세상을 이루는 기본은 원자와 전자기력이다. 우리가 만지는 모든 물체는 원자로 구성되어 있으며 원자 사이의 연결 강도가 강할수록 물체는 단단해진다. 반대로 연결이 약해지면 부서지며, 원자 크기는 1나노미터보다 작아 가시광선 파장보다 훨씬 짧아 눈으로 볼 수 없다. 원자들 사이에서 서로 밀고 끄는 힘을 전달하는 주된 힘은 바로 전자기력으로, 전기력과 자기력이 합쳐진 이 힘으로 중력을 제외한 모든 힘을 설명할 수 있다.
고전 역학의 위기와 양자의 등장도 함께 다룬다. 원자 안에 전자가 존재한다는 사실이 밝혀지면서 전자가 원자핵 주변에서 에너지를 잃고 떨어질 수 없는 이유를 설명해야 했다. 전자의 에너지와 궤도는 연속적이지 않고 양자화되며, 진동의 최소 단위를 의미하는 양자가 도입된다. 이로써 원자 내부의 안정성이 설명되고, 에너지는 정수배로만 방출될 수 있다.
아인슈타인의 광양자 가설은 빛 자체의 에너지가 양자화되어 있다고 보았다. 빛을 단순한 파동으로 보지 않으면서 광전효과를 설명했고, 빛의 파장이 짧아질수록 광자의 에너지가 커져 전자들의 에너지도 증가한다는 사실을 실험이 지지한다. 광자 개념은 에너지의 최소단위를 통해 현상을 설명하는 핵심이 되며 파동과 입자의 이중성을 제시한다.
확률로 존재하는 세계를 여는 양자역학 해석은 보어의 양자조건에서 시작해 드 브로이의 파동-입자 이중성, 보른의 파동함수 해석으로 발전한다. 파동함수의 절댓값의 제곱이 입자를 발견할 확률에 대응하며, 이 확률 해석이 양자 현상을 설명하는 정답으로 받아들여진다. 다만 측정 순간에는 확률이 결정적으로 나타나 인과성이 깨지는 현상도 남아 있다.
마지막으로 장(Field)와 상대성이론은 물리학의 새로운 틀을 제시한다. 전기력과 자기력이 작용하는 공간은 진공이 아니라 장의 상태이며 맥스웰 방정식으로 전자기파의 속도는 빛의 속도와 일치한다. 일반상대성이론은 중력을 시간과 공간의 성질로 설명해 우주를 이해하는 새로운 틀을 제공한다.
원문 링크 : '물리학은 처음인데요' 소개 및 후기
