세상이 이렇게 작동하는 데에는 과학적 이유가 있다
과학 커뮤니케이터 이종필 교수의 비밀이 풀리는 물리학 강의

하늘은 왜 파랄까? 우회전하는 버스 안에서 몸은 왜 왼쪽으로 쏠릴까? 영화 〈인터스텔라〉 속 이야기는 정말 실현 가능할까? 문득 당연하다고 여겼던 현상이 왜 그렇게 될 수밖에 없는지 궁금해지는 때가 있다. 허구라고 믿었던 SF 영화 속 신기한 설정에 의문을 제기하기도 한다. 혹시 세상만사 모든 것의 이면에는 보이지 않는 신의 섭리라도 있는 걸까? 몇백 년 전이라면 그 원리를 알고자 종교 시설에 찾아가야 했을 것이다. 하지만 과학이 발전한 오늘날, 신의 뜻을 대신 알려주는 사람들이 있다.
각 분야 최고의 학자와 연구자가 미래 세대를 위해 만드는 〈굿모닝 굿나잇〉 시리즈. 이번에 출간된 11번째 책은 세상을 움직이는 법칙을 탐구하는 ‘물리학’ 편으로, 과학 대중화를 위해 활발하게 활동하는 물리학자 이종필 교수의 특강이다. 가장 작은 입자에서 가장 큰 우주까지, 세상이 작동하는 근본 원리를 추구하는 물리학의 결정적 장면들을 담았다. 우리가 일상적으로 경험하는 힘과 운동의 법칙부터 인간의 직관을 뛰어넘어 미시세계를 지배하는 양자역학까지, 만물의 근원이 되는 입자의 발견에서 우주의 탄생과 미래에 대한 비밀까지. 비밀이 풀리는 물리학 여행이 흥미진진하게 펼쳐진다.

세계를 해석하는 물리학
문명을 가능하게 한 물리학

1장은 과학의 탄생과 고전물리학의 성립에 관한 이야기다. 과학은 “세상은 무엇으로 만들어졌을까?”라는 질문에서 시작되었다. ‘만물의 근원’을 찾아나선 고대 그리스의 철학자들은 자연의 보편적 속성과 법칙을 해석하고 이해하려 했다는 점에서 과학자들이기도 했다. 그중 아리스토텔레스는 자신의 목적론적 세계관으로 이후 2,000년간 서양의 지적 세계를 다스리게 된다. 그에 따르면 허공에 던진 돌은 무거움의 본성을 좇아 다시 땅으로 떨어진다. 돌뿐 아니라 모든 것에는 목적이 있었다. 하지만 16~17세기 과학혁명을 거치면서 근대적인 과학이 새로이 정립되었고, 그 완성은 뉴턴의 고전물리학이었다. 그 유명한 뉴턴의 3가지 운동법칙(관성의 법칙, 힘의 법칙, 작용-반작용의 법칙) 가운데 ‘힘의 법칙’에 따르면 사물의 운동은 본성이나 목적과는 무관하다. 물체가 이동했다면, 그것은 본성이나 목적에 의한 것이 아니라 단지 외부에서 힘이 작용한 결과다.
2장은 현재 우리가 누리는 문명의 초석을 닦은 물리학의 성취를 다룬다. 특히 제임스 맥스웰은 전기와 자기 현상을 ‘전자기’로 통합했고, 마이클 패러데이는 전자기유도 현상을 발견했다. 가정에서 사용하는 전자레인지와 인덕션에서 놀이공원의 자이로드롭까지, 또 무선 인터넷 사용이 가능한 스마트폰도 맥스웰과 패러데이의 업적이 있었기에 가능하다. 19세기 물리학의 또 다른 성취는 열역학(열 현상을 다루는 물리학)을 정립한 것이다. 산업혁명 시기에 증기기관이 등장한 이후, 어떻게 하면 열기관의 열을 물리적인 일로 바꾸고 그 효율을 높일 수 있을지를 연구하면서 근대적인 열역학이 형성되기 시작했다. 중고등학생이라면 수업 시간에 배워서 반가울 ‘에너지 보존 법칙’ ‘엔트로피’가 바로 열역학에서 도출된 법칙이다.

