내가 누구인지 뉴턴에게 물었다

내가 누구인지 뉴턴에게 물었다 - 물리학으로 나, 우리, 세상을 이해하는 법 ㅣ 내 인생에 지혜를 더하는 시간, 인생명강 시리즈 2
김범준 지음 / 21세기북스 / 2021년 3월

이 글에는 스포일러가 포함되어 있습니다.

물리학으로 나, 우리, 세상을 이해하는 법

소제목만 보아도 물리학으로 본 인문학이라는 점에서 신선했다. 문과형이지만 읽고 싶었다. 수학은 못했지만 학창 시절, 과학은 재미있었다. 화학, 지구과학, 물리, 생물 특히 지구과학과 생물, 내 주위에 흔히 일어나는 현상에 대해  알아가는 재미가 있었다. 물리도 수학공식들이 있어 머리가 아팠지만 학창시절 어려워도 알고싶은 분야였다. 그런데 물리학으로 본 인문학은 어떤 것일까? 호기심이 생겼다.

이 글을 쓴 김범준 님은 성균관대학교 물리학과 교수로 통계물리학을 전공했고 일상에서 쉽게 접할 수 있는 현상에 대한 궁금증에서 출발해 현실의 빅데이터를 모으고, 이를 복잡계 과학의 다양한 방법을 적용해 설명하고 이해하는 연구를 한다고 한다. 과학의 대중화를 넘어 대중의 과학화를 꿈꾼다고 한다.

인생명강은 대한민국 대표 교수진의 강의를 엄선하여 오늘을 살아갈 지혜와 내일을 내다보는 인사이트를 제공하는데 이 책은 인생명강 중 두번째 책이다. 요즘  이렇게 교수들이 탄탄한 내용으로 지적인 탐험을 할 수 있도록 해주어서 얼마나 고마운지 모르겠다.
우매했던 나의 뇌를 깨어나게 해준다.

차례는
1강 나  '나'를 발견하는 물리학의 아름다움

2강 우주 나를 알기 위해 우주를 보다

3강 관계 당신과 나 사이의 과학적 연결고리

4강 모습 나의 모양은 어떻게 결정되는가

5강 만남 거대한 세상 속 우리라는 기적

6강 미래 예측할 수 없기에 삶은 흥미롭다

7강 선택 달려오는 미래, 우리는 어디로 가는가?

이렇게 구성되어 있다.
물리학으로 나, 우주, 관계, 모습, 만남, 미래, 선택 등으로 나눠 물리학으로 인생에 대해 이야기한다.


앎은 한정되어 있지만 무지에는 끝도 없다. 지성에 관한 한 우리는 설명이 블가능한, 끝없는 무지의 바다 한가운데 떠 있는 작은 섬에 불과하다. 세대가 바뀔 때마다 그 섬을 넓혀가는 것이 인간의 의무다.

토마스 헉슬리


뉴턴의 발상이 놀라운 것은 '지구  중력이 사과를 끌어당겨서 사과가 떨어지듯이, 지구 중력이 저 먼 달도 끌어당기고 있는 것은 아닐까?' 라는 질문을 했다는 데 있다. p.77


저자의 전공인 통계물리학에 대해 나온다. 통계물리학이란 티끌(미시적)을 모아  태산(거시적)을 연구하는 분야라고 한다. 커다란 규모(태산) 에서 나타나는 현상을 이해하기 위해 미시적인 정보(티끌)를 연구의 출발점으로 삼는다고 한다.  함께하면 달라지는 것들에 관한  과학이며 수많은 나가 관계를 맺고 서로 소통하며 연결되어 우리가 되는데 그 우리를 연구하기 위해서는 관계를 이해해야 한다고 이야기한다. 그래서  통계물리학은 관계과학이라고 한다.
통계물리학은 많은 구성 요소가 서로 상호작용할 때, 전체적으로 어떤 거시적 특성이 나타나는지를 연구하는 '관계의 과학'이라고 한다.

복잡계의 구성 요소들은 서로 강하게 영향을 주고받으면서 거시적인 현상을 만들어낸다고 한다. p.88

복잡계를 연구하는 사람들은 전체를 가능한 단순한 방식으로 보고자 한다.
물리학자는  무한대는 셀 수 있다고 한다. 무한한 수의 구성  요소가 모여있는 커다란 시스템의 경우 물리학이 전체에  대해 정확히 설명할 수 있는 것들이 일부 있는데 통계물리학이 바로 무한대를 세는 방법이라고 한다. 수가 적으면 예측치가 틀릴 때가 많지만 구성요소의  수가 무한대이면 전체의 통계적 특성에 대한 예측은 정확해진다고 한다. 빅데이터 또한 점점 더 많은 데이터가 수집될수록 이를 이용한 현실의 통계적  이해는 점점 정교해진다.

엔트로피에 대해 자세하게 나오는데 이해가 되지않아 엔트로피의 정의에 대해 찾아보았다.  엔트로피는 에너지 전환의 과정에서 쓸모없어지는 무언가를 발견하고 정의되었다고 한다. 자연물질이 변형되어  다시 예전으로 돌아갈 수 없고 열역학적 과정에서  항상 늘어나는 양이 있다고  알려준다고 한다.

S=klogW

엔트로피 = 볼츠만상수W(시스템의 거시적인 상태에 상응하는 가능한 미시적인 상태의 수)
 즉, 볼츠만의 엔트로피는  W가 커지면 S도 커진다는 것을 알 수 있다.
시스템에 허락되는 미시 상태의 수가 늘어는 것이 바로 엔트로피가 늘어나는 과정이라는 의미다. (p.103)
엔트로피증가의 법칙을 한 문장으로 표현하면
일어날 확률이 아주 큰 사건은 반드시 일어난다.

