“모든 물질은 양자 물질이다. 우리 몸과 빛조차도!”
현대물리학의 가장 큰 분야, 응집물질물리학을 소개하는 최초의 교양서!

★★★김민형, 김필립, 염한웅, 이상욱 교수 추천

현대물리학에서 가장 큰 분과인 응집물질물리학을 대중에게 소개하는 책. ‘응집물질’이란 말 그대로 액체나 고체처럼 입자 간 상호작용이 강한 물질로, 반도체, 금속, 자석, 초전도체 등 우리가 사는 세상에서 가장 흔한 형태의 물질이다. 한국물리학회 회원 중 약 4분의 1, 미국물리학회 회원 중 약 3분의 1이 응집물질물리학 연구를 하고 있다. 이 정도면 ‘물질의 물리학’을 대중에게 소개하는 책 한 권 정도는 있을 법한데, 국내는 물론이고 과학 선진국이라고 하는 국가를 통틀어도 그런 책을 찾기는 매우 어렵다. 다루는 내용이 무척 넓고 다양해서 양자역학, 전자기학, 통계역학의 법칙들을 두루 이용하기도 하거니와 대중에게 수학을 배제한 채 일상의 언어만으로 물리학 이론을 설명하는 데는 한계가 있기 때문이다. 이런 고난도 작업을 이론물리학자 한정훈 박사는 30여 년의 연구 경험과 2016년 지도교수의 노벨 물리학상 수상이 계기가 된 대중 강연과 글쓰기 경험을 바탕으로, 이 책에서 능숙하게 해낸다. 탁월한 스토리텔링과 비유를 곁들여 직관적이면서도 정확하고 자세한 설명을 따라가다 보면 현대물리학의 큰 흐름을 맛볼 수 있을 것이다.

세상 만물은 물질로 이루어져 있다.
그런데, 물질이란 무엇인가?
고대 그리스 시대부터 제기된 궁극의 질문,
불과 백여 년 전 발견된 양자역학과 함께 정답이 쏟아지기 시작했다!

이 책은 총 아홉 개의 장으로 구성되어 있다. 각 장에서 다루는 내용을 간략히 소개하면 다음과 같다.

1장 ’최초의 물질 이론‘에서는 4원소설로 대표되는 고대 그리스의 물질관과 현대의 양자역학적 물질관을 비교, 소개한다. 2장 ’꼬인 원자‘에서는 양자역학이 탄생하기 직전 유행했던 흥미로운 원자론을 소개하면서, 위상수학적 개념이 물리학 역사에서 부침을 거듭하면서도 어떤 유익한 발전을 가져왔는지 살펴본다. 3장 ’파울리 호텔‘에서는 물질을 호텔에 비유하여 양자역학적으로 물질을 구분하는 방법을 설명한다. 왜 어떤 물질은 전기가 통하고, 어떤 물질은 그러지 못하는지 양자역학적 관점에서 알 수 있다. 4장 ’차가워야 양자답다‘에서는 저온 물리학의 개척자 카메를링 오너스를 소개한다. 절대영도에 가까운 극저온 상태에서 물질의 양자역학적 성질은 극명하게 드러난다. 5장 ’빛도 물질이다‘에서는 빛과 물질은 서로 다른 대상이란 통념이 어떻게 깨졌는지 서술한다. 빛도 물질이라는 자각을 통해 비로소 양자역학의 토대가 놓였다고 할 수 있다. 6장 ’양자 홀 물질‘에서는 대표적인 위상수학적 물질인 양자 홀 물질의 발견과 이론의 발전이 100년이 넘는 기간을 통해 이루어진 과정을 소개한다. 7장 ’그래핀‘에서는 저자의 중학교, 대학교 1년 선배인 세계적인 그래핀 과학자 김필립 교수 이야기를 개인적인 관점에서 다룬다. 물질에는 2차원, 1차원 물질도 있다는 사실을 알 수 있다. 그래핀이 바로 대표적인 2차원 물질이다. 8장 ’양자 자석‘에서는 자석에 대한 양자역학적 이해와 응용의 역사를 다룬다. 자석은 장난감이 아니라 가장 양자역학적인 물질인 동시에 중요한 정보 저장 장치이다. 특히 이 장에는 저자의 연구가 〈네이처〉에 실리기까지의 과정이 생생하게 담겨 있어, 물질을 연구하는 물리학자는 무엇을 꿈꾸고 어떻게 연구하는지 간접적으로 느껴볼 수 있다. 9장 ’위상 물질 시대‘에서는 현재 진행 중인 첨단 양자 물질 물리학 분야를 소개한다.