현대물리학 혁명: 상대성이론과 양자역학
가장 작은 입자에서 가장 큰 우주까지, 모든 것을 다루는 물리학

3장은 과학계에 혁명적 변화를 몰고 온 두 이론이 주인공으로 등장한다. 바로 아인슈타인의 상대성이론과 닐스 보어·하이젠베르크 등의 양자역학. “과학이 우주를 올바르게 기술하려면 인간의 언어가 아니라 우주 본연의 언어로 기술해야 한다. 아인슈타인은 그 우주 본연의 언어를 하나 찾아낸 셈인데, 그것이 바로 광속이다.”(91쪽) 시간과 공간이라는 인간의 언어를 광속으로 번역한 결과는 놀라웠다. 시간이 운동 상태에 따라 상대적으로 흐른 것이다. 지구에 있는 A에게는 10초가 지났지만, 우주를 여행 중인 B에게는 5초밖에 안 지나는 일이 생기는 것. 원자 이하의 미시세계를 지배하는 양자역학은 더욱더 신묘하다. 저자가 창조한 ‘신박한’ 비유를 들어, 삼겹살과 갈비가 적힌 쪽지를 접은 다음 그중 하나를 골랐다고 가정하자. 고전역학 관점에서는 쪽지를 선택하는 순간 모든 것이 결정된다. 그러나 양자역학 관점에서 고기 메뉴는 쪽지를 열어 관측하기 전까지 삼겹살과 갈비가 ‘중첩’되어 있다.
4장에서는 입자물리학과 천체물리학까지 범위가 확장된다. 우주의 기본 단위를 다루는 입자물리학은 이 책을 시작한 질문인 “세상은 무엇으로 만들어졌을까?”에 대한 최첨단의 답을 내놓는 물리학의 분야다. 이 책이 출간되는 현재, 가장 작은 입자는 ‘쿼크’와 전자로 알려져 있다. 그런데 이렇게 눈에 보이지도 않는 존재에 대한 연구는 어떤 쓸모가 있을까? 저자는 원자 이하의 미시세계에서 벌어지는 일은 우주가 태초에 어떻게 형성되고 진화해왔는지에 관해 결정적인 정보를 제공한다고 단언한다. 빅뱅이 정말 있었는지, 빅뱅 이후 우주는 어디로 가고 있는지 등을 규명할 수 있다는 것이다.

과학의 전형, 물리학
물음표를 느낌표로 바꿔주는 물리학의 힘!

지금까지 살펴보았듯, ‘과학’ 할 때 우리가 떠올리는 인물이나 이론은 대개 물리학의 영역에 해당한다. 뉴턴의 사과도 슈뢰딩거의 고양이도 물리학 교과서에서 찾아볼 수 있다. 과학의 시작은 고대 그리스 시대로 거슬러 올라간다. 그러나 17세기 과학혁명으로 근대과학이 자리 잡기 시작했을 때, 그 모태는 물리학이었다. 뉴턴역학의 성공은 다른 분야까지 퍼졌고, 심지어 프랑스 계몽주의에도 큰 영향을 미쳤다. 저자는 물리학을 가리켜 혁명적 사유의 보물 창고라고 말한다.
과연 기존 패러다임이 새로운 패러다임으로 교체되는 일은 혁명적인 사건이고, 이 책이 보여준 물리학의 역사는 그렇게 천상의 비밀을 밝혀온 역사와 다름없다. 물리학은 아무리 멀리 떨어져 있는 존재도, 눈에 보이지 않는 현상도 설명할 수 있다. 그래서 물리학을 알면 물음표가 느낌표로 바뀐다. 세상이 왜 이런지 궁금한 순간, 누구나 한번은 물리학자가 된다. 세상만사 모든 것의 작동 법칙을 찾아내는 물리학의 힘!

세상은 무엇으로 만들어졌을까?
빛은 파동일까, 입자일까?
아인슈타인의 위대한 점은 무엇일까?
양자역학이란 도대체 무엇일까?
우주는 영원불멸할까, 빅뱅에서 생겨난 것일까?

매일 만나는 오늘의 교양, 미래의 지혜
아침에 시작해서 저녁에 끝내는 지식 라이브러리 ‘굿모닝 굿나잇’ 시리즈

‘굿모닝 굿나잇’은 21세기 지식의 새로운 표준을 제시합니다.
최고의 필진이 집필하고, 세상을 바라보는 지혜를 전합니다.
우리는 어디에 있고, 어떤 변화를 맞이하여, 무엇을 준비해야 할지를 조망합니다.

세상이 바뀌고 있다. 전 분야에서 패러다임이 전환하고 있다. 당장 내일 무슨 일이 일어날지 알 수 없는 불확실한 시대다. 거대한 변화의 흐름 앞에서 어떤 선택을 할 것인가. 변화를 읽지 못해 위기에 빠질 것인가, 변화에 적극적으로 대응해서 기회를 만들 것인가. 우리는 어디에 서 있고 어떤 변화를 맞이하고 있으며 무엇을 준비할 것인가.
각 분야 최고의 학자와 연구자가 미래 세대를 위한 지식교양 총서를 만들기 위해 모였다. 인문사회 경제 자연과학 예술 등 전 분야에서, 전환의 시대에 마주하는 변화와 쟁점을 역사적으로 고찰하고, 현상과 본질을 통합적으로 조망하여, 해법과 대안을 모색하는 지식 라이브러리다. 중학생부터 대학생, 일반인까지 전 세대를 아우르며 누구나 읽을 수 있고, 한 권에 핵심 지식과 교양을 담은 문고본으로 가장 가까운 곳에 두고 매일 만날 수 있다.
‘굿모닝 굿나잇’ 라이브러리는 21세기 지식의 새로운 표준을 제시하고, 세상을 바라보는 지혜를 선사하는 길잡이가 될 것이다. 혜안과 통찰을 찾는 당신을 기다린다.