고전역학은 뉴턴의 방정식 F=ma 에서 출발해서 F=ma로 끝난다고해도 과언이 아니라고 한다. F=ma라는 한 줄의 수식으로 우리는 태양 주위 행성들이 어떻게 움직이는지, 천왕성에 우주선을 보내려면 어떻게 해야 할지와 같은 다양한 종류의 운동을 이해하고 이용할 수 있게 되었다고 한다. 작용-반작용의 법칙은 서로 작용하는 힘에 대한 얘기인데  운동량보존법칙을 유도할 수도 있다고 한다.
우리는 서로 연결되고 소통하며 끊임없이 엔트로피를 줄이는 과정을 통해 삶을 이어간다. 그냥 과학시간에 외우기만했던 F=ma 수식이 이렇게 놀라운 수식이었는지는 몰랐었다. 우리는 서로 밀고 당기고 서로 크고 작은 영향을 주고 받으며 살고 있다. 서로가 주고받는 영향이  똑같다고 한다면 이왕이면 더 선한 방향으로  사람을 대하는 것이 서로에게 좋을 것이란 생각을 해본다. 남들에게 더 친절하게   대해야겠다는 생각이 든다. 결국은 그것이 나에게도 좋은 것이라는 것을 과학적으로도 이야기하고 있으니까.


우리는 왜 천체처럼 동그랗지 않을까?
왜 작은 이슬방울은 동그란데 농구공만한 물방울은 없을까?
어린왕자가 사는 소행성의 비밀은 무엇일까?
키가 2배인 큰 강아지의 뼈는 작은 강아지의 뼈와 모양이 같을까?
우리는 왜 털이 없을까?
코끼리는  왜 털이 없고, 피부는 쭈글쭈글할까?
왜 코끼리 귀는 클까?
작은 동물은 왜 추울까?
사람의 뇌는 왜  쭈글쭈글할까?
왜 모델들은 클까?

이런 질문들에 물리학이 답해준다.
물리학의 시각으로 인간의 모습이 다른 동물들과 왜 다른지 알 수 있는 좋은 시간이었다.

세상은 텅텅 비어있고 인간을 구성하고 있는 원자도 원자의 내부는 텅텅 비어있는 진공상태라고 한다. 전자는 크기가 없고, 모습도 없고, 색깔도 없다고 한다. 아무것도 없는 허공들이 모여 우리몸을 구성하고 있다는 것이 참 신비롭다. 허공으로 만들어진 나와 너, 우리가 감정이라는 것이 있고 서로 교감하며 마음을 나눈다는 것, 마음이 닿는다는 것, 공감을 한다는 것이 그저 신비로울 따름이다.

 나의 미래를 알 수 있을까?
언제나 사람들은 미래를 궁금해한다.
뉴턴의 고전역학은 결정론적 특성을 띤다.
 F=ma로 설명할 수 있는데 이 식을 미분의 정의로 바꿔 설명하면 현재의 정보로부터 미래를 알아낼 수 있다는 것을 보여준다고 한다. 현재의 정보로 잠깐 뒤 미래의 정보를 알아낼 수 있다고 한다. 두 식을 여러번 반복해 적용하면 현재의 정보만을 가지고도 하루 뒤, 또는 100년 뒤에 물체가 어떤 운동 상태에 있을지를 알아낼 수 있다고 한다. 와~~놀랍다. 점쟁이도 아니고 과학으로도 미래를 알 수 있다니.. 뉴턴이 죽기 전  우리 은하와 안드로메다 은하가 합쳐지는 시기가 온다고 예언했다고 했는데 그게 그냥 한 소리가 아니었던 모양이다. 뉴턴은 이미 이 식으로 계산해서 미래를 미리 알고 있었던 것이다.
과거에는 어떤 결과가 나올지 전혀 예측할 수 없었던 현상이 이제 인간의 지성으로 어느 정도 예측할 수 있게 되었다고 한다.
카오스이론, 결정되어 있지만 예측은 할 수 없다며 알 수 없는 것이 훨씬 더 많다고 한다.
결국 우리는 과거는 외길이지만 현재의 시점에서 미래는 여러 가능성의 형태로 존재한다고 한다. 현재 위치의 아주 작은 차이로도 내가 어떤 길로 걸어갈지가 달라진다는 것을 카오스 이론은 알려준다.
오늘  바로 이 순간 어떤 선택을 하고 어떤 결정을 하는지가 나의 미래를 크게 바꿀수 있다고 이야기한다. 과학도 결국 오늘, 현재의 선택과 결정이 중요하다고 이야기한다.

저자는 기후변화에 대해서도 이야기한다. 1850년부터 2020년까지 기후의 연평균 기온이 어떻게 변했는지 인터넷에서 찾아본 적이 있다고 한다.
최근 지구의 기온 상승은 태양 활동성 변화와 관계가 없다는 과학적인 결론이란다. 이산화탄소 증가와 기온 상승이 인과관계가 있다고 밝혀졌다고 한다.
그것은 즉 인간에 의해 발생했다는 것을 뒷받침하는 과학적인 근거라고 한다. 지금  상태로 기온 상승이 계속된다면 100년에 1도, 1000년이면 10도, 1만년이면 100도에 해당하는 엄청나게  빠른 기온 상승이라고 한다. 100도를 견딜 생물이 있을까? 100년에 1도 상승이 이렇게 크나큰 것인 줄 미처 알지 못했다. 앞으로 우리는 우리가 사는 지구를 위해 미래의 인류를 위해 무엇을 해야만 할까? 마지막까지 경종을 울린다.



출판사로부터 도서를 무상으로 제공받아 주관적으로 작성한 글입니다.