물질을 이루는 원자, 그 원자를 이해하는 유일한 도구 양자역학
탁월한 스토리텔링과 독창적인 비유로 이해하는 양자 물질의 역사

현대물리학의 근간이 되는 양자물리학이 이 우주를 구성하는 물질을 어떻게 설명하는지 비전공자에게 명쾌하게 설명한다는 것은 정말 어려운 일이다. 그런데 저자는 탁월한 스토리텔링과 독창적인 비유로 이를 능수능란하게 해낸다. 예를 들면 물질을 호텔에, 물질 속의 전자를 그 호텔의 투숙객에 비유하는 3장 ’파울리 호텔‘이 그렇다. 파울리 호텔에는 설계도(양자역학)도 있고, 운영 방식(배타원리)도 있다. 투숙객(전자)들은 위아래층(전자의 에너지 정도)을 오르내리고, 복도에는 구멍이 뚫려 있어 아래층으로 내려오려면 이 구멍으로 떨어져야 한다. 떨어지면서 쿵, 꽈당 등 다양한 소리(빛)도 낸다. 흥미로운 비유를 곁들여 읽다 보면 양자역학, 분광학, 전자기학 지식에 자연스럽게 익숙해진다.

또한 이 책에는 수많은 물리학자가 등장한다. 그중에서도 양자 물질의 역사에서 빼놓을 수 없는 인물이 네덜란드의 과학자 카메를링 오너스다. 뉴턴 법칙이 진공이라는 극단적인 환경에서 제대로 입증되는 것처럼, 물리학의 원리를 제대로 보기 위해서는 극한의 환경이 필요하다. 이런 맥락에서 물질의 양자적인 속성은 저온 상태에서 더 잘 드러나는데, 이 문제에 결정적인 기여를 한 것이 바로 오너스가 만든 냉장고다. 오너스가 1882년 29세의 나이로 레이던대학교의 교수로 취임할 때까지 액화시키지 못한 유일한 기체는 헬륨이었는데, 오너스는 이 주제를 파고들어 그로부터 26년 후 액체 헬륨을 얻는 데 성공한다. 어떤 물질이든 절대영도(섭씨 영하 273.15도) 근방까지 낮출 수 있는 ’절대 냉장고‘가 탄생한 것이다. 이 냉장고는 20세기 전반에 걸쳐 양자 물질의 비밀을 풀어내는 데 필요한 단서를 하나씩 제공해주었다.

이렇게 발견된 물질들, 저항이 전혀 없는 금속과 액체, 즉 초전도체와 초액체는 노벨 물리학상의 영광을 누렸을 뿐만 아니라 이미 대형 병원에 설치된 MRI 같은 기계에 널리 쓰이고 있다. 또 저자가 공헌한 분야인 ’스커미온‘을 이용해 기억소자를 만들 수 있다면 지금 정도의 성능을 지닌 기억장치 크기를 땅콩 한 알 정도로 줄일 수도 있다. 이 분야가 품고 있는 이론과 실험, 기초과학의 깊이와 응용의 폭을 생각해보면 왜 ’물질의 물리학‘ 즉 응집물질물리학이 현대물리학에서 가장 큰 분과인지 알 수 있을 것이다.

