장에서는 물리학의 지상과제인 단 하나의 이론을 찾아 가는 과정을 따라가보고, 물리학의 현주소와 남은 과제들을 점검한다.


"[빛의 물리학]은 빛을 좇아 물리학의 역사를 재구성한 기록이다. 여기에서 빛의 본질에 대한 논쟁, 입자론과 파동론, 빛과 색깔, 전자기파, 특수상대성이론, 일반상대성이론, 양자물리학, 초끈이론처럼 물리학의 역사를 이끈 혁명적인 발견과 이론의 역사를 맛볼 수 있을 것이다. 게다가 [빛의 물리학]은 이론이나 실험만을 보여주는 것이 아니라, 이런 발견들을 이루어낸 물리학자들의 의문과 함께 개성이 뚜렷했던 과학자들의 모습을 생생하게 되살린다. 독자들은 빛의 신비를 탐구하는 물리학자들이 던진 질문 속에서 과학이 진정으로 인간적인 탐구 활동임을 발견할 수 있을 것이다. 이제 여러분들이 빛의 경이로움을 새롭게 발견할 차례다. 빛의 여정, 물리학의 오디세이로 당신들을 초대한다." - 홍성욱 서울대 교수(과학사)

"가끔 학생들에게 수학을 이용해 물리학을 가르치다 보면 학생들이 왜 자신들이 이토록 어려운 물리학을 배워야 하는지 호소하는 경우가 있다. 그럴 때면 내가 드라마 작가처럼 물리학자들의 드라마틱한 고독, 경쟁, 우정, 갈등, 신사도, 고집, 유머, 사랑, 비극, 배신, 환희를 쉽고 재미나게 이야기해줄 수 있다면 하는 생각을 많이 했다. 사실 물리학의 재미는 수학 공식 속에도 있지만 이 책에서처럼 소설 같은 물리학, 추리소설 같은 물리학, 드라마 같은 물리학, 단막극 같은 물리학, 인간극장이나 다큐멘터리를 보는 것 같은 물리학 속에 더 있지 않나 하는 생각이 든다." - 이기진 서강대 교수(물리학)

저자: EBS 다큐프라임 빛의 물리학 제작팀

- 프로듀서

김형준
1997년 EBS에 입사하여, 음악과 여행 관련 프로그램을 비롯해 여러 편의 주목받는 과학 다큐멘터리를 연출했다. 대표작으로 [스페이스 공감], [수학 대기획2-생명의 디자인], [문명과 수학], [마테마티카-수학의 원리], [빛의 물리학] 등이 있다. 대한민국과학문화상(2012), 백상예술대상 교양 작품상(2012), 한국방송대상 프로듀서상(2012), 방송통신위원회 방송대상 대통령상(2012)을 수상했다.

김시준
1997년 EBS에 입사하여, 과학 분야의 다양한 프로그램을 연출했다. 대표작으로 [원더풀 사이언스], [자연사 대기획-생명, 40억년 비밀], [한반도의 매머드], [빛의 물리학] 등이 있다. 대한민국과학문화상(2013)을 수상했다.


- 방송작가

김미란
주로 다큐멘터리를 집필했으며, 대표작으로 [시대의 초상], [자연다큐멘터리 바람의 혼 참매], [문명과 수학], [빛의 물리학] 등이 있다. 한국방송작가협회 방송작가 대상 교양부문(2007), 방송대상 작가상(2012), 지식경제부장관표창(2012)을 수상했다.

- 감수

홍성욱
서울대학교 물리학과를 졸업하고, 같은 대학교 과학사 및 과학철학 협동과정에서 과학사로 석사 및 박사학위를 받았다. 1995년 캐나다 토론토 대학에서 과학기술사철학과 조교수로 임용되었고, 2000년에 종신교수가 되었다. 매사추세츠 공과대학 디브너연구소 연구원을 지냈으며, 현재 서울대학교 생명과학부 교수로 재직하면서 과학사 및 과학철학 협동과정의 전공주임을 맡고 있다. 슈만상(1992), IEEE 종신회원상(1996)을 수상한 바 있다. 저서로 [잡종, 새로운 문화 읽기] [생산력과 문화로서의 과학 기술] [네트워크 혁명, 그 열림과 닫힘] [파놉티콘, 정보사회 정보감옥] [하이브리드 세상 일기] [과학은 얼마나] [홍성욱의 과학 에세이] [그림으로 보는 과학의 숨은 역사] 등이 있다. EBS 다큐프라임 [빛의 물리학]의 자문을 맡았고, 과학과 예술의 융합을 도모한 전시 [Dynamic Structure and Fluids](2014, 아르코미술관)를 공동 기획했다.