책 속에서

물리학은 과학의 전형prototype이다. 17세기 과학혁명으로 근대과학이 자리 잡기 시작했을 때 그 모태는 물리학이었다. 특히 뉴턴역학의 성공은 다른 분야까지 퍼져나갔고 심지어 프랑스 계몽주의에도 큰 영향을 미쳤다. 과학은 결과라기보다 과정이고 방법론이며 사유의 방식이다. 그걸 제대로 배우고 싶다면 다른 어느 분야보다 물리학을 선택해야 한다. 물리학은 혁명적 사유의 보물 창고와도 같다.
_프롤로그, 7쪽

‘법칙’의 힘은 위대하다. 조화의 법칙을 활용하면 어떤 행성의 공전주기만 알아도 그 행성의 공전궤도 장반경을 알 수 있으니 말이다. 이미 알려진 사실들로부터 편견 없는 중립적인 분석을 행함으로써 보편법칙을 끄집어내면 그로부터 새로운 현상을 예외 없이 예측할 수 있다! 케플러가 바로 이 위대한 업적을 이룬 것이다. 인간이 범접할 수 없는 완벽한 세상이던 천상계에서 대체 무슨 일이 벌어지는지를 처음 알아낸 셈이었다. 그것이 과학의 힘이다. 근대과학은 이처럼 천상의 비밀을 밝히면서 그 혁명의 여정을 시작했다. 천상의 비밀을 밝히는 것은 21세기 과학에서도 여전히 가장 중요한 임무다
_과학혁명은 천상에서부터, 29쪽

요즘 주방에서 자주 쓰는 인덕션도 전자기유도 현상을 활용한 조리기구다. 인덕션 induction이라는 말 자체가 (전자기) 유도를 뜻한다. 인덕션 내부에서 자기장을 변화시키면 그 위에 올려진 금속 용기에 전류가 유도된다. 인덕션 내부에서 자기장을 만드는 방법도 결국엔 도선에 전류를 흘려 주변에 자기장을 유도하는 방식이다. 이때 용기의 전기저항이 적당히 크면 유도된 전류가 흐를 때 뜨겁게 데워진다. 그러니까 전류가 잘 흐르지 않거나 전기저항이 작은 용기는 잘 데워지지 않는다.
_전기 문명의 불을 밝힌 맥스웰과 패러데이, 66~67쪽

열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다. 그 방향으로 엔트로피가 증가하기 때문이다. 아메리카노에 얼음 덩어리를 넣으면 아이스 아메리카노가 된다. 만약 열이 얼음에서 아메리카노로 흘러 얼음이 더 차가워지고 아메리카노가 더 뜨거워지는 걸 가정하더라도 에너지는 보존되지만, 결코 그런 일은 일어나지 않는다. 열이 그런 식으로 흐른다면 우리는 차가운 방을 데우기 위해 보일러로 물을 끓이기보다 더 차가운 얼음 조각을 바닥에 깔아야 할 것이다.
_열역학과 엔트로피, 77~78쪽

특수상대성이론에서 똑같음의 기준이 광속과 물리법칙이라면, 고전적인 상대성이론에서는 그 똑같음의 기준이 무엇이었을까? 그것은 바로 모두가 당연하다고 암묵적으로 받아들였던 시간과 공간이었다. 시간과 공간이 상대적인 운동에 따라 달라진다는 상상을 하기란 쉽지 않다. 그건 원래부터, 애초에 이 우주가 세팅이 될 때부터 그냥 우리 우주의 붙박이로 장착된 고정불변의 백그라운드라고 여기는 게 자연스럽다. 아인슈타인은 이 점을 뒤집은 것이다.
_상대성이론: 시공간의 혁명, 90쪽

물리학을 연구하는 작업은 인간의 가장 창의적인 분야 중 하나라서 인공지능이 대체할 수 있는 마지막 영역이라는 추측이 많다. 그러나 복잡한 데이터를 분석하고 그 속에서 어떤 패턴을 찾아내는 일은 지금도 인공지능이 인간보다 훨씬 더 잘할 수 있다. (…) 만약 인공지능 물리학자가 우주에서 관측한 수많은 데이터를 분석해 인간이 아직 발견하지 못한 새로운 방정식을 제시한다면, 우리는 과연 그 결과를 어떻게 받아들여야 할까? 마치 바둑 기사들이 인공지능 프로그램의 수를 연구하면서 일종의 협업이 이루어지는 것과 비슷한 상황이 연출되지 않을까?
_에필로그, 167~168쪽

프롤로그: 신의 뜻을 알고 싶은 분들에게

1장 세계를 해석하는 물리학
1. 누구나 품은 질문에서 탄생한 과학
2. 과학혁명은 천상에서부터
3. 뉴턴이 완성한 고전역학

2장 문명의 기초를 닦은 물리학의 성취
4. 빛이 있으라 하시니
5. 전기 문명의 불을 밝힌 맥스웰과 패러데이
6. 열역학과 엔트로피

3장 현대물리학 혁명
7. 상대성이론: 시공간의 혁명
8. 양자역학: 과거와의 혁명적 단절

4장 가장 작은 입자에서 가장 큰 우주까지
9. 우주의 기본 단위를 다루는 입자물리학
10. 우주 출생의 비밀

에필로그: 물리학의 미래? 궁극의 이론은 존재할까?
참고문헌