추천사

위상수학은 모양 공부의 가장 근본적인 분야로, 직관에 가까운 그림들로 시작해서 가장 추상적인 개념에 이르기까지 수학의 모든 영역에서 깊디깊은 핵심을 꿰뚫고 지나간다. 수학자들조차 어렵게 느끼는 위상수학이 저에너지 물리학, 즉 거의 일상적인 현상에 가까운 물리에 적용된다는 사실은 참으로 놀랍다. ‘에너지의 모양’은 측정 가능한 현상이고, 이를 이용해서 만들어지는 ‘위상 물질’은 19세기에 정립된 전자기학만큼이나 인류 문명에 획기적인 변화를 가지고 올 것이 분명하다. 이 분야 전문가인 한정훈 교수의 직관적이면서 자세한 설명으로 가득한 이 책은 독자들을 새로운 세계로 안내하는 친절한 길잡이가 될 것이다. _김민형(워릭대학교 수학과 및 수학대중교육 석좌교수)

양자 물질 연구는 지난 100여 년간 물리학 발전의 최전선에 있어왔다. 현대의 많은 응용 분야가 그 기반을 양자 물질에 두고 있다. 《물질의 물리학》은 양자 물질 연구의 역사, 물질의 기원에 대한 탐구를 최근의 연구 성과까지 포함하여 대중에게 소개하는 역작이다. 주제에 대한 깊은 이해와 통찰이 없으면 핵심을 이렇게 쉽게 요약해서 전달하기 어렵다. 이 책은 단순히 물리학 지식을 나열하는 것이 아니라 물리학자의 삶과 당시의 시대 배경, 저자 개인의 경험을 씨줄과 날줄로 엮어서, 쉽지 않은 개념을 재미있고도 통찰력 있게 접근하도록 만든다. 특히 이 책에 등장하는 많은 비유와 예시는 일반 독자들뿐만 아니라 전문 물리학자들에게도 양자 물질을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이라 믿는다. _김필립(하버드대학교 물리학과 교수)

양자물리학의 태동 이래 약 110년 정도가 지난 지금 양자물리학이 인류에게 가져온 변화는 핵폭탄과 핵에너지를 비롯해 실로 막대하다. 양자물리학 없이는 우주의 생성과 진화를 이해할 수 없고, 우리 주변의 모든 전자소자도 작동시킬 수 없다. 특히 최근 양자컴퓨터가 이미 제한적으로 실용화되면서 미국, 유럽, 일본을 중심으로 양자물리학에 대한 새로운 붐이 일고 있다. 이런 상황에서 물질의 양자적인 성질을 소개하는 책이 출간되어 정말 반갑다. 우리나라는 물론이거니와 과학 선진국들을 통틀어도 유사한 주제를 다루는 대중서를 찾기는 매우 어렵기 때문에 더 귀중한 책이다. 일반 독자나 학생들이 현대 물리학의 큰 흐름을 접하고 이해하는 데 큰 도움이 될 것이다. _염한웅(포항공과대학교 물리학과 교수, 국가과학기술자문회의 부의장)

사람들은 흔히 마음의 신비로움에 대해 말하곤 한다. 하지만 내게는 물질의 본성이 더욱 매혹적이면서 동시에 까다로운 주제다. 특히 현대 물리학의 근간 이론인 양자물리학이 우주를 구성하는 물질을 어떻게 설명하는지를 비전공자에게 명쾌하게 설명하기란 정말 어렵다. 저자는 이런 고난도의 작업을 감탄스러울 정도로 능숙하게 해낸다. 대부분의 독자에게 익숙한 위계적 원자 모형부터 이게 과연 물질인지조차 알쏭달쏭한 위상 물질에 이르기까지 이어지는 직관적이면서도 정확한 서술은, 물질 자체만이 아니라 그 물질로부터 어떻게 마음이 나올 수 있는지를 궁금해할 독자에게 이해의 단초를 제공할 것이다. 적극 추천한다! _이상욱(한양대학교 과학철학 